3.3.1 Giới thiệu chung về hệ thống truyền động tự động trong rôbốt cấp phôi
Hệ truyền động tự động thuỷ khí công nghiệp làm việc theo chu trình là 1 hệ truyền động gồm nhiều hệ truyền động cơ sở làm việc một cách lôgíc sao cho trình tự cơ cấu chấp hành thực hiện xong chúng trở lại vị trí ban đầu và lặp đi lặp lại.
Hệ thống điều khiển các hệ truyền động thuỷ khí phải đảm bảo việc đóng mở các van phân phối tơng ứng với các điều kiện làm việc cho trớc. Các phơng
pháp cho điều kiện làm việc của máy tự động và phơng pháp hiện thực chúng rất đa dạng. Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thờng đợc cho dới dạng các chu trình làm việc. Đó là một dạng đồ thị qui ớc biểu diễn sự phụ thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành.
Chu trình làm việc là 1 trình tự xác định dịch chuyển của cơ cấu chấp hành mà sau khi thực hiện xong chúng trở về vị trí ban đầu. Hoạt động của máy sẽ thể hiện trong việc thực hiện tuần tự các chu trình làm việc nối tiếp nhau. Với các máy có hệ thồng truyền động khí nén, các điều kiện làm việc cũng có thể đ- ợc mô tả bằng các chu trình hoặc các biểu đồ trình tự làm việc, nhng thời gian của mỗi một chu trình làm việc không xác định bởi vận tốc các cơ cấu chấp hành mà phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố phụ mà ta có thể điều chỉnh đợc.
Các hệ truyền động tự động khí nén làm việc theo chu trình đợc chia theo kiểu điều khiển thành 3 nhóm:
• Điều khiển theo vị trí:
Vị trí tận cùng của các cơ cấu chấp hành đợc kiểm tra bằng các cảm biến vị trí. f f x11 x12 h • Điều khiển theo thời gian:
Thời gian thực hiện 1 chu trình đợc xác định bằng cơ cấu cam hoặc bằng rơle thời gian các loại.
h
• Điều khiển theo áp suất:
Đợc coi là biến thể của hệ điều khiển theo vị trí. Chúng đợc sử dụng trong các trờng hợp khi cần piston dịch chuyển những khoảng khac nhau phu thuộc vào kích thớc của chi tiết đợc gia công, hoặc do khó khăn trong việc lắp đặt các công tắc hành trình với cần piston vơn dài.
4 3 2 5 1 Trong đó: 1) Xilanh chấp hành khí nén 2) Van phân phối 4/2
3) Công tắc hành trình 3/2 4) Công tắc khởi động
Hai cách điều khiển theo thời gian và theo áp suất có nhợc điểm là khi tải thay đổi đột ngột hoặc khi các thông số khí thay đổi, chuyển động của cơ cấu chấp hành có thể sảy ra trớc. Do vậy các hệ điều khiển theo vị trí, trong đó chuyển động của từng cơ cấu chấp hành chỉ có thể bắt đầu theo 1 trình tự vị trí xác định của tất cả các cơ cấu chấp hành còn lại là phổ biến trong hệ truyền động tự động khí nén.
3.3.2 Các phần tử của hệ thống điều khiển khí nén trong rôbốt cấp phôi tự động
3.3.2.1 Hệ thống cung cấp và xử lý khí nén
• Máy nén khí
a/ Khái niệm: Là những thiết bị chuyển đổi công suất hiệu dụng từ mô tơ
điện hoặc động cơ đốt trong thành năng lợng khí nén ( áp năng) và nhiệt năng.
b/ Phân loại:
Phân loại theo áp suất:
- Máy nén khí áp suất thấp: P < 15 - Máy nén khí áp suất cao: P >15 - Máy nén khí áp suất rất cao P >30 Phân loại theo nguyên lý hoạt động:
- Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: Máy nén khí theo kiểu pittong, máy nén khí theo kiểu cánh gạt, máy nén khi theo kiểu root, máy nén khí theo kiểu trục vít.
- Máy nén khí tuabin: Máy nén khí ly tâm và máy nén khí chiều trục.
