I. Nguồn động lực của robot
5. Các thiết bị khí nén
5.3. Cơ cấu chấp hành
Cơ cấu chấp hành trong các hệ thống khí nén làm nhiệm vụ chuyển năng l- ợng khí nén thành năng lợng cơ khí. Có 2 loại cơ cấu chấp hành trong hệ thống khí nén:
1. Piston-xylanh: tạo chuyển động thẳng. 2. Động cơ khí nén: tạo chuyển động quay.
a) Piston-xylanh:
Trong quá trình làm việc, luôn phải đảm bảo độ kín khít giữa piston và xylanh, đồng thời lực ma sát giữa piston và xylanh không đợc quá lớn dễ gây ra hiện tợng bó kẹt làm piston không thể di chuyển trong xylanh. Chính vì vậy, các vòng đệm cũng nh các bộ phận đảm bảo kín khít khác phải đợc lựa chọn và lắp ráp với kết cấu và vật liệu hợp lý.
Vòng đệm tiết diện tròn thờng chỉ thích hợp làm việc trong môi trờng có áp suất thấp và vận tốc thấp, ngoài ra loại van này còn dễ bị giãn sau một thời gian làm việc.
Loại đệm kín kiểu vòng bít có những yêu cầu kỹ thuật cần thiết thích hợp làm việc trong cả áp suất cao và áp suất thấp. Khi lắp ráp, vòng bít sẽ bó chặt bề mặt chi tiết và tiếp xúc với bề mặt đối diện. Khi áp suất càng tăng, vòng bít càng bị ép và tăng diện tích theo phơng vuông góc với phơng của áp lực do đó càng đảm bảo độ kín khít tốt hơn. Khả năng này cũng khắc phục đợc độ mòn của vòng bít
66
cũng nh của bề mặt chi tiết tiếp xúc với vòng bít gây ra trong quá trình chuyển động.
Các loại vòng đệm với kết cấu và vật liệu khác nhau đợc cung cấp trên thị trờng hầu hết đều có thể làm việc trong khoảng nhiệt độ từ -25 đến 80° C.
Xylanh tác động một phía:
Nắp xylanh Piston Vòng đệm Xylanh Cần piston
Cửa cấp khí nén Lỗ thông hơi
Nắp xylanh
Vòng đệm cần piston
Piston chuyển động tịnh tiến ra nhờ khí nén và chuyển động lùi nhờ lực đẩy của lò xo. Cũng có thể thực hiện chuyển động tịnh tiến ra nhờ lực lò xo và chuyển động lùi nhờ lực khí nén bằng cách bố trí lò xo đối diện với cần piston. Khoảng hành trình tịnh tiến khứ hồi của piston trong xylanh bị giới hạn bởi chiều dài của lò xo. Cũng có thể biến xylanh tác động một phía thành xylanh tác động hai phía bâừng cách sử dụng lỗ thông hơi trên nắp xylanh nh một cửa cấp khí nén.
Xylanh tác động một phía có những u điểm sau: 1. Lắp đặt, vận hành đơn giản.
2. Do chỉ có một cửa cấp khí nén nên kết cấu nhỏ gọn. 3. Khi ngừng cấp khí nén piston trở về vị trí an toàn. Xylanh tác động một phía sử dụng màng:
67
Cần piston
Lò xo
Màng
Cửa cấp khí nén
Xylanh tác động một phía sử dụng màng chủ yếu sử dụng cho các trờng hợp cần lực tác động lớn nhng chỉ cần dịch chuyển nhỏ của piston. Các xylanh loại này có đờng kính từ 8 đến 63 mm với hành trình piston tới 10 mm. Các xylanh loại này chủ yếu dùng cho các cơ cấu kẹp hoặc tạo hình. Do thiết kế đặc thù của xylanh nên lực ma sát khi làm việc không đáng kể, do vậy xylanh loại này cũng đợc sử dụng cho các hệ thống khí nén có áp suất thấp.
b) Xylanh tác động kép:
Xylanh tác động kép thờng dùng cho các hệ thống cần có chuyển động tịnh tiến khứ hồi, lực tác động vừa phải. Các piston thờng có cần piston nằm về một phía, do vậy diện tích làm việc ở hai bên bề mặt piston không giống nhau. Với cùng một áp suất cung cấp, lực tác động khi piston tịnh tiến ra sẽ lớn hơn lực tác động khi piston chuyển động lùi. Nhng với cùng một điều kiện cung cấp khí nén, vận tốc chuyển động lùi sẽ nhanh hơn vận tốc chuyển động tịnh tiến ra.
Vòng đệm piston
Xylanh Vòng đệm cần piston Cần piston
c) Xylanh nối tiếp:
Có cấu tạo gồm hai xylanh nối ghép với nhau nh hình vẽ dới:
68
1 2 3 4
Cấu tạo của loại xylanh này tạo ra lực tác dụng dọc trục gấp đôi so với xylanh đơn có cùng diện tích mặt cắt ngang. Khi xylanh tịnh tiến ra cần cung cấp khí nén đồng thời vào hai cửa 1 và 3, cửa 2 và 4 sẽ là cửa thoát khí. Khi chuyển động lùi, khí nén đợc cung cấp vào đồng thời cửa 2 và 4 hoặc chỉ 1 trong hai cửa tuỳ thuộc lực cần thiết để làm xylanh chuyển động. Nếu chỉ cần lực nhỏ để làm xylanh chuyển động lùi, chỉ cần cung cấp khí nén vào 1 trong hai cửa 2 hoặc 4, nh vậy sẽ tiết kiệm đợc lợng khí nén tiêu thụ.
d) Xylanh kép:
Cũng có cấu tạo gồm hai xylanh ghép với nhau:
4 3
2 1
0 1 2
Nếu hai xylanh có cùng một độ dài hành trình piston, xylanh kép có thể dừng tại ba vị trí 0, 1, 2 bằng cách phối hợp các cửa nh sau:
Vị trí Cửa cấp khí 0 1&4 1 2 hoặc 3 2 2 và 3 69
2 1
0
1 2 3 4
3
Nếu hai xylanh có độ dài hành trình piston khác nhau, xylanh kép có thể dừng tại bốn vị trí 0, 1, 2, 3 bằng cách phối hợp các cửa nh sau:
Vị trí Cửa cấp khí
0 1&4
1 3
2 2 và 4
3 2 và 3
Xylanh tác động kép với piston hai đầu cần:
1 2
Xylanh tác động kép với piston hai đầu cần có khả năng tạo lực tác động và vận tốc nh nhau trên cả hai chiều chuyển động.
e) Xylanh tạo chuyển động va đập với vận tốc cao:
Xylanh tạo chuyển động va đập có thể sử dụng trong đột, dập, cắt hay những công việc tơng tự. Xylanh tạo chuyển động va đập nhận đợc năng lợng bổ sung từ một buồng khí phụ trong xylanh. Khi thực hiện chuyển động tịnh tiến ra, piston sẽ chuyển động nhanh dần và đạt đợc vận tốc cao khi va đập với chi tiết. Do piston và cần piston phải làm việc trong điều kiện khắc nghiệt, chịu va đập mạnh
70
nên cấu tạo của piston và cần piston cũng phải đảm bảo đủ độ cứng vững nên th- ờng nặng và bền hơn so với piston và cần piston của các loại xylanh thông thờng.
Nguyên lý hoạt động:
Bớc 1: Khí nén đợc cung cấp vào buồng nhỏ của xylanh đẩy piston chuyển động lùi về phía buồng khí phụ.
Nắp xylanh Piston Đệm piston Cần piston Nắp xylanh
1 2 3
F1
F2 F1
F2
Bớc 2: Van đảo chiều đợc cấp tín hiệu đảo chiều dòng khí vào xylanh, khí nén đợc cấp vào buồng lớn của xylanh đồng thời khí nén thoát khỏi buồng nhỏ của
71
xylanh. Do chỉ có một diện tích nhỏ trên mặt trên của piston (khoảng 11% diện tích mặt trên piston) tiếp xúc với khí nén nên áp lực khí nén trên mặt trên piston (F1) không lớn, cha đủ để thắng áp lực khí nén của mặt dới (F2).
Bớc 3: khi áp lực khí nén trong buồng nhỏ của xylanh (F2) không đủ thắng áp lực F1, piston sẽ dịch chuyển xuống dới. Lúc này toàn bộ diện tích mặt trên piston tiếp xúc với khí nén, do đó lực F1 rất lớn làm piston chuyển động có gia tốc và nhanh chóng đạt đợc vận tốc cao trớc khi va đập với chi tiết ở cuối hành trình.
f) Các cơ cấu quay có góc quay giới hạn:
Khi cần chuyển động quay với một góc quay nhất định, ta có thể sử dụng xylanh tác động kép với cần piston có dạng thanh răng, trục quay mang bánh răng ăn khớp với thanh răng.
Cơ cấu này có thể tạo ra chuyển động quay với vận tốc và mômen quay nh nhau theo cả hai chiều, mômen quay khá lớn, có thể đạt tới 400 Nm. Tuy nhiên nó có một số nhợc điểm nh kích thớc lớn, góc quay phụ thuộc chiều dài thanh răng và hành trình piston do vậy ít đợc sử dụng. Ngời ta thờng sử dụng các cơ cấu quay dạng cánh gạt để thay thế. Các cơ cấu quay dùng năng lợng khí nén có góc quay giới hạn có thể sử dụng để vận hành các van hay sử dụng trong kỹ thuật Robot.
g) Động cơ khí nén:
Động cơ khí nén đợc sử dụng khi cần tạo chuyển động quay liên tục từ năng lợng khí nén và có thể đạt đợc công suất tới 25 kW. So với động cơ điện và động cơ thuỷ lực, động cơ khí nén có những u điểm sau:
1. Công suất cao so với các loại động cơ khác cùng kích thớc hoặc trọng l- ợng.
72
2. Không h hỏng khi bị quá tải. 3. Thay đổi tốc độ dễ dàng.
4. Có thể làm việc trong điều kiện khắc nghiệt không thể sử dụng động cơ điện hay động cơ thuỷ lực.
5. Dễ đảo chiều quay. 6. Độ bền khá cao.
7. Không yêu cầu bảo dỡng thờng xuyên. 8. Dễ lắp đặt.
9. Mômen quay ổn định với các cấp tốc đô khác nhau. 10. Tốc độ quay lớn.
Động cơ khí nén có các loại:
- Động cơ cánh gạt: có thể đạt đợc công suất 5 kW, vận tốc 200 đến 30000 vòng/phút.
- Động cơ piston (động cơ piston dọc trục, động cơ piston hớng kính): công suất tối đa 25 kW, vận tốc 2000 đến 5000 vòng/phút.
- Động cơ bánh răng: công suất tối đa có thể đạt đợc trên 300 kW.