Các thiết bị chấp hành là bộ phận để thực hiện hoạt động nào đó dới tác động của tín hiệu phát ra từ thiết bị điều khiển. Hoạt động đó có thể là một tác động vật lý, cũng có thể là một quá trình nào đó.
2.3.1. Xi lanh thuỷ lực, khí nén
Các xi lanh thực hiện các chuyển động thẳng qua lại. Xi lanh khí nén đợc sử dụng rất rộng rãi bởi vì trong nhà máy có nguồn khí nén tập trung và đờng ống dẫn khí nén đi khắp nơi. Trạm khí ép tập trung làm việc ở áp suất từ (80-100) psi (551,581- 689,476) kPa. Trên hình 2-22 là thí dụ về ứng dụng xi lanh khí nén trong hệ thống sản xuất có robot. Khi quá trình sản xuất cần lực đến 200 pound (889 N) ngời ta sử dụng thuỷ lực. áp suất thuỷ lực có thể đạt 2000 psi (13789520 Pa).
Hình 2-. ứng dụng xi lanh khí nén để dẫn động tay robot trong hệ thống sản xuất tự động. 1-7 là các chuyển động để đóng hộp.
Hình 2-. Xi lanh thuỷ lực hành trình kép một đầu trục. 1. Xi lanh; 2. Cán xi lanh; 3. Đờng dẫn dầu; 4. Pittông;
5, 7. Joăng bịt kín; 6. Lò xo;
Xi lanh thuỷ lực gồm có xi lanh hành trình đơn và xi lanh hành trình kép. Xi lanh hành trình đơn chỉ có một đờng dẫn dầu vào buồng dầu (hình 2-23a). Hành trình trở về do lò xo hoặc tự trọng của pittông thực hiện. Xi lanh hành trình kép có hai loại: loại một đầu trục (hình 2-23b) và hai đầu trục (hình 2-23c) tuỳ theo chức năng làm việc. Các loại xi lanh này có hai đờng dầu dẫn vào hai buồng của xi lanh. Xi lanh hành trình kép hai đầu trục có lực đẩy và lực kéo nh nhau. Trên hình 2-24 là một thí dụ về xi lanh thủy lực hành trình kép, một đầu trục sử dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp.
Hình 2-. Xi lanh thuỷ lực hành trình kép một đầu trục.
2.3.2. Cuộn hút (solenoids)
Với chuyển động thẳng ngắn, nhanh, êm dịu và lực nhỏ thì trong hệ thống tự động sử dụng cuộn hút (solenoid). Nguyên lý hoạt động của cuộn hút dựa trên khả năng tạo ra một từ trờng hút lõi thép trong cuộn dây khi cho dòng điện đi qua. Khi mất điện lõi thép trở về vị trí ban đầu nhờ lò xo. Chuyển động của lõi thép khác với chuyển động của pittông là rất khó điều khiển. Nhng điều ấy không quan trọng.
Một trong những ứng dụng của các cuộn hút đợc sử dụng rộng rãi để điều khiển van thuỷ lực, khí nén nhằm thay đổi chiều chuyển động của chúng.
2.3.3. Rơ-le
Một trong những ứng dụng rộng rãi của cuộn hút là để đóng ngắt mạch điện. Mạch đóng ngắt hoạt động với điện áp thấp, dòng điện nhỏ hơn rất nhiều so với mạch động lực. Trên hình 2-25 là sơ đồ ứng dụng rơ-le để đóng ngắt hai đèn. Các rơ-le dùng nguồn điện áp một chiều, còn các đền dùng điện áp 220VAC.Các rơ-le có thể nối song song (hình 2-25a) và nối tiếp (hình 2-25b).
Hình 2-. Sơ đồ điều khiển sử dụng rơ-le
2.4. Thiết bị dẫn động
2.4.1. Động cơ
a. Động cơ điện một chiều
Stator cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm vĩnh cữu. Phần nầy còn đ ợc gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong− khe hở không khí.
Rotor với các thanh dẫn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với dòng từ thông xác định, roto sẽ quay. Phần nầy gọi là phần ứng.
Tuỳ cách đấu dây giữa phần cảm so với phần ứng, ta có những loại động cơ điện một chiều khác nhau :
- Động cơ kích từ nối tiếp (hình 2-26a). - Động cơ kích từ song song (hình 2-26b). - Động cơ kích từ hổn hợp (hình 2-26c).
a) b) c)
Hình 2-. Sơ đồ các loại động cơ điện một chiều
Các thông số chủ yếu quyết định tính năng làm việc của động cơ điện một chiều là :
U - Điện áp cung cấp cho phần ứng; I - C ờng độ dòng điện của phần ứng; − r - Điện trở trong của phần ứng;
Φ - Từ thông;
E - Sức phản điện động phần ứng.
Các quan hệ cơ bản của động cơ điện một chiều là : Φ
= −
=U Ir kn
E
Trong đó k là hệ số phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn của phần ứng.
