• Hệ thống điều khiển tự động:
Như chúng ta điều biết mỗi một hệ thống điều khiển tự động ( HTĐKTĐ) đều gồm có hai bộ phận: bộ phận chấp hành và bộ phận điều khieồn .
Bộ phận điều khiển là phương tiện của tự động hoá để xử lý tín hiệu điều khiển quá trình và những tín hiệu nhìn thấy được tuỳ thuộc vào tín hiệu của liên hệ phản hồi từ quá trình và nhiệm vụ điều khiển .
Các hệ thống điều khiển tự động có thể khác nhau bởi trung tâm hoá điều khiển, phương pháp tác đông hiệu lệnh, dạng của vật chứa chương trình, chức năng công nghệ, số dòng và số dạng tín hiệu nhưng điều có một số đặc điểm chung là có những bộ phận chủ yếu như cảm biến cơ cấu phân phối và cơ cấu chấp hành .
- Cảm biến:
Một trong những bộ phận chủ yếu của bộ phận điểu khiển tự động là đatric mà người ta thường gọi là cảm biến hay chuyển đổi .
Nhiệm vụ của cảm biến là biến đổi tín hiệu từ dạng này sang dạng khác .
Cảm biến bao gồm các thành phần như tiếp nhận, đã cho so sánh và biến đổi .
Khi tiếp nhận một tín hiệu nào đó từ bên ngoài, cảm biến sẽ biến đổi nó thành tín hiệu ( thường là tín hiệu điện ) thuận tiện cho việc tiếp tục truyền đi, tiếp tục biến đổi, hoặc khuyếch đại lên . Cảm biến có thể là những nút ấn công tắc hành trình, tay gạt, tế bào quang điện hoặc cặp nhiệt ủieọn v.v …
Người ta phân loại cảm biến ra loại tiếp xúc, không tiếp xúc cảm ứng ủieọn dung, quang ủieọn v.v…
- Cô caáu caáp phoâi
Cơ cấu cấp phôi còn có tên gọi là cơ cấu trung gian . Nó có nhiệm vụ truyền đi, phân phối, tổ hợp, làm tăng lên hoặc giảm đi những tín hiệu do cảm biến phát ra .
Cơ cấu phân phối có thể là rơ le trung gian, rơ le thời gian, cơ cấu khuyếch đại tinh thể bán dẫn, cơ cấu khuyếch đại thuỷ động và khí động …
- Cơ cấu chấp hành
Bộ phận chủ yếu thứ ba trong điều khiễn tự động là cơ cấu chấp hành . Chức năng của nó là đảm bảo thực hiện một tác động điều khiển nào đó .
Cơ cấu chấp hành có thể là động cơ điện, bộ ly hợp điện tử, nam châm ủieọn …
Ví dụ nam châm điện biến điện năng thành cơ năng để mở nắp chắn của cơ cấu phân loại chi tiết .
• Phân loại các hệ thống điều khiển tự động:
- Hệ thống điều khiển tập trung - Hệ thống điều khiển phụ thuộc - Hệ thống điểu khiển hỗn hợp
• Những hệ thống điều khiển điển hình:
- Hệ thống điều khiển theo cữ ty
Để thực hiện được chức năng điều khiển trong mỗi hệ thống điều khiển tự động đều có ba phận chính sau đây: vật chứa chương trình, bộ phận đọc, bộ phận dẫn chương trỉnh .
Kết cấu của bộ phận đọc chương trình đối với mỗi hệ thống rất khác nhau và phụ thuộc vào yêu cầu đã cho . Trong các hệ thống điều khiển hiện đại, thường dùng các bộ phận đọc kiểu cơ, điện cơ, điện thuỷ lực . Ngoài ra cần phải có bộ phận dẫn chương trình cho máy móc
Tuỳ theo kết cấu và khối lượng gia công trong quá trình công nghệ mà vật chất chương trình có thể là tuyến tính hoặc không gian
Hệ thống điều khiển theo cữ tỳ là hệ thống điều khiển phụ thuộc mà trong đó việc điều khiển được thực hiện nhờ các cữ tỳ cố định tác động vào các cảm biến Tất cả các cơ cấu chấp hành của thiết bị được điều khiển bằng
các cữ tỳ và được thực hiện sao cho mỗi một chuyển động tiếp theo đều phải diễn ra sau khi chuyển động trước nó đã hoàn thành . Chương trình gia công có thể đặt ra bằng cách xếp đặt các cữ tỳ trên thước chuyên dùng mà được kẹp ở trên bàn máy .
