IV. Các phơng pháp thiết kế mạch khí nén
a) Các bớc trình tự thiết kế:
+ Tìm hiểu và phân tích yêu cầu công nghệ.
Đây là bớc đầu tiên trong tất cả các phơng pháp thiết kế nói chung và phơng pháp thiết kế theo nguyên tắc điều khiển tầng nói riêng. Trong bớc này yêu cầu phải xác định đợc một cách rõ ràng trình tự các bớc làm việc trong quy trình công nghệ, và phải thể hiện đợc bằng cách biểu diễn trên biểu đồ quy trình.
+ Xác định số tầng cần thiết và lập biểu đồ chia tầng.
Trong bớc này yêu cầu phải xác định chính xác số tầng tối thiểu cần dùng, các vị trí chuyển đổi tầng và xây dựng đợc biểu đồ chia tầng, trên đó mô tả thứ tự điều khiển, các tín hiệu làm việc, các tín hiệu chuyển tầng.
Nguyên tắc chia tầng đảm bảo :
- Các bớc thực hiện có cùng chức năng đợc chia thành từng tầng riêng. Trong một tầng thì một cơ cấu chấp hành không đợc thực hiện cả 2 dạng chuyển động (hành trình duỗi ra và hành trình lùi về).
- Các công tắc hành trình mà sự tác động của nó không làm thay đổi tầng sẽ đợc biểu diễn nằm phía trên đờng biểu diễn các tầng, và sẽ điều khiển trực tiếp vị trí của các van đảo chiều trong bớc thực hiện.
- Các công tắc hành trình mà sự tác động của nó có chức năng làm thay đổi tầng thì sẽ đợc biểu diễn nằm phía dới đờng biểu diễn tầng và sẽ điều khiển trực tiếp sự thay đổi của các tầng.
+ Thành lập các mạch tầng chức năng. Nguyên tắc thành lập tầng:
- Trong một thời điểm chỉ có một tầng có khí nén, không tồn tại đồng thời hai hay nhiều tầng có khí nén.
- Các tầng có khí nén lần lợt từ tầng một đến tầng cuối cùng khi kết thúc các bớc thực hiện trong chu trình.
* Mạch 2 tầng :
e1 : tín hiệu điều khiển chuyển từ tầng II sang tầng I.
e2 : tín hiệu điều khiển chuyển từ tầng I sang tầng II. Tín hiệu này đợc cấp từ tầng I qua công tắc hành trình điều khiển thay đổi tầng.
* Mạch 3 tầng :
e1 : tín hiệu điều khiển chuyển từ tầng III sang tầng I.
e2 : tín hiệu điều khiển chuyển từ tầng I sang tầng II
e3 : tín hiệu chuyển từ tầng II sang tầng III
* Mạch 4 tầng :
e1: tín hiệu điều khiển chuyển
73
từ tầng IV sang tầng I. e2 : tín hiệu điều khiển chuyển từ tầng I sang tầng II
e3 : tín hiệu chuyển từ tầng II sang tầng III
e4: tín hiệu điều khiển chuyển từ tầng III sang tầng IV.
+ Xác định các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng.
Đây là bớc thiết kế quan trọng nhất trong phơng pháp, nó quyết định tính đúng đắn trong mạch thiết kế.
Thông thờng điều khiển tầng mang tính chu trình, tức là trình tự điều khiển sẽ là lần lợt theo từng tầng một từ thấp lên cao, đến khi kết thuc tầng cuối cùng lại quay lại từ tầng một. Do vậy việc xác định các tín hiệu tác động cũng phải tuân thủ theo nguyên tắc:
- Tín hiệu tác động trong tầng phải lấy nguồn cung cấp từ tầng đó. - Tín hiệu chuyển tầng phải lấy nguồn cung cấp từ tầng trớc nó.
- Các tín hiệu điều khiển chức năng tại vị trí chuyển tầng thì lấy trực tiếp tín hiệu điều khiển từ tầng mà không cần phải lấy tín hiệu qua công tắc hành trình tại vị trí đó nữa, công tắc hành trình sẽ đợc dùng cho hàm chức năng chuyển tầng.
+ Hoàn thiện phơng trình lôgic cho các chức năng điều khiển.
Đây là bớc hoàn chỉnh lại các điều kiện cho các chức năng điều khiển, nó sẽ quyết định sự tối u của mạch điều khiển.
Thông thờng các van điều khiển (các công tắc hành trình) trong khí nén tín hiệu sẽ đ- ợc cấp bằng đờng ống dẫn khí, do vậy nó không linh hoạt và có khả năng đấu nối chồng chéo các đầu dây nh trong mạch điện - điện tử. Với đặc điểm nh vậy nên trong phơng pháp mạch điều khiển tầng phải thận trọng khi một công tắc hành trình đợc sử dụng cho nhiều chức năng điều khiển trong nhiều tầng khác nhau, khi đó nguyên tắc cấp tín hiệu khí theo thứ tự tầng sẽ không đợc đảm bảo. Giải pháp cho vấn đề đó chính là cấp nguồn độc lập cho các phần tử và sử dụng thêm các van logic (AND, OR,..) đảm bảo các chức năng điều khiển.