Số vòng quay của động cơ điện một chiều: Φ − = k Ir U n
Mômen động C xác định từ ph ơng trình cân bằng công suất : − π
πnC C k I
EI =2 ⇒ =2 Φ
Hay:
- Thay đổi từ thông Φ, thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ. Trong tr ờng hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ− định mức, thì công suất không đổi còn momen giảm theo tốc độ.
- Điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong tr ờng hợp từ thông không đổi,− khi tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức thì mômen sẽ không đổi, còn công suất tăng theo tốc độ.
Muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều cần thay đổi hoặc chiều của từ thông (tức chiều của dòng điện kích từ) hoặc thay đổi chiều dòng điện phần ứng.
b. Động cơ điện xoay chiều
Ta thờng gặp các động cơ không đồng bộ đi kèm một hệ thống biến đổi tần số (biến tần) để điều khiển tốc độ động cơ xoay chiều. Hệ thống này ngày càng đợc hoàn thiện không kém gì đặc tính của các động cơ điện một chiều. Ưu điểm nổi bật của động cơ xoay chiều là không dùng đảo mạch (chổi than) nên làm việc tin cậy, bảo dỡng dễ dàng, tuổi thọ cao.
c. Các động cơ thuỷ lực
Động cơ thuỷ lực đợc a dùng trong giai đoạn phát triển ban đầu của máy điều khiển số (CNC), ngày nay chúng không còn đợc sử dụng nhiều nữa. Ưu điểm nổi bật của các động cơ thuỷ lực gắn liền với việc dùng hệ thống van séc- vo, nhờ vậy đa ra đợc đờng đặc tính tối u “mô men/vận tốc”. Mô men cực đại đạt đợc khi vận tốc bằng 0, còn để quay nhanh chúng cần có một hộp số tăng tốc.
2.4.2. Động cơ bớc
Động cơ bớc đợc cói loại động cơ điện không dùng bộ chuyển mạch. Cụ thể, các mấu trong động cơ bớc là stator và rotor là nam châm vĩnh cửu, hoặc trong trờng hợp của động cơ biến trở từ, nó là những khối răng làm bằng vật liệu nhẹ có từ tính. Tất cả các mạch đảo phải đợc điều khiển bên ngoài bởi bộ điều khiển, và đặc biệt, các động cơ và bộ điều khiển đợc thiết kế để động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào. Hầu hết các động cơ bơc có thể chuyển động ở tần số âm thanh, cho phép chúng quay khá nhanh, ộng và dừng lại ở vị trí bất kỳ.
Động cơ bớc có thể sử dụng trong hệ thống điều khiển vòng hở đơn giản; những hệ thống này đảm bảo cho hệ thống điều khiển gia tốc với tải trọng tĩnh; nhng khi tải trọng thay đổi hoặc điều khiển ở gia tốc lớn ngời ta vẫn dùng hệ điều khiển vòng kín với động cơ bớc.
Nếu một động cơ bớc trong hệ thống điều khiển hở quá tải, tất cả các giá trị về vị trí của động cơ đều bị mất và hệ thống phải nhận diện lại. Động cơ servo thì không xảy ra vấn đề này.
Động cơ bớc đợc chia làm hai loại: nam châm vĩnh cửu và biến trở từ (cũng có loại hỗn hợp nhng không quá khác biệt so với động cơ nam châm vĩnh cửu). Nếu mất đi nhãn trên động cơ chúng ta cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng cảm giác mà không cần cấp điện cho chúng. Động cơ nam châm vĩnh cửu dờng nh có các nấc khi xoay nhẹ rotor của chúng, trong khi động cơ biến trở từ thì xoay tự do (mặc dù cũng cảm thấy có nấc nhẹ bởi sự giảm từ tính trong rotor). Chúng ta cũng có thể phân biệt hai loại động cơ này bằng ôm kế. Động cơ biến trở từ thờng có ba mấu với một dây chung, trong khi đó động cơ nam châm vĩnh cử thờng có hai mấu phân biệt, có hoặc không có nút trung tâm. Nút trung tâm chỉ có trong động cơ nam châm vĩnh cửu đơn cực.
Động cơ bớc nam châm vĩnh cử có thể quay từ 1,8 đến 0,72 độ một bớc. Tuy vậy với một bộ điều khiển tốt cũng có thể cho động cơ quay với 1/2 bơc hoặc nhỏ hơn gọi là vi bớc.
a. Động cơ biến trở từ
Nếu động cơ có ba cuộn dây, đợc nối với nhau nh trên hình 2-27, với một đầu dây chung C thì đó chắc chắn là một động cơ biến trở từ. Khi sử dụng đầu dây chung C nối với cực dơng của nguồn và các cuộn dây đợc kích thích theo thứ tự liên tục. Khi cuộn dây 1 đợc cấp điện, răng X của rotor bị hút vào cực 1. Nếu cuộn 1 bị ngắt và cấp nguồn cho cuộn 2 thì rotor sẽ quay 300 theo chiều kim đồng hồ và răng Y sẽ bị hút vào cực 2. Nếu cứ luân phiên cấp điện cho ba cuộn dây thì rotor sẽ quay liên tục.
