Chức năng chính của một hệ thống chấp hành là tác động lên đối tượng cần điều khiểnđể đạt được mục đích mong muốn. Chức năng đó có thể thực hiện được nhờ hệ thống cơcấu chấp hành có khả năng chuyển năng lượng sơ cấp sang dạng năng lượng cơ học cuốicùng.Ba dạng năng lượng chính mà hệ thống cơ cấu chấp hành sử dụng là: điện, thuỷ năng,và khí nén. Dạng năng lượng thứ nhất tương ứng với cơ cấu chấp hành điện như: động cơđiện, cuộn cảm, và các nam châm điện. Hai dạng năng lượng còn lại tương ứng với các xilanh (động cơ tuyến tính) hoặc động cơ quay, cơ bản tương tự về hình dạng và kíchthước. Sự chuyển động tương ứng của chúng được điều khiển nhờ tác động của lưu chấtkhông nén được (dầu thuỷ lực, dầu thô, hoặc một dạng chất lỏng với độ nhớt thấp hơn)hoặc lưu chất (fluid) nén được (khí nén hoặc khí gas nói chung).
20 Cơ cấu chấp hành Massimo Sorli Politecnico di Torino Stanley S Ipson University of Bradford 20.4 Hệ thống chấp hành thuỷ lực khí nén 20-1 20.4 Hệ thống chấp hành thuỷ lực khí nén Massimo sorli and Stefano Pastorelli Giới thiệu Chức hệ thống chấp hành tác động lên đối tượng cần điều khiển để đạt mục đích mong muốn Chức thực nhờ hệ thống cấu chấp hành có khả chuyển lượng sơ cấp sang dạng lượng học cuối Ba dạng lượng mà hệ thống cấu chấp hành sử dụng là: điện, thuỷ năng, khí nén Dạng lượng thứ tương ứng với cấu chấp hành điện như: động điện, cuộn cảm, nam châm điện Hai dạng lượng lại tương ứng với xi lanh (động tuyến tính) động quay, tương tự hình dạng kích thước Sự chuyển động tương ứng chúng điều khiển nhờ tác động lưu chất không nén (dầu thuỷ lực, dầu thô, dạng chất lỏng với độ nhớt thấp hơn) lưu chất (fluid) nén (khí nén khí gas nói chung) Ngồi cịn có dạng lượng khác thơng dụng hệ thống tự động Ví dụ như, lượng hố học nhiệt gây chuyển pha vật liệu hay giãn nở nhiệt động lực hệ thống thành chuyển động học Dưới ta xét đặc tính hệ servo thủy lực khí nén cho phép điều khiển liên tục hai đại lượng vật lý đặc trưng cho lượng dòng lưu chất áp suất lưu lượng Thông thường, việc điều khiển áp suất áp dụng trường hợp cần phải tạo quy luật lực mơmen, việc điều khiển lưu lượng thường dùng để điều khiển độ lớn đại lượng động học vị trí, tốc độ gia tốc Điều khiển liên tục lực tốc độ thực cách hiệu nhờ có cấu chấp hành lưu chất, với ưu điểm dễ thấy so với cấu chấp hành điện khả trì hệ thống tải không giới hạn với thiết bị điều khiển phù hợp; khả thực di chuyển tuyến tính trực tiếp tốc độ cao khơng cần thiết bị biến 20-1 Metechvn.com Sổ tay Cơ điện tử chuyển động quay thành tuyến tính có dải hoạt động rộng, đặc biệt hệ thống thuỷ lực có kích thước giới hạn qn tính thấp Hệ thống chấp hành thuỷ lực khí nén Hệ thống chấp hành phần máy tự động, bao gồm phần công suất phần điều khiển minh hoạ hình 20.86 Phần cơng suất gồm thiết bị tác động đến hoạt động di chuyển hệ thống Phần điều khiển thực trình xử lý thơng tin theo vịng kín với luật điều khiển thiết lập dựa tín hiệu mẫu tín hiệu từ cảm biến nằm phần vận hành Các tín hiệu lệnh từ phần điều khiển gửi tới phần vận hành nhờ thiết bị trung gian, thiết bị có nhiệm vụ chuyển khuếch đại tín hiệu (khi cần thiết) cho cấu chấp hành sử dụng trực tiếp tín hiệu Các phần trung gian truyền động tốc độ, phần tiếp xúc động điện hay van phân phối cấu chấp hành thuỷ lực khí nén Hình 20.87 mô tả hoạt động hệ thống chấp hành dạng Phần công suất phận chấp hành - hình vẽ xilanh kép - phần đầu phần sau khoang xilanh nối với van phân phối 4/2, có chức