+ Hoàn thiện sơ đồ đấu nối từ sơ đồ logic.
Đây là bớc cuối cùng hoàn tất toàn bộ thiết kế. Từ các phơng trình logic chức năng xắp xếp các thiết bị điều khiển theo một trình tự thứ tự điều khiển sao cho việc đấu nối mạch khí là dễ dàng nhất, ít tốn kém đờng ống nhất, bên cạnh đó việc bố trí
74
xắp xếp các thiết bị cũng làm sao đảm bảo việc theo dõi, chẩn đoán, phát hiện lỗi, hỏng hóc và công tác sửa chữa là thuận tiện và dễ dàng nhất.
b) Ví dụ :
Ví dụ 1:
Thiết kế mạch điều khiển cho quy trình công nghệ điều khiển máy khoan tự động. Trình tự công nghệ nh sau: Sau khi sản phẩm cần gia công đợc xylanh A đẩy ra khỏi giá chứa phôi và kẹp chặt lại, bầu khoan bắt đầu đi xuống thực hiện việc khoan chi tiết nhờ xylanh B. Sau khi khoan xong xylanh B mang bầu khoan quay trở về và xylanh A thôi kẹp chi tiết lùi trở về thì sản phẩm đợc tháo ra.
Bài thiết kế tham khảo
+ Lập biểu đồ quy trình:
Có thể mô tả quy trình công nghệ bằng biểu đồ quy trình nh sau:
+ Xác định số tầng và lập biểu đồ chia tầng :
Từ yêu cầu công nghệ ta chia chu trình làm việc thành 2 tầng để thực hiện điều khiển.
. Tầng I thực hiện điều khiển các chức năng A+, B+ . Tầng II thực hiện điều khiển các chức năng B-, A-
. b1 và a0 đợc biểu diễn ở phía dới vì có tác dụng chuyển tầng. . a1 và b0 đợc biểu diễn ở phía trên.
cụ thể biểu đồ chia tầng nh sau:
75
A
+ Thành lập mạch điều khiển 2 tầng.
Theo nguyên tắc thành lập tầng ta có mạch điều khiển 2 tầng :
trong đó e1, e2 là các tín hiệu điều khiển chuyển tầng.
+ Xác định phơng trình logic các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng. . Tín hiệu tác động A+ lấy trực tiếp từ tầng I : A+ = TI
. Tín hiệu tác động A- từ b0 và đợc lấy nguồn từ TII : A- = b0.TII
. Tín hiệu B+ đợc cấp trực tiếp từ công tắc hành trình a1 qua nguồn cung cấp lấy từ TI : B+ = a1.TI
. Tín hiệu B- đợc cấp trực tiếp từ TII : B- = TII
. Tín hiệu e1 tác động chuyển từ tầng II sang tầng I sẽ đợc cấp qua công tắc hành trình a0 và nút ấn tác động : e1 = a0.Pb.TII
. Tín hiệu e2 đợc cấp bởi tín hiệu từ công tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e2 = b1.TI
+ Sơ đồ mạch logic điều khiển.
Từ hệ các phơng trình logic đã xác định ở trên ta có đợc mạch logic điều khiển nh sau :
+ Sơ đồ đấu nối .
Từ sơ đồ mạch logic ta có sơ đồ đấu nối trong mạch điều khiển nh hình vẽ dới : 76
+ Mạch mô phỏng trên phần mềm PneuMotion:
Ví dụ 2:
77
Hai xilanh đợc sử dụng để vận chuyển phôi liệu từ thùng chứa đến một máng trợt. Khi nhấn nút khổi động thì xylanh A sẽ đẩy phôi ra khỏi thùng chứa và xylanh B tiếp tục đẩy phôi xuống máng trợt. Sau đó piston của xylanh B lùi về vị trí ban đầu, rồi xylanh A cũng lùi về vị trí ban đầu, và quy trình mới lại lặp lại nh vậy.
Bài thiết kế tham khảo
+ Lập biểu đồ quy trình:
Quy trình công nghệ có thể chia làm 4 bớc và đợc mô tả bởi biểu đồ quy trình nh sau:
+ Xác định số tầng và lập biểu đồ chia tầng :
Từ yêu cầu công nghệ ta chia chu trình làm việc thành 2 tầng để thực hiện điều khiển.
. Tầng I thực hiện điều khiển các chức năng A+, B+ . Tầng II thực hiện điều khiển các chức năng A-, B-
. b1 và b0 đợc biểu diễn ở phía dới vì có tác dụng chuyển tầng. . a1 và a0 đợc biểu diễn ở phía trên.
cụ thể biểu đồ chia tầng nh sau:
78
xylanh B xylanh A
+ Thành lập mạch điều khiển 2 tầng.