• Bình trích chứa khí nén
Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí đợc xử lý và cần phải có một bộ phận lu chữ để sử dụng cho toàn hệ thống. Bộ phận đó là bình trích chứa khí nén, nó có các tác dụng sau:
- Lu trữ khí nén nhờ đó hạn chế việc máy nén khí phải làm việc liên tục.
- Làm giảm sự xung động để làm dịu các xung dòng chảy của không khí từ máy nén.
- Chuyển đổi nhiệt, khí nén trong bình chứa sẽ đợc làm mát, tạo ra sự ngng tụ nớc và nớc sẽ đợc tách ra khỏi khí nén trớc khi khí nén đi vào hệ thống phân phối.
- Kích thớc bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng trong hệ thống khí nén. Ví dụ, sử dụng liên tục hay gián đoạn.
A
Đồng hồ đo áp suất
• Bộ lọc
Yêu cầu khí nén: Khí nén đợc tạo ra từ những máy nén khí có chứa đựng nhiều chất bẩn, độ bẩn có thể ở những mức độ khác nhau. Chất bẩn bao gồm: bụi, độ ẩm của không khí đợc hút vào, những phần tử nhỏ, chất cặn bã của dầu bôi trơn và truyền động cơ khí. Hơn nữa, trong quá trình nén, nhiệt độ khí nén tăng lên, có thể gây nên quá trình ôxy hoá các phần tử kể trên.
Hình 3-19: Bộ lọc
Nh vậy, khí nén bao gồm các chất bẩn đợc dẫn đi trong ống dẫn khí sẽ gây ăn mòn, gỉ xét trong ống và trong các phần tử của hệ thống điều khiển. Do đó, khí nén sử dụng trong kỹ thuật cần thiết phải đợc xử lý. Mức độ xử lý khí nén tuỳ thuộc phơng pháp xử lý, từ đó xác định chất lợng của khí nén tơng ứng cho từng trờng hợp ứng dụng cụ thể.
Nhiệm vụ
Bộ lọc trong đờng ống đợc thiết kế để thực hiện hai chức năng: lọc các chất bụi bẩn và tách nớc ngng tụ trong không khí khi đi ngang qua nó.
Bộ lọc có chén lọc bằng nhựa trong suốt Polycarbonate. Chén lọc có thể bị xuống cấp sau một thởi gian sử dụng và dới đó dới tác dụng của áp suất nó có thể bị vỡ, vì vậy cần phải có bộ phận bảo vệ bằng kim loại. Nếu chén lọc cũ, độ trong suốt không còn thì phải thay chén mới, cũng có thể thay bằng chén kim loại. Khi cần rửa sạch chén lọc, có thể dùng bằng nớc xà phòn, nớc rửa chén hoặc dầu lửa, không đợc dùng các dung dịch giải và các dung dịch dung môi khác.
• Van giảm áp
Vì áp suất hệ thống phân phối luôn luôn lớn hơn áp suất yêu cầu của các thiết bị hoặc hệ thống vận hành bằng khí nén, nên việc giảm áp là rất cần thiết. Mặc dù thuật ngữ “ van giảm áp” đúng với chức năng của van, nhng thuật ngữ thờng dùng hơn là “ bộ điều tiết áp suất”. Vì lực tác dụng ở đầu ra của xilanh hoặc dụng cụ khí nén phụ thuộc vào áp suất hệ thống nên nói van giảm áp là một bộ điều tiết lực cũng đúng.
P2 A FD Fs Q P1 Trong sơ đồ: Fs: Lực của lò xo P2: áp suất thứ cấp P1: áp suất sơ cấp A: diện tích màng.
Fd: Lực tác động lên màng do áp suất P2 tạo nên. Q: Lu lợng khí qua van.
P
∆ : Là độ chênh lệch áp suất giữa P1 và P2. Có hai loại van giảm áp:
- Van giảm áp không có chức năng giảm áp hệ thống thứ cấp. - Van giảm áp với chức năng giảm áp hệ thống.
Để hiểu nguyên lý hoạt động ta xem xét loại van giảm áp không có chức năng giảm áp hệ thống thứ cấp. Van giảm áp này có hai chức năng quan trong đợc tóm tắt nh sau:
+ Duy trỳ áp suất thứ cấp( áp suất điều chỉnh) gần nh không đổi, không phụ thuộc vào sự dao động về lu lợng yêu cầu ở phía thứ cấp ( phía ra).