điều chỉnh cơng suất dòng lưu chất Lệnh chuyển van lệnh từ phần điều khiển Lệnh đưa theo kế hoạch chuyển động vòng vận hành mong muốn xilanh, dựa tín hiệu phản hồi từ cảm biến xilanh - mô tả hình vẽ dạng cơng tắc giới hạn Các hệ thống chấp hành có dạng khơng liên tục liên tục tùy thuộc vào loại hình tự động hoá gồm phần điều khiển phần cấu chấp hành Hệ thống chấp hành không liên tục hiệu chúng ứng dụng loại hình tự động hố khơng liên tục, điển dây chuyền lắp ráp dây chuyền xử lý phận máy móc; nói cách khác, hệ thống cấu chấp hành liên tục ứng dụng trình xử lý liên tục, thiết bị điều khiển tương tự cho hệ servo HÌNH 20.86 Hệ thống chấp hành HÌNH 20.87 Hệ thống chấp hành dùng lượng lưu chất 20-2 Cơ cấu chấp hành HÌNH 20.88 Sơ đồ hệ thống servo dùng lượng lưu chất Các cấu chấp hành thuỷ lực hay khí nén, có dạng tịnh tiến (xilanh) dạng quay (động cơ) hệ thống liên tục chúng xác định vị trí phần di động (của tay địn ứng với trường hợp xilanh; trục ứng với trường hợp động cơ) điểm trình chuyển động Sự hoạt động xilanh động chịu ảnh hưởng lớn ma sát (tĩnh động) nơi tiếp xúc phần di động Ảnh hưởng ma sát việc thay đổi điều kiện ma sát độ dính chuyển động phần di động cấu chấp hành làm tăng khả xảy tượng trượt đặc biệt hệ thống khí nén, chuyển động không liên tục tốc độ di chuyển thấp Khi tính đến ảnh hưởng ma sát, có mặt thiết bị làm điểm tựa cho phần di động cấu chấp hành trì điều kiện áp suất chuẩn giá đỡ, vịng đệm làm tăng độ phi tuyến ví trí cân cấu chấp hành làm cho việc định vị hệ thống khó đạt độ xác cao Để khắc phục vấn đề số ứng dụng cụ thể, cần sử dụng cấu chấp hành khơng có vịng bịt kín ví dụ trường hợp ổ trục đỡ thuỷ tĩnh thuỷ động (fluid static, fluid dynamic bearing) Các phần tử trung gian van phân phối hình vẽ đóng vai trị quan trọng việc xác định chế độ hoạt động cấu chấp hành Trong trường hợp thực tế, chuyển động qua lại, với vị trí cấu chấp hành điểm cuối hành trình, thường dùng van phân phối dạng số có từ đến vị trí, hình 20.87 Nói cách khác, cần điều khiển liên tục vị trí lực truyền, cần dùng thiết bị liên tục van tỉ lệ van servo dùng thiết bị số kết hợp với điều biến tín hiệu, ví dụ điều khiển rộng xung PWM (Pulse Width Modulation) Do vậy, hệ thống chấp hành thuỷ lực khí nén hệ thống có phản hồi (hệ thống servo) với sơ đồ hoạt động hình 20.88 Cấu trúc thực tế cấu chấp hành servo thuỷ lực dạng tịnh tiến có sơ đồ hoạt động hình 20.88 hình 20.89 Cơ cấu chấp hành thiết bị độc lập gồm có xilanh, van chuyển đổi vị trí Hệ thống chấp hành lưu chất có điều khiển hệ điện tử điển hình Nó kết hợp phần khí, thuỷ lực, thiết bị điều khiển cảm biến; thường địi hỏi phải có q trình mơ để xác định kích thước đặc tính phần tử khác cho chúng phù hợp với đặc tính mong muốn Ký hiệu chuẩn thành phần khác hệ thống thuỷ lực khí nén định nghĩa mạch phụ trợ xác định theo chuẩn ISO 1219 “Các thành phần hệ thống lượng thuỷ lực, khí nén - ký hiệu hình học sơ đồ mạch; Phần 1: Ký hiệu hình học, Phần 2: Sơ đồ mạch” 20-3 Sổ tay Cơ điện tử Hệ thống servo thuỷ lực khí nén Hệ thống servo thuỷ lực hay khí nén hệ điều khiển cơng suất đầu ra, chúng hệ thống servo điều khiển vị trí, tốc độ hệ servo điều khiển lực, mômen, áp suất Điều khiển đại lượng đầu bao gồm việc điều khiển lưu lượng dòng lưu chất định nghĩa lưu lượng dịng chảy dịng khí qua thành phần hệ thống servo Hai dạng phổ biến thường dùng ứng dụng là: hệ thống servo thuỷ lực lưu chất tồn dạng chất lỏng hệ thống servo khí nén, lưu chất