Hình 2-. Động cơ bớc biến trở từ
b. Động cơ đơn cực
Động cơ đơn cực, cả loại nam châm vĩnh cử và hỗn hợp, với 5, 5 hoặc 8 đầu dây đợc cuốn nh trên hình 2-28 với một đầu nối trung tâm trên các cuộn dây. Khi dùng các đầu nối trung tâm gắn với cực dơng của nguồn, hai đầu còn lại lần lợt nối với đất để đảo chiều từ trờng đợc tạo bởi cuộn đó.
Hình 2-. Động cơ bớc đơn cực
Mấu 1 nằm ở cực trên và dới của stator, còn mấu 2 nằm ở hai cực bên phải và bên trái động cơ. Rotor là một nam châm vĩnh cử với 6 cực, 3 Nam, 3 Bắc xếp xen kẽ trên vòng tròn.
Động cơ thể hiện trên hình 2-28 có 300/bớc, nhng cũng có loại khác có b- ớc nhỏ hơn và đạt đến 0,720/ bớc.
Dòng điện đi qua từ đầu trung tâm mấu 1 đến đầu a tạo ra cực Bắc trong stator trong khi đó cực còn lại của stator là cực Nam. Nếu dòng điện ở mấu 1 bị ngắt và kích mấu 2, rotor sẽ quay 300 hay một bớc.
c. Động cơ hai cực
Đông cơ nam châm vĩnh cửu hoặc hỗn hợp hai cực (lỡng cực) có kết cấu cơ khí giống nh động cơ đơn cực, nhng hai mấu của động cơ đợc nối đơn giản hơn, không có đầu trung tâm. Vì vậy, bản thân động cơ thì đơn giản hơn, nhng mạch điều khiển để đảo cực mỗi cặp cực trong động cơ thì phức tạp hơn (hình 2-29). Mạch điều khiển cho động cơ đòi hỏi một mạch điều khiển cầu H cho mỗi mấu; điều này cho phép cực của nguồn đến mỗi đầu của mấu đợc điều khiển độc lập.
Hình 2-. Động cơ bớc hai cực
Để phân biệt động cơ nam châm vĩnh cử hai cực với động cơ bốn dây biến trở từ, ta đo điện trở giữa các cặp dây. Chú ý là một vài động cơ nam châm vĩnh cử có bốn mấu độc lập đợc xếp thành hai bộ. Trong mỗi bộ, nếu hai mấu đợc xếp nối tiếp với nhau thì đó là động cơ hai cực điện thế cao. Nếu chúng đợc nối song song thì đó là động cơ hai cực điện thế thấp. Nếu chúng đợc nối tiếp với một đầu trung tâm thì dùng nh động cơ đơn cực điện thế thấp.
d. Động cơ nhiều pha
Hình 2-. Động cơ bớc nhiều pha
Một bộ phận động cơ bớc không phổ biến nh các loại trên, đó là động cơ nam châm vĩnh cửu mà các cuộn dây đợc quấn nối tiếp thành một vòng kín, gọi là động cơ nhiều pha (hình 2-30). Thiết kế phổ biến nhất của loại này sử dụng dây nối 3 pha và 5 pha. Bộ điều khiển cần 1/2 cầu H cho mỗi đầu ra của động cơ, nh- ng những động cơ này có thể cung cấp momen xoắn lớn hơn so với loại động cơ bớc cùng kích thớc. Một vài động cơ 5 pha có thể xử lý bớc đến 0,720/bớc (500 b- ớc/vòng).
Các thông số chủ yếu của động cơ b ớc: − - Góc quay :
Động cơ b ớc quay một góc xác định ứng với mỗi xung kích thích. Góc− b ớc − θ càng nhỏ thì độ phân giải vị trí càng cao. Số b ớc s là một thông số quan− trọng : θ 0 360 = s - Tốc độ quay và tần số xung :
Tốc độ quay của động cơ b ớc phụ thuộc vào số b ớc trong một giây.− − Đối với hầu hết các động cơ b ớc, số xung cấp cho động cơ bằng số b ớc (tính− − theo phút) nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ b ớc tính theo công thức sau : −
s f n=60 Trong đó: f - tần số xung, b ớc/phút.− s - số bớc trong một vòng qauy. n - tốc độ quay, vòng/phút
Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác nh độ chính xác vị trí,− momen và quán tính của động cơ...
Động cơ bớc có khuyếch đại thuỷ lực.
Trong trờng hợp này động cơ bớc đóng vai trò dẫn động điều khiển một động cơ thuỷ lực công suất lớn. Bản thân động cơ bớc chạy điện thuần tuý có công suất nhỏ và thiết kế hoạt động trong vùng tần số (16 ữ 18)KHz. Các hệ thống động cơ bớc có khuyếch đại mômen bằng thuỷ lực thờng đợc dùng trong các máy CNC hạng nặng nhng vì lý do giá thành cao và những vấn đề có liên quan quan đến sử dụng hệ thống thuỷ lực nên ngày một hiếm thấy hơn các trờng hợp áp dụng.