+ Trong điều kiện áp suất sơ cấp P1 không dao động và dòng khí yêu cầu phía thứ cấp ổn định, van duy trì ở một vị trí ổn định và các lực Fs, Fd bằng nhau, nhng ngợc chiều. Trong điều kiện này van sẽ xác lập một vị trí ổn định ( đợc điều tiết bởi màng mà van gắn vào) tạo ra một sự giảm áp ∆P chính xác với yêu cầu.
Giải thích động học:
Khi yêu cầu về lu lợng Q trong hệ thống tăng lên, áp suất P2 sẽ giảm và sự cân bằng bị phá vỡ ( Fs>Fd), lò xo sẽ đẩy màng đi xuống và lỗ thông khí của van mở rộng hơn, độ chênh lệch áp suất ∆P sẽ giảm và áp suất lại tăng lên, sự cân bằng đợc xác lập trở lại(Fs= Fd).
Khi áp suất P1 dao động còn áp suất P2 cũng có khuynh hớng dao động theo nhng màng sẽ điều chỉnh đỉnh van liên tục, nhờ đó P2 đợc duy trì.
Khi áp suất P2 tăng, Fd>Fs màng đi lên, lỗ thông khí giảm, ∆P tăng. Vì vậy áp suất lại giảm.
Nếu phía thứ cấp không có yêu cầu dòng chảy khí nén thì áp suất ở buồng thứ cấp ( P2)sẽ tăng lên cho đến khi bằng với áp suất sơ cấp P1 màng đợc đẩy xuống phía dới cho đến khi lực của lò xo Fs=P1xA. Lúc đó van đóng hoàn toàn.
• Mạch đờng ống:
Mạch đờng ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các hệ thống trong bộ điều khiển và cơ cấu chấp hành.
Mạch đờng ống dẫn khí nén có thể chia thành hai loại:
- Mạng đờng ống đợc lắp ráp di động ( mạng đờng ống trong dây truyền hoặc trong máy móc thiết bị).
Thông số cơ bản cho mạng đờng ống lắp ráp cố định là ngoài lu lợng khí nén còn vận tốc dòng chảy, tổn thất áp suất trong ống dẫn khí nén, áp suất yêu cầu, chiều dài ống dẫn và các phụ tùng nối ống.
- Lu lợng: Phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy. Vận tốc dòng chảy trong ống càng lớn thì tổn thất áp suất càng cao.
- Vận tốc dòng chảy: Đợc chọn theo tài liệu và thờng nằm trong khoảng 6-10 m/s. Vận tốc dòng chảy khi qua các đoạn nối ống sẽ tăng lên nhất thời khi dây truyền máy móc đạng vận hành.
- Tổn thất áp suất: Thông thờng yêu cầu tổn thất áp suất là 0,1 bar trong ống dẫn chính. Tuy nhiên trong thực tế, sai số tính đến bằng 5% áp suất yêu cầu. Ví dụ: áp suất yêu cầu của hệ thống là 7 bar thì tổn thất áp suất tính đợc là 0,35 bar là chấp nhận đợc. Nếu trong ống dẫn chính có lắp các phụ tùng nối ống, các van thì tổn thất áp suất của hệ thống sẽ tăng lên.
Mạng đờng ống lắp ráp di động:
Mạng đờng ống lắp ráp di động đa dạng hơn mạng đờng ống lắp ráp cố định. Ngoài những đờng ống bằng kim loại có thành ống mỏng ngời ta còn sử dụng các loại ống dẫn khác bằng nhựa, vật liệu tổng hợp các ống bằng cao su, các ống mềm bằng vật liệu tổng hợp. Đờng kính ống dẫn phải tơng đơng với đ- ờng kính các mối nối của các phần tử điều khiển.
Ngoài mối nối bằng ren, mạng đờng ống lắp ráp di động còn sử dụng các mối nối cắm với các đầu kẹp tuỳ theo áp suất yêu cầu của khí nén cho từng loại máy mà chọn những loại ống dẫn có những tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau.