tồn dạng khí nén Áp suất làm việc hệ thống servo thuỷ lực thường có giá trị khoảng từ 150 đến 300 bar, với hệ thống khí nén áp suất 10 bar Nhóm hệ thống servo thuỷ lực sử dụng loại dầu - loại lưu chất có độ nhớt cao cho hệ thống servo yêu cầu ấp suất điều khiển cao chất dễ cháy xăng dầu cho ngành ô tô hàng không (JPA, JPB,…), ứng dụng mạch nhiên liệu động đốt cháy Các hệ thống servo khác sử dụng chất lỏng truyền lực dùng cho cơng nghiệp hàng hải HÌNH 20.89 Hệ thống servo thủy lực dạng xi lanh Các hệ thống servo khí nén ứng dụng cơng nghiệp, tự động hố sản suất, tự động hố q trình, giao thông: hàng không, đường biển, đường bộ, đường sắt Khí nén ứng dụng nêu tạo máy nén lấy khơng khí từ mơi trường Trong ứng dụng khác, lưu chất làm việc khí nén mà khí gas đặc biệt Hiện có hệ thống servo dùng lưu chất đơng lạnh dùng phương tiện lại hệ thống làm lạnh cơng nghiệp Bên cạnh cịn có hệ thống servo dùng khí đốt (LPG mêtan, prôban) ứng dụng gia dụng dùng Nitơ ứng dụng áp suất cao Từ phân tích sơ này, nhận thấy hệ thống servo thủy lực khí nén tham gia vào trình sản xuất sản phẩm với 20-4 Cơ cấu chấp hành cấu servo điện trở thành phận thiếu trình sản xuất tự động hố Ngồi ra, chúng cịn đóng vai trị thiết bị phát động điều khiển được, tích hợp vào thân sản phẩm Sau xem xét cấu chấp hành servo lắp đặt máy bay ngày phổ biến phương tiện giao thông đường Hệ thống chấp hành thủy lực Thành phần hệ thống thủy lực gồm: Bơm: hệ thống tạo công suất thủy lực; Cơ cấu chấp hành: phần tử chuyển lượng thủy lực sang lượng học; Van: điều chỉnh lượng thủy lực; Ống nối: nối thành phần hệ thống chấp hành; Bộ lọc, ắcquy, nguồn cung cấp; Chất lỏng: chất truyền lượng phần tử khác mạch; Các cảm biến chuyển đổi; Hệ thống hiển thị, đo lường thiết bị điều khiển HÌNH 20.90 Phân loại bơm Bơm Bơm chuyển lượng điện lượng học sang dạng lượng thuỷ lực Chúng tạo dòng chất lỏng hệ thống thuỷ lực với áp suất xác định độ cản thuỷ lực theo hướng xi dịng từ phía phát Các dạng bơm giới thiệu hình 20.90 Các máy bơm ly tâm có cơng suất cao áp suất thấp Chúng khơng có van có khoảng trống lớn phần quay phần tĩnh để bảo đảm dòng chảy tĩnh phù hợp Ngược lại, loại bơm ứng dụng phổ biến bơm thủy tĩnh hay bơm có độ dịch chuyển dương lại có áp suất cao với công suất hạn chế Chúng gồm phần tử van nắp phân chia khu vực công suất với khu vực đầu vào, chúng đưa xung vào dịng chảy đầu thường cần sử dụng chất lỏng có đặc tính bơi trơn khả chịu tải cao để giảm ma sát phần trượt bơm Có 20-5 Sổ tay Cơ điện tử dạng bơm có độ dịch chuyển khơng đổi thay đổi Dạng bơm thủy tĩnh hay bơm có độ dịch chuyển dương: bánh răng, van quay dạng piston Bơm bánh Bơm bánh có dạng bánh ngồi, bánh trong, trục vít Ở tất dạng đó, bơm gồm bánh đặt vỏ cho khe hở chúng nhỏ Hình 20.91 sơ đồ bơm với bánh Các bánh quay ngược khiến dầu nằm khoảng không gian thành bánh truyền từ chỗ thắt tới lối Tùy theo dạng răng, bơm bánh có dạng: bánh trụ, bánh xoắn ốc bánh cam Các dạng bơm với bánh có chức tương tự bánh quay theo chiều Hình 20.92 mơ tả cấu tạo bơm tầng (two-stage) Với bánh trục vít, có hay nhiều rotor, phần tử có xoắn ốc tương tự đường ren xốy trơn ốc trục vít Chất lỏng truyền trục theo chiều quay trục vít Các dạng bơm đảm bảo dòng chảy êm, giảm tiếng động, mức độ nhiễu thấp Tốc độ quay thông thường khoảng 1000 3000 vịng/phút, cơng suất từ 100 kW Áp suất đạt đến 250 bar, bơm bánh giá trị cao Dòng chảy hàm khoảng cách dịch chuyển bơm tốc độ góc đầu vào, với giá trị từ 