Trên các thiết bị tự động hệ thống cữ tỳ được sử dụng để điểu khiển hành trình làm việc của các bộ phận bằng cách truyền hiệu lệnh từ bộ phận này đến các bộ phận khác ví dụ như điều khiển chu kỳ làm việc của đầu lực, bàn máy và hệ thống liên động .
Cữ tỳ có thể thực hiện hai chức năng: khống chế giới hạn dịch chuyển và điều khiển những dịch chuyển đó thực hiện một cách thứ tự .
Để thực hiện chức năng đầu tiên thường sử dụng các cữ tỳ cứng mà nó sẽ tác động vào hệ thống dẫn động của cơ cấu chấp hành ở vị trí cuối cùng .
Trong trường hợp thứ hai để điều khiển những dịch chuyển người ta có thể dùng các chốt đóng mở hành trình. Hệ thống điều khiển này chỉ kiểm tra vị trí đẩu và cuối của cuối của cơ cấu chấp hành vì vậy mà đối với các cơ cấu chấp hành làm việc trên vị trí, việc điều khiển sẽ không đồng bộ.
Việc thay đổi và chuẩn bị chương trỉnh gia công không mất nhiều thời gian, tính ồn định và linh loạt cao.
Loại hệ thống điều khiển theo cữ tỳ được thực hiện bẳng cơ cấu chấp hành chỉ theo ví dụ, ví dụ tiện các trục bậc, phay các mặt bậc .
Việc điểu khiển hệ thống các cữ tỳ được thực hiện bằng cơ cấu chấp hành chỉ theo một toạ độ vì vậy không thể sử dụng khi gia công những bề mặt có prôfin cong phức tạp .
Khi sử dụng hệ thống điều khiển này chúng ta nhận thấy chúng có nhược điểm là những công tắc, chốt hành trình thường hư hỏng vì phoi, bụi bẩn, , dầu mở bám vào làm cho độ tin cậy của hệ thống không cao .
Nhưng mặt khác chúng ta có kết cấu đơn giản giá rẻ tính vạn năng cao.
- Heọ thoỏng ủieàu khieồn theo cam .
Trong các hệ thống điều khiển theo cam vật chứa chương trình là cam có prôfin tương ứng đặt trên trục phân phối .
Profin của cam xác định theo chu trình làm việc của máy và cho phép hoàn thành trình tự gia công đã cho .
Hệ thống điều khiển theo cam là hệ thống điều khiển không phù thuộc và được sử dụng rộng rãi trong các máy tự động . Bộ phận đọc chương trình của hệ thống là càng gạt hoặc thanh đẩy mà thường dịch chuyển theo profin cuûa cam.
Khi thiết kế và chế tạo cam cần phải tính kích thước và hình dạng cho từng phần riêng biệt sao cho có thể đảm bảo chuyển động đã cho và thời gian hành trình chạy không giảm xuống mức tối thiểu.
- Heọ thoỏng ủieàu khieồn theo maóu cheựp hỡnh
Hệ thống điều khiển theo mẫu chép hình được sử dụng rộng rãi để điều khiển việc gia công các chi tiết có profin tuyến tính và có mặt cong trong khoâng gian.
Chương trình gia công được thể hiện dưới dạng mẫu chép hình. Hệ thống điều khiển theo nguyên tắc sao chép có tính ổn định cao nhờ khả năng thay vật chứa chương trình nhanh. Vì vậy nó được sử dụng rộng rãi để tự động hóa trong sản xuất hàng loạt lớn và hàng khối.
Hệ thống sao chép có thể chia ra làm hai nhóm:
+ Hệ thống mà trong đó mẫu chép hình thực hiện cả hai chức năng điều khiển sự dịch chuyển của dụng cụ cắt và chức năng cơ cấu ăn dao của dụng cụ cắt đó
+ Hệ thống mà trong đó mẫu chép hình chỉ thực hiện mỗi chức năng ủieàu khieồn.