Bình trích chứa chính Bình trích chứa trung gian
Van xả nứơc
Thiết bị lọc
Trích chứa cho thiết bị, máy
a. Hệ thống điều khiển bằng khí nén
Hệ thống điều khiển bằng khí nén đợc mô tả dới đây gồm các cụm và phần tử chính có chức năng sau:
- Cơ cấu tạo năng lợng: Máy nén khí, bình tích chứa, bộ lọc... - Phần tử nhận tín hiệu: Các loại nút bâm...
- Phần tử xử lý: van áp suất, van điều khiển từ xa... - Phần tử điều khiển: Van đảo chiều.
- Cơ cấu chấp hành: xilanh, động cơ khí nén Năng lợng điều khiển có thể bằng khí nén hoặc bằng điện. Các phần tử chính của hệ thống điều khiển bằng khí nén:
• Van đảo chiều
Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lợng bằng cách đóng mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi các hớng của dòng khí nén.
1) Ký hiệu của van đảo chiều: Vị trí của van đợc ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cái o, a, b, c, ... hay các chữ số 0, 1, 2, 3...
Hình 3 - 22: Ký hiệu van đảo chiều
Vị trí không là vị trí mà khi van cha có tác động của tín hiệu bên ngoài vào. Đối với van 3 vị trí , thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘0’ là vị trí ‘ không’. Đối với van 2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là a hoặc b. Thông thờng vị trí bên phải b là vị trí ‘ không’.
Cửa nối van đợc ký hiệu nh sau: ISO 5599 ISO 1219
Cửa nối nguồn ( từ bộ lọc khí) 1 P
Cửa nối làm việc 2, 4, 6, ... A, B, C, ... Cửa xả khí 3, 5, 7, ... R, S, T, ... Cửa nối tín hiệu điều khiển
12, 14, ... X, Y, ...
Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đơng mũi tên biểu diễn hớng chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì đợc biểu diễn bằng dấu gạch ngang.
a o b a b
a b
Hình 3-24: Ký hiệu và tên gọi của các cửa van đảo chiều
Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 ( van 5 vị trí 2 cửa). Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều:
Tên thiết bị Ký hiệu
Van đảo chiều 2/2
Van đảo chiều 4/2
Van đảo chiều 5/2
o 1 4(B) 2(A) 12(A) 14(Z) 3(R) 5(S) 1(P)
Cửa nối điều khiển
Cửa 1 nối với cửa 4
Cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn
Cửa nối điều khiển Cửa 1 nối
với cửa 2
Cửa xả khi không có mối nối cho đường ống dẫn
Nối với nguồn khí nén
3.3.2.2 Tín hiệu tác độnglên van đảo chiều
Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: Tác động bằng tay, tác động băng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện.
Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’. Hay chỉ từ một phía ( đối với van đảo chiều có vị trí ‘ không’).
Tác động bằng tay:
Tên thiết bị Ký hiệu Ký hiệu nút nhấn tổng quát Nút bấm Tay gạt Bàn đạp Tác động bằng khí tác động nén:
Tên thiết bị Ký hiệu
Trực tiếp bằng dòng khí nén vào
Trực tiếp bằng dòng khí nén ra
Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với đờng kính 2 đầu nòng van khác nhau.
Gián tiếp bằng dòng khí nén ra qua van phụ trợ
Tác động bằng cơ học:
Tên thiết bị Ký hiệu
Đầu dò Cữ chặn bằng con lăn tác động một chiều. Lò xo Nút nhấn có rãnh định vị
Tác động bằng nam châm điện:
Tên thiết bị Ký hiệu
Trực tiếp
Bằng nam châm điện va van phụ trợ
Tác động theo cách hớng dẫn cụ thể
3.3.2.3 Van đảo chiều có vị trí ‘không‘:
Van đảo chiều có vị trí ‘ không’ là loại van tác động bằng cơ học và ký hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu van. Tác dụng lên phía đối diện nòng van là tín hiệu bằng cơ, khí nén hay bằng điện. Khi cha có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối đợc biểu diễn trong ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều hai vị trí. Còn đối với van đảo chiều 3 vị trí thì vị trí ‘ không’ nằm ở giữa.