0.1 tới 1000 cm2/vịng quay Để tăng giá trị dùng bơm kép Bơm bánh có hiệu suất cao, thường có giá trị 90% Bơm dạng van quay Bơm van (Hình 20.93) thường gồm stator rotor, quay độc lập phần khác Các van di chuyển rãnh riêng đặt quanh stator rotor phân cách thể tích thay đổi tương ứng HÌNH 20.91 Bơm bánh trụ (hãng Casappa) 20-6 Cơ cấu chấp hành HÌNH 20.92 Bơm bánh (hãng Truninger) Trong hình 20.93, hầu hết cấu trúc, van đỡ rotor quay phía bên stator Việc quay dẫn đến di chuyển khối chất lỏng van liên tiếp từ bên tới đầu vào phần phát Dạng bơm cho phép dải áp suất làm việc tới 100 bar dòng chảy dao động thấp hơn, độ tĩnh lớn nhiều so với bơm dạng bánh HÌNH 20.93 Bơm dạng van quay HÌNH 20.94 Bơm pittông dạng trục (Bosch Rexroth) Bơm pittông Các bơm pittông có nhiều xilanh, xilanh có pittơng trượt Sự di chuyển khối chất lỏng từ xác định khoảng di chuyển pittông xilanh, cung cấp van vào cửa Tuỳ theo dạng xếp hình học xilanh tương ứng với trục quay động cơ, bơm piston chia bơm dạng trục (dạng bent axis swash plate) bơm hướng tâm Hình 20.94 mơ tả sơ đồ bơm piston dạng trục di chuyển khoảng cố định dạng swash plate Dải áp suất làm việc tương ứng bơm pittơng lớn dạng trước, đạt tới áp suất dải 400-500 bar nhược điểm có nhiều dịng chảy khơng 20-7 Sổ tay Cơ điện tử Cơ cấu chấp hành truyền động Các cấu chấp hành chuyển lượng thủy lực chất lỏng bị nén sang dạng lượng Các cấu chấp hành động thuỷ lực, bản, dạng chuyển động sinh ra, tương tự trường hợp bơm, động quay, nửa quay phần tạo chuyển động quay trục, động tuyến tính chuyển động qua lại, phần tạo chuyển động quay xi lanh thuỷ lực Các động quay nửa quay Trong thuật ngữ giải thích, động quay gần giống bơm quay Có động dạng bánh răng, van, piston, dạng trịn ống Tuy nhiên, ngun lý hoạt động ngược lại với bơm Hình 20.95 ký hiệu động thủy lực dạng quay Các động dạng nửa quay tạo dao động chuyển động tuyến tính, chuyển động quay van nối trực tiếp với đầu trục kết hợp với cấu truyền động piston, với bánh nối với đầu trục ví dụ hình 20.96 Các động van nửa quay sinh mômen xoắn tức thời trục đầu ra; Vì chúng gọi động mơmen thủy lực HÌNH 20.95 Ký hiệu động thuỷ lực quay HÌNH 20.96 Cơ cấu chấp hành thuỷ lực quay (Parker Hannifin) Động tuyến tính 20-8 Cơ cấu chấp hành Các động thuỷ lực tuyến tính tiếp tục sử dụng phổ thông dạng cấu chấp hành Chúng sinh chuyển động thẳng hành trình truyền nối với piston trượt xilanh Có khác biệt xilanh tác động đơn tác động kép Trước động có hành trình làm việc áp suất chất lỏng tác dụng lên bề mặt piston theo chiều nhất; hành trình kéo lại thực nhờ lực tác động lên mặt cần xilanh tạo ra, nhờ lực lò xo xoắn kết hợp với cấu chấp hành khoang Cuối hai hành trình cho phép chất lỏng tác động lên mặt piston, nhằm tạo hành trình tiến lùi Các xi lanh tác động kép có truyền đơn kép Nó bao gồm ống bịt đầu piston di động trống chứa truyền nối bên để tạo chuyển động Khi cố định với miếng đệm hàn kín, piston chia xilanh thành khoang Việc đưa dầu bị nén với áp suất cao vào khoang thơng qua ống dẫn đặc biệt phía đầu, chênh lệch áp suất mặt piston truyền sức ép phía ngồi nhờ truyền Hình 20.97 giải thích hoạt động xilanh thủy lực tác động kép với truyền đơn Cơ cấu chấp hành truyền đơn coi xilanh khơng đối xứng vùng làm việc phía truyền nhỏ vùng pittơng HÌNH 20.97 Cơ cấu chấp hành pittông tác động kép, truyền đơn (Atos) HÌNH 20.98 Ký hiệu cấu chấp hành Ở loại lực tác động tốc độ theo hai chiều khác nhau, với áp suất khoang Các