Trong hệ thống điều khiển nhóm 1 giữa mẫu chépl hình và dụng cụ cắt có liên hệ cứng vì vậy mẫu chép hình phải chịu lực trực tiếp do đó nó mòn rất nhanh và làm giảm độ chính xác gia công.
Cũng chính vì lẽ đó mà mẫu chép hình phải là từ vật liệu có độ bền cao và phải gia công nhiệt luyện để tăng độ cứng.
Hệ thống điều khiển nhóm hai được sử dụng rất rông rãi. Thành phần chủ yếu của nó là mũi dò trượt theo mẫu chép hình và thực hiện chức năng đọc chương trình.
Loại hệ thống này được gọi là hệ thống điều khiển chép hình theo vết.
Vì nó chỉ có nhiệm vụ điều khiển cho nên chịu lực rất nhỏ và cho phép sử dụng mẫu chép hình mẫu chép hình rẻ tiền mà vẫn đảm bảo độ chính xác gia coâng raát cao.
- Heọ thoỏng ủieàu khieồn theo chửụng trỡnh soỏ.
Hệ thống điều khiển theo chương trình số sử dụng để tự động hóa điều khiển những dịch chuyển của cơ cấu chấp hành và được thực hiện bằng cách đưa vào hệ thống một cách trình tự các số, xác định hình dáng kích thước và độ nhám của chi tiết gia công.
Đặc điểm nổi bật của hệ thống điều khiển này là sử dụng tin tức dưới dạng số, nhận được từ bản vẽ chi tiết gia công.
Theo bản vẽ chi tiết, đối với mỗi dạng gia công, mỗi loại máy sẽ thiết lập chương trình dưới dạng bảng trong đó có chỉ dẫn giá trị và hướng chuyển động của các cơ cấu chấp hành của máy khi gia công chi tiết. Chương trình này được mã hóa và được ghi lại trên băng đục lỗ hoặc phiếu đục lỗ.
Theo chức năng công nghệ, hệ thống điều khiển theo chương trình số có thể chia làm 3 loại: điều khiển theo điểm(vị trí), điều khiển theo đoạn thẳng và điều khiển theo đường cong (đường viền).
- Heọ thoỏng ủieàu khieồn theo ủieồm.
Các hệ thống điều khiển này đảm bảo những dịch chuyển của cơ cấu chấp hành theo vị trí đã cho. Ví dụ dịch chuyển của bàn máy khoan đứng so với chi tiết gia công vào những vị trí cho trước để khoan lỗ vào chi tiết.
- Hệ thống điều khiển theo đoạn thẳng.
Ơû đây thực hiện điều khiển các cơ cấu chấp hành dịch chuyển song song với trục tọa độ. Mặt khác nó có cơ cấu phụ để điều khiển tốc độ dịch chuyeồn cuỷa duùng cuù caột.
Ví dụ khi tiện trục bật, quỹ đạo của dụng cụ cắt là phối hớp thứ tự giữa các dịch chuyển ngang và dịch chuyển dọc.
- Hệ thống điều khiển theo đường viền.
Khi gia công các chi tiết có hình dạng phức tạp đòi hỏi phải phối hợp thật chính xác chuyển động của cơ cấu chấp hành theo hai hoặc nhiều tọa độ khác nhau. Ví dụ gia công các bề mặt định hình trên máy phay điều khieồn theo chửụng trỡnh soỏ.
Kết luận: Để dễ dàng điều khiển ta chọn kiểu điều khiển theo cam.
Sau đây ta đi tìm hiểu về qui luật chuyển động của hệ thống cam từ các qui luật này ta bắt đầu đi thiết kế bộ cam cho cả hệ thống dây chuyeàn.
• Qui luật chuyển động của khâu dẫn Qui luật chuyển động của khâu được dẫn
Qui luật chuyển động parabol (hình a).Trong pha nâng ứng vớigóc pha ϕ1 ta phân biệt được các góc ϕ′1 và góc ϕ1′′,trong giới hạn của từng góc này gia tốc có giá trị dương hay âm không đổi .Ký hiệu số 1 1
1 =k ϕ′ ϕ
,ta có:
1 1 1
1 1 k
k
ì +
′ ϕ=
ϕ ; (3.3)
1 1
1 1
1 +k
ì
′′ ϕ=
ϕ .