Theo nguyên tắc thành lập tầng ta có mạch điều khiển 2 tầng :
trong đó e1, e2 là các tín hiệu điều khiển chuyển tầng.
+ Xác định phơng trình logic các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng. . Tín hiệu tác động A+ lấy trực tiếp từ tầng I : A+ = TI
. Tín hiệu tác động A- đợc điều khiển trực tiếp từ tầng TII : A- = TII
. Tín hiệu B+ đợc cấp trực tiếp từ công tắc hành trình a1 qua nguồn cung cấp lấy từ TI : B+ = a1.TI
. Tín hiệu B- đợc cấp trực tiếp từ công tắc hành trình a0 qua nguồn cung cấp lấy từ TII : B- = a0.TII
. Tín hiệu e1 tác động chuyển từ tầng II sang tầng I sẽ đợc cấp qua công tắc hành trình b0 và nút ấn tác động : e1 = b0.Pb.TII
. Tín hiệu e2 đợc cấp bởi tín hiệu từ công tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e2 = b1.TI
+ Sơ đồ mạch logic điều khiển.
Từ hệ các phơng trình logic đã xác định ở trên ta có đợc mạch logic điều khiển nh sau : 79 a0 a1b0b1TITII Pb A- A+ B+ B- e1 e2
+ Sơ đồ đấu nối.
Từ sơ đồ mạch logic ta có sơ đồ đấu nối trong mạch điều khiển nh hình vẽ dới :
+ Mạch mô phỏng trên phần mềm PneuMotion:
80
Ví dụ 3:
Thiết kế mạch điều khiển khí nén cho máy khoan. Máy khoan sử dụng 3 xylanh, xylanh A dùng để kẹp giữ phôi tại giá khoan, xylanh B sử dụng để dịch chuyển bầu khoan, còn xylanh C sử dụng để đẩy sản phẩm đã đợc khoan xuống giỏ chứa. Để khống chế hành trình các xylanh sử dụng 6 công tắc hành trình dạng cữ chặn con lăn: a0, a1 để khống chế hành trình của xylanh A; b0, b1 để khống chế chiều sâu khoan; và c0, c1 để khống chế hành trình của xylanh đẩy C. Các xylanh đợc bố trí nh hình vẽ :
Bài thiết kế tham khảo
+ Lập biểu đồ quy trình:
+ Xác định số tầng và lập biểu đồ chia tầng :
Từ yêu cầu công nghệ ta chia chu trình làm việc thành 2 tầng để thực hiện điều khiển.
. Tầng I thực hiện điều khiển các chức năng A+, B+ và C- . Tầng II thực hiện điều khiển các chức năng B-, A- và C+ . b1 và c1 đợc biểu diễn ở phía dới vì có tác dụng chuyển tầng. . a1, a0, b0 và c0 đợc biểu diễn ở phía trên.
cụ thể biểu đồ chia tầng nh sau:
81
+ Thành lập mạch điều khiển 2 tầng.
Theo nguyên tắc thành lập tầng ta có mạch điều khiển 2 tầng :
trong đó e1, e2 là các tín hiệu điều khiển chuyển tầng.
+ Xác định phơng trình logic các tín hiệu tác động và các tín hiệu chuyển tầng.
. Tín hiệu tác động A+ lấy trực tiếp từ công tắc hành trình c0 lấy nguồn từ tầng I : A+ = c0.TI
. Tín hiệu tác động A- đợc điều khiển từ công tắc hành trình b0 lấy nguồn từ tầng TII : A- = b0.TII
. Tín hiệu B+ đợc cấp trực tiếp từ công tắc hành trình a1 qua nguồn cung cấp lấy từ TI : B+ = a1.TI
. Tín hiệu B- đợc điều khiển trực tiếp từ tầng TII : B- =TII
. Tín hiệu C+ đợc điều khiển từ công tắc hành trình a0 lấy nguồn từ tầng II : C+ = a0.TII
. Tín hiệu C- đợc điều khiển trực tiếp từ tầng I: C- = TI.
. Tín hiệu e1 tác động chuyển từ tầng II sang tầng I sẽ đợc cấp qua công tắc hành trình c1 lấy nguồn từ tầng II : e1 = c1.TII
. Tín hiệu e2 đợc cấp bởi tín hiệu từ công tắc hành trình b1 lấy nguồn trực tiếp từ TI : e2 = b1.TI
Tổng hợp lại ta đợc hệ phơng trình logic chức năng: A+ = c0.TI.Pb C+ = a0.TII
A- = b0.TII C- = TI.
B+ = a1.TI e1 = c1.TII
B- =TII e2 = b1.TI
+ Sơ đồ mạch logic điều khiển.
Từ hệ các phơng trình logic đã xác định ở trên ta có đợc mạch logic điều khiển nh sau :
82
+ Sơ đồ đấu nối .
Từ sơ đồ mạch logic ta có sơ đồ mạch điều khiển nh hình vẽ dới:
83