cấu chấp hành thủy lực chống tải, tải vượt lực đẩy có thể, truyền dừng chuyển động ngược lại, không gây hỏng Tuy nhiên, xilanh bị hỏng bị giảm hiệu suất cấp tải không dọc theo trục truyền sinh phản lực từ truyền ổ trục đỡ pittông dẫn tới tượng nhanh mịn, giảm độ khít gây rị rỉ dầu Những thơng số động tuyến tính kích thước, hành trình pittơng, áp suất làm việc tối đa, dạng chất lỏng, cách liên kết Ký hiệu dạng cấu chấp hành khác nêu hình 20.98 20-9 Sổ tay Cơ điện tử Van Van phận hệ thủy lực có nhiệm vụ điều chỉnh cơng suất thủy lực truyền tới cấu chấp hành Vai trò chúng đóng/mở dịng chảy dầu phân hướng theo yêu cầu, cho phép điều chỉnh hai đại lượng vật lý việc truyền chất lỏng áp suất lưu lượng dòng chảy Phân loại van theo chế độ hoạt động, có dạng: Van định hướng Van đóng-mở Van điều chỉnh áp suất Van điều chỉnh lưu lượng dòng chảy Người ta thường sử dụng van tỉ lệ lưu lượng, van servo, van tỉ lệ áp suất ứng dụng cấu servo liên tục Van định hướng Van định hướng định lượng chiều dòng dầu qua dịch chuyển phần di động tương ứng chúng tác động từ bên Van định hướng xem van phân phối, phân biệt nhờ dạng phần tử di động, chúng phân loại theo cấu trúc bên chúng, số lượng kết nối với ống dẫn ngồi số vị trí chuyển mạch HÌNH 20.99 Sơ đồ van bốn ngăn, hai vị trí Các phần tử di động có dạng poppet dạng cuộn Các van poppet khơng phân biệt dạng chất lỏng không chịu tác động tạp chất chất lỏng đó, yêu cầu lực tác động lớn bù với áp lực dầu Các van cuộn cho phép kết nối đồng thời theo vài dạng khác với sơ đồ chuyển khác nhau, thơng dụng linh hoạt chúng Số kết nối xác định số đường chảy cách thể bề ngồi thân van Số vị trí chuyển tương ứng với số sơ đồ kết nối van, với di chuyển thích hợp phần di động Hình 20.99 mơ tả sơ đồ hoạt động van cuộn ngăn, vị trí (ký hiệu 4/2) nối với động tuyến tính hành trình kép Ở vị trí (Hình 20.99(a)) nguồn cung cấp liên hệ với khoang sau xilanh qua đầu A, khoang trước xả qua cổng B Trong sơ đồ này, pittông thực hành trình tiến phía trước truyền hướng ngồi Ở vị trí (Hình 20.99(b)), di chuyển van trượt khiến việc cấp xả khoang ngược lại, pittơng thực hành trình ngược lại Van định hướng nhiều vị trí biểu diễn hình vng đặt cạnh mơ tả kết nối vị trí Hình 20.100, biểu diễn số ký hiệu van định hướng theo chuẩn ISO Vị trí van vị trí thường vị trí dừng nối với van cuộn 20-10 Cơ cấu chấp hành khuếch đại tĩnh chuyển đổi vị trí [V/m] KTP = K R K OLF = K PQ số lực C A - K PQ g ém ù ê ú ëêsN ú û sn tần số tự nhiên van tỉ lệ [rad/s] z hệ số giảm chấn van tỉ lệ sA = g - (MK PQC / AC2 ) zA = t = C0 é - (K PQ g / AC2 )ù ú û M êë C 0M éê1 - (K PQ g / AC2 )ù ú ë û AC2 C 0K PQ tần số cộng hưởng thuỷ lực [rad/s] hệ số giảm chấn thủy lực Hằng số thời gian nhiễu lực [s] đó: ém ù ê ú êëV ú û K S' = AV max V max hệ số tĩnh van tỉ lệ KQ = ¶Q ¶ AV hệ số khuếch đại lưu lượng van tỉ lệ AV ,PL diện tích pittơng [m2] AC KQ = ¶Q ¶ PL Hệ số khuếch đại lưu lượng-áp suất van tỉ lệ AV ,PL hệ số ma sát nhớt g C0 = ém ù ê 2ú êësm ú û 4b AC2 VT ém ù ê ú êësPa ú û é N ù ê ú ês / m ú ë û độ cứng nước vị trí [N/m] tổng thể tích hai khoang [m3] VT M: Hàm truyền vòng hở: GOL = khối lượng phần di chuyển [kg] V RET s n2 s A2 = GC ×K OL V ×K T P × × 2 e s + 2zs n s + s n s + 2z A s A s + s A s K = GC ×K OLV ×K T P = GCL = GC K S' K Q AC K T P AC2 - K PQ g K RGC K OLV s n2 s A2 x = 2 (s + 2zs n s + s n )(s + 2z A s A s + s A2 )s + GC K OLV s n2 s A2 K T P X set = a 5s + a 4s + a 3s + a 2s + a1s + (20.53) (20.54) (20.55) đó: a5 = , s s A2 K n a4 = ổz z ửữ ữ ỗỗỗ A + ữ s n s A K ỗốs n s A ứữ 20-21 Sổ tay Cơ điện tử a3 = K0 ổ1 ỗỗ + 4z A z + ữ ữ, ữ ỗốs n2 s ns A s A ứữ a2 = ổ ỗỗ z + z A ữ ữ, ữ ỗ s A ứữ K ès n a1 = K0 Hàm truyền đầu nhiễu, theo cân động học là: G FCL = K OLF (t s - 1)(s + 2zs n s + s n2 )s A2 x = Fe (s + 2zs n s + s n2 )(s + 2z A s As + s A2 )s + GC K OLV s n2 s A2 K T P (20.56) Đáp ứng tĩnh là: x Fe = s= K PQ K OLF = = ' ' GC K OLV K T P GC K S K Q AC K T P GC K S K P AC K T P (20.57) đặt: K PQ = KQ KP , KP = ¶ PL ¶ AV hệ số áp suất éêPa2 ùú AV ,PL êëm úû Cuối cùng, độ cứng tĩnh xác định Fe x = GC K S' K P AC K T P (20.58) s= Dễ suy số thời gian, từ hàm truyền vịng kín hệ số a1 = 1/K0 Kết luận: Hệ số khuếch đại tốc độ KOLV, hệ số khuếch đại tĩnh vòng hở K0 phụ thuộc đáng kể vào hệ số khuếch đại tỉ lệ lưu lượng K Q tăng KQ tăng KQ tăng PS tăng, giảm ∆PL0 tăng, không biến thiên với AV0 Với giả thiết 1000 Ns/m, tác động K PQ không lớn, thực tế không đáng kể Hằng số lực KOLF phụ thuộc hệ số khuếch đại lưu lượng-áp suất K PQ tăng theo K PQ |K PQ| tăng với AV0 với ∆PL0, giảm PS tăng; |KOLF| giảm PS tăng Tổn hao dẫn tới tăng KOLF Độ cứng tĩnh phụ thuộc nhiều vào độ khuếch đại áp suất van tăng theo thông số Dựa vào K P giảm tỉ lệ với độ dò dẫn tới giảm độ cứng tĩnh Hơn nữa, dựa vào |KPQ| tăng với AV0 KQ không biến thiên theo AV0, Độ khuếch đại áp suất giảm AV0 tăng, độ cứng tĩnh giảm van làm việc với điều kiện mở Hơn nữa, dựa vào |KPQ| giảm PS tăng, KQ tăng PS tăng, hệ số khuếch đại áp suất tăng PS tăng, độ cứng tĩnh tăng với PS Tần số cộng hưởng chất lỏng tăng với độ đặc chất lỏng C0 giảm khối lượng M tăng Thực tế khơng bị ảnh hưởng hệ số khuếch đại lưu lượng-áp suất KPQ FC, sau van đĩa di chuyển hướng xuống khe hở mở chuyển khối khí tới đầu cân lại PC giá trị xác định Trong trường hợp ngược lại, FR < FC, van đĩa điều chỉnh di chuyển hướng lên, nhung giữ ngun vị trí điểm cuối hành trình nó, phần mở cho phép khối khí chuyển từ cổng A tới cửa xả Trong hình 20.120, van PWM mở /đóng, điều chỉnh áp suất PR khoang phụ Sơ đồ điều khiển khí nén van hình 20.121 Các van PWM, đường nhận tín hiệu điều biến từ khối điều chỉnh Chúng gồm đường điều khiển lưu lượng vào khoang (Hình 20.120), đường điều khiển lưu lượng xả Bằng tác động tương ứng, tín hiệu điều khiển chuyển sang tín hiệu áp suất tỉ lệ Hình 20.122 Sơ đồ hệ thống servo khí nén với van số đường 20-29 Sổ tay Cơ điện tử Hình 20.123 Sơ đồ hệ thống servo khí nén với van tỉ lệ đường Mơ hình hố hệ thống servo khí nén Sơ đồ hệ thống servo khí nén có khả điều khiển vị trí, tốc độ, lực tương tự hệ thống chấp hành thuỷ lực mơ tả hình 20.109 Tín hiệu chuyển đổi đại lượng xác định, cần phải hồi mạch vịng kín, phụ thuộc đại lượng điều khiển Trong sơ đồ hình 20.122, vị trí trục pittông, hồi tiếp biến đổi vị trí, xác định cách điều khiển áp suất buồng nén tiếp xúc đối xứng dịng Việc liên hệ vị trí so sánh với tín hiệu hồi tiếp sai số bù điều chỉnh Dựa việc mở van, tín hiệu gửi đến van điều chỉnh, đưa buồng pittông, giả thiết đối xứng Áp lực tác dụng lên bề mặt pittông chống lại ngoại lực Giả thiết sơ đồ điện có bốn van số với hai đường ống, điều khiển điện Giải pháp cho phép sử dụng van kích thước nhỏ, phù hợp với tồn dải yêu cầu cấu phụ khí nén Ở phương pháp này, tỷ lệ mở van điều chỉnh phương pháp điều chế độ rộng xung tín hiệu số Mỗi cặp van V 11, V 12 V21,V 22 tạo thành van ba đường đầu kết nối với khoang pittơng, sơ đồ hình 20.122 xem tương đương với sơ đồ hình 20.123 với van ba đường điều khiển tương tự V1 V2 Mơ hình hình trụ mơ hệ thống với phương trình vi phân cấp ba, hai bậc khối khơng khí buồng đốt bậc trạng thái cân truyền động Các độ lớn sau lấy vi phân (chỉ số tương ứng với buồng đốt pittông): A phần ép lên pittông Fe nhiễu ngoại lực lên cần pittông G tốc độ khối không khí vào buồng đốt M khối lượng phần di động piston n hệ số khí đa hướng P áp suất khoang xilanh Pi áp suất ban đầu khoang xilanh Pamb áp suất môi trường R số khơng khí Ti nhiệt độ ban đầu khoang xilanh x vị trí tay địn xo với giá trị ban đầu x0 20-30 Cơ cấu chấp hành x0 xm nủa hành trình piston dải chết hệ số ma sát nhớt dP1 G 1nR T 1i P1n dx = dt A1(x + x m + x )(P1 / P1i )(1- n ) / n (x + x m + x ) dt (20.58) dP2 G 1nR T 2i P2n dx = dt A2 (x + x m - x )(P1 / P2i )(1- n ) / n (x + x m - x ) dt (20.59) (P - Pamb )A1 - (P2 - Pamb )A2 - Fe - gdx / dt d 2x = dt M (20.60) Van đối xứng dịng V1 mơ hình hố điện trở khí nén biến đổi Các phương trình sử dụng để tính tốn tốc độ khối khí G qua điện trở khí nén, đặc tính hố độ dẫn C tiêu chuẩn tới hạn b, phù hợp với chuẩn ISO 6358, liên kết với hai môi trường A B, với áp suất tương ứng PA PB, theo chiều dương từ A đến B, là: Luồng tốc độ âm thanh: G = r PAC 0< PB £ b PA (20.61) Luồng hạ âm: ỉP / PA - b ÷ G = r 0PAC - ỗỗ B ữ ỗố - b ÷ ø b< PB £ PA (20.62) Luồng tốc độ âm thanh: G = - r 0PBC với 0< PB £ b (20.63) PA Luồng hạ âm: ỉP / P - b ÷ G = - r 0PBC - ỗỗ A B ữ ỗố - b ÷ ø với b< PA £ PB (20.64) Giả sử có tín hiệu lưỡng cực, giả thiết Vref >0 tương ứng vùng nối nguồn cung cấp vùng làm việc, Vref 0, tốc độ âm vùng xả với V ref với phép giải tích tương ứng G = r nC 1P1 (20.73) G = r n P1rC = K 12C (20.74) Lân cận P1 = P1r Công thức (20.74) có ý nghĩa với Vref1 < 0, C1 < với phép giải tích tương ứng Tính trung bình K 11 K12 ta có hệ số Kmean xác định bởi: K m ean r n (Ps - b14P1 r ) K 11 + K 12 = = 2(1 - b14 ) (20.75) Hình 20.124 Sơ đồ khối mơ hình tuyến tính hệ servo khí nén với điều khiển vị trí Lưu lượng tỉ lệ tuyến tính hàm C1, ta có: r n (Ps - b14 P1 r ) G1 = 2(1 - b14 ) C = K 1C (20.76) C = K 2C (20.77) Tương tự với van 2, ta có: G2 = r n (Ps - b24 P2 r ) 2(1 - b24 ) Phương trình liên tục khối lượng buồng đốt pittơng e) f) , tuyến tính quanh điểm đặt, xác đỉnh bởi: x = xn P1 = P1 r , P2 = P2 r , & P& = P1 r = 0, & P& = P2 r = 0, x m = x m = 0, n = x&= x&r = G1 = P1r A1 x + xr & x&+ A1 P1 RT RT (20.78) G2 = P2r A2 x - xr & x&+ A2 P2 RT RT (20.79) Sơ đồ khối mơ hình tuyến tính hình 20.124 20-33 Sổ tay Cơ điện tử Bằng cách dùng biến đổi Laplace hệ thống phương trình tuyến tính, giả thiết van giống nhau, ta có: x&= s n2 s A2 s A2 G c K OLV e - K OLF sFe + C I 2 (s + 2zs n s + s n ) (s + 2z A s As + s A ) (s + 2z A s A s + s A2 ) (20.80) C.I điều kiện đầu, KOLV hệ số khuếch đại tốc độ tĩnh, KOLF hệ số khuếch đại nhiễu lực, s A xA tương ứng tần số tự nhiên cấu chấp hành hệ số giảm chấn, G c khối bù Kết sơ đồ khối hình 20.125 Hình 20.126, so đồ vịng kín với phản hồi vị trí Có thể thấy tương tự sơ đồ so với hệ thống thuỷ lực Đặc biệt, giả thiết rằng: P1 r = P2 r = dPs với d Ỵ 0.6 - 0.9 A1 = A = A n= cấu chấp hành có điểm cuối biến đổi đẳng nhiệt HÌNH 20.125 Sơ đồ khối mơ hình mạch hở HÌNH 20.126 Sơ đồ khối mơ hình vịng kín Chúng ta mơ tả thơng số hệ thống servo khí nén: K OLV = R T rn 1 (1/ d - b* ) KV (1 - b* ) A (1 - b* ) (20.81) x [1 - (x r / x )2 ] 2dPs A (20.82) 2dPs A x 0m [1 - (x r / x )2 ] (20.83) x [1 - (x r / x )2 ] 8dPs A m (20.84) K OLF = sA = zA = g 20-34 Cơ cấu chấp hành Một vấn đề thiết kế chọn kích cỡ đặc tính thành phần phụ, hoạt động mơ hình tuyến tính sau kiểm tra mơ hình hệ phi tuyến hồn tồn Tài liệu tham khảo [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [25] Andersen, B W., The analysis and design of pneumatic systems, Wiley, New York, 1967 Bouteille, D., Belforte, G., Automazione flessibile, elettropneumatica e pneumatica, Tecniche Nuove, Milano, 1987 Belforte, G., D’ Alfio, N., Applicazioni e prove dell’automazione a fluido, Levrotto & Bella, Torino, 1997 Belforte, G., Manuello Bertetto, A., Mazza, L., Pneumatica: corso completo, Tecniche Nuove, Milano, 1998 , J F., Reethof, G., Shearer, J L., Fluid power control, MIT Press, Cambridge, 1960 Dransfield, P, Hydraulic control systems—design and analysis of their dynamics, Springer, Berlin, 1981 Esposito, A., Fluid power with applications, 5th ed., Prentice-Hall, Upper Saddle River, NJ, 2000 Gotz, W., Hydraulics Theory and applications, Robert Bosch Automation Technology Division Training, Ditzingen, 1998 ,A H., Fluid power troubleshooting, 2nd ed., Dekker, New York, 1995 Introduction to hydraulic circuits and components, The University of Bath, Bath, 2000 Introduction to control for electrohydraulic systems, The University of Bath, Bath, 1999 Jacazio, G., Piombo, B., Meccanica applicata alle macchine 3: Regolazione e servomeccanismi, Levrotto & Bella, Torino, 1994 , J E., Electrohydraulic servo systems, 2nd ed., Penton IPC, Cleveland, 1977 Johnson, J L., Design of electrohydraulic systems for industrial motion control, Penton IPC, Cleveland, 1991 Johnson, J L., Basic electronics for hydraulic motion control, Penton IPC, Cleveland, 1992 Lewis, E E., Stern, H., Design of hydraulic control systems, McGraw-Hill, New York, 1962 Mang, T., Dresel, W., Lubricants and lubrications, Wiley-VCH, Weinheim, 2001 McCloy, D., Martin, H R., The control of fluid power, Longman, London, 1973 Merritt, H E., Hydraulic control systems, Wiley, New York, 1967 Moog, Technical Bulletins, 101-152, Moog, New York Muller, R., Pneumatics Theory and applications, Robert Bosch Automation Technology Division Training, Ditzingen, 1998 Nervegna, N., Oleodinamica e Pneumatica, Politeko, Torino, 1999 Parr, A., Hydraulics and pneumatics: a technician’s and engineer’s guide, 2nd ed., Butterworth Heinemann, Oxford, 1998 , D., Kolk, R A., Mechatronics system design, PWS publishing company, Boston, 1997 Tonyan, M J., Electronically controlled proportional valves: selection and application, Dekker, New York, 1985 Viersma, T J., Analysis, synthesis and design of hydraulic servosystems and pipelines, Elsevier, Amsterdam, 1980 Yeaple, F., Fluid power design handbook, 3rd ed., Dekker, New York, 20-35 ... 20 . 113 Phân loại máy nén khí HÌNH 20 . 114 Các máy nén pittông: (a) cấu đơn, (b) cấu đôi Máy nén 20 - 23 Sổ tay Cơ điện tử Các loại máy nén sử dụng để tạo khí nén tổng kết hình 20 . 113 Trong máy nén. .. với van đĩa poppet HÌNH 20 . 120 Van áp lực theo tỷ lệ (đối xứng) (Parker) 20 - 28 Cơ cấu chấp hành HÌNH 20 . 121 Sơ đồ điều khiển van áp lực theo tỷ lệ (đối xứng) Hình 20 . 120 ví dụ van áp lực đối... b* ) A (1 - b* ) (20 . 81) x [1 - (x r / x )2 ] 2dPs A (20 . 82) 2dPs A x 0m [1 - (x r / x )2 ] (20 . 83) x [1 - (x r / x )2 ] 8dPs A m (20 . 84) K OLF = sA = zA = g 20 - 34 Cơ cấu chấp hành Một vấn đề thiết