Hệ thức giữa chuyển vị ,vận tốc và gia tốc của cần đẩy có thể xác định được dễ dàng
ϕ =b1ìϕ d
ds
; (3.4)
2
2 1
ìϕ
=b′ S
( 0≤ϕ≤ϕ′)
Và ϕ 1 (ϕ1 1 )ì(ϕ −ϕ1′)
− ″
ì ′
=b b
d ds
(3.5)
2 ) .(
) .(
2 .
1 1
1 1
1 1 1
ϕ ϕ ϕ
ϕ
ϕ ′ + ′ϕ − ′ − ″ − ′
′ì
=b b b
S
) (ϕ1′ ≤ϕ ≤ϕ1
Khi 1 1 1 , =0 + ″
= ′
=ϕ ϕ ϕ ϕ
ϕ d
ds
Neân 1 1
1 1
1 1
K b
b =
′
= ′′
′′
′ ϕ ϕ
(3.6) Và S =S1′+S1′′=h
Nên ta cũng có 1 1
1 1
1 K
S
S =
′′
= ′
′′
′ ϕ ϕ
(3.7)
Và 1
1
1 K h S k
+
= ì
′
1
1 1 K
S h
= +
′′ (3.8)
Trong trường hợp biết trước chuyển vị h của cần đẩy và chọn trước hệ số k1, từ những hệ thức suy ra giá trị của b’1và b”1 :
21 1
1 2
1 1 1
) 1 .(
2 2
ϕ ìϕ
= +
= ′
′ ′
k K h b S
(3.9)
21 ) 1 2 1
1 1
1 .(
2 2 ϕ ϕ
k S h
b +
′′ =
= ′′
′′
Và giá trị của vận tốc cực đại của cần đẩy
1 1 1 1 max
1 2
ϕ ϕ ω
b h v = ′ì ′=
(3.10)
nghĩa là vận tốc cực đại của cần không phụ thuộc vào hệ số k1.
Bây giờ ta có thể phân tích ảnh hưởng của hệ số k1 đến qui luật chuyển động của cần.Khi k1 giảm, gia tốc dương của cần đẩy a=b1’ìω21sẽ tăng .Khi k1=0 thì a=∞còn gia tốc âm trong lúc này sẽ giảm xuốnggiá trị 2h/ϕ ì21 ω21.Thời điểm bắt đầu nõng sẽ cú va đập .Khi k1=∞sẽ cú va đập
cứng ở cuối pha nâng .Tuy nhiên tác dụng của các pha đập cứng nàylên các khâu của cơ cấu có khác nhau .Khi k1=0 gia tốc dương ở đầu phan nâng lớn vô hạn , về lý thuyết mà nói ứng suất tăng lên vộ hạn , thực tế chúng sẽ đạt đến giá trị hữu hạn do tính chất đàn hồi của các khâu .Khi k1=∞,gia tốc âm ở cuối pha nâng sẽ lớn vô hạn ,trong cơ cấu sẽ có liên kết một chiều sẽ có sự tháo khớp tạm thời ,gia tốc thực tế sẽ có giá trị hữu hạn,phụ thuộc lực đàn hồi lò xo .
Cuối cùng căn cứ vào hệ thức (3.9) chọn trước giá trị lớn nhất của gia tốc a1’=b1’.ìω21, ứng với khi đú lực quỏn tớnh khụng lớn , ta cú thể xỏc định được k1:
21 21
1
2 1 21
1
1 2
. 2 2
. 2
ω ϕ
ω
ϕ a h
h h
b k h
′ −
− =
= ′
(3.11) đối với động cơ nhiệt :0< k1<1
Qui luật chuyển động đường thẳng. Trên hình b trình bày qui luật chuyển động của khâu được dẫn trong trường hợp này .vận tốc tăng đột ngột từ 0 đến v ở đầu pha nâng và không thay đổi trong suốt thời gian ứng với góc ϕ′1và giảm đi đột ngột ở thời điểm ứng với cuối góc ϕ′1.Trên đồ thị vận
toác
ϕ
ϕ, d
ds ứng với những điểm này có gián đoạn .Gia tốc nói chung bằng 0 ,nhưng về mặt lý thuyết có giá trị lớn hơn vô hạn tại những điểm gián đoạn này .Lực quán tính tương ứng tại ấy cũng lớn vô hạn và có va đập cứng .
Trong thực tế để giảm lực quán tính đến một giá trị cho phép,người ta thay đoạn đồ thị ở hai bên điểm gãy trên đồ thị chuyển vị bằng một đoạn đường cong chuyển tiếp (hình c) chẳng hạn như những đường sin hay cosin…
Qui luật chuyển động đường sin .Gia tốc khâu được dẫn biến đổi theo qui luật đường sin (hình d) với chu kỳ T bằng thời gian ứng với pha hạ có biểu thức
T t A
a 2 .
sin
. π
= (3.12)
Trong trường hợp gia tốc,vận tốc và chuyển vị của khâu được dẫn được coi là hàm số của góc quay của cam , tasẽ có những hệ thức :
ϕ ϕ π ϕ
π
ϕ 2 1
2
2 2
sin 2 h. d
S d =
−
= ϕ
ϕ π ϕ
ϕ 1 1
cos2 1 h . d dS
(3.13)
−
= ϕ
ϕ π π ϕ
ϕ
1 1
sin2 2 h 1
S
(0≤ϕ ≤ϕ1)
Theo các biểu thức (3.13) ,vận tốc ω dϕ v= dS
và gia tốc 2
2 2
ω ϕ d
S a = d
không những phụ thuộc vào chuyển vịcủa khâu được dẫn mà còn phụ thuộc góc pha ϕ1( gia tốc tỉ lệ với bình phương ϕ1,vận tốc tỉ lệ nghịch vớ ϕ1).Cần chú ý đến nhận xét này khi chọn góc các pha .
Qui luật chuyển động này là có ưu điểm là không có va đập cứng hay mềm ,song so với qui luật parabol thì gia tốc cực đại ( khi cùng giá trị góc ϕ1 và chuyển vị h của cần đẩy )lại lớn hơn .
57 . 4 1 2π =
laàn
Qui luật chuyển động đường cosin .Khi đó gia tốc khâu được dẫn biến đổi theo qui luật (hình e).
T t A
a 2π
cos
= .
(3.14)
Sau khi tích phân hai lần và tính các hằng số tích phân ,ta tìm được hệ thức giữa chuyển vị ,vận tốc và gia tốc của cần đẩy theo góc quay của cam :
−
= ϕ
ϕ π
1
cos 1 2. S h
ϕ ϕ π ϕ
π
ϕ 1 1
sin 2 .
h d
dS = (3.15)
ϕ ϕ π ϕ
π
ϕ 2 1
2 2
2
cos . 2. h d
S d =
so với trường hợp quy luật chuyển động parabol ,khi có cùng góc pha
ϕ1và chuyển vị h của cần đẩy gia tốc cực đại sẽ lớn hơn 8 1.23
2 = π
lần .Ngoài ra ở đầu và cuối pha nâng có va đập mềm.
Quy luật chuyển động hình thang. Gia tốc sẽ biến đổi theo quy luật hình thang(hình f) ,đồ thị vận tốc sẽ gồm các đoạn parabol và đoạn thẳng nối tiếp nhau.Đồ thị chuyển vị sẽ gồm các đoạn parabol bậc ba và bậc hai.Trong trường hợp này sẽ không có va đập và có thể làm cho gia tốc cực đại nhỏ hơn trường hợp chuyển động của quy luật đường sin.
Sau khi tham khảo các quy luật chuyển động của cơ cấu và những phân tích trên, ta chọn quy luật chuyển động cosin vì nó phù hợp với cơ cấu của hệ thống. Hệ thống điều khiển của ta là dùng một bộ cam để chứa chương trình điều khiển, mỗi cam sẽ điều khiển một van phân phối thông qua một công tắt Basic Switch kiểu con lăn.
Hoạt động:
Khi trục cam quay, cam tác dụng lên con lăn của công tắt, kích hoạt solenoid của van phân phối, từ đó điều khiển xylanh khứ hồi. Trên trục cam ta bố trí các cam có góc lệch tương đối với nhau, các góc lệch này quyết định sự phối hợp chuyển động của các cơ cấu.
Ta chọn qui luật chuyển động đường Cosin.