a) Lịch sử phỏt triển của khớ nộn
Sử dụng khớ nộn đó cú từ trước cụng nguyờn. Sự phỏt triển khoa học kỹ thuật thời kỳ này cũn chưa được đồng bộ, thiếu hệ thống, nhất là sự kết hợp cỏc kiến thức về cơ học, vật lý, vật liệu... cũn thiếu, cho nờn phạm vi ứng dụng của khớ nộn cũn rất hạn chế.
Cho tới tận thế kỷ thứ 17, một kỹ sư chế tạo người Đức tờn là Otto Von Guerike ( 1602- 1686), nhà toỏn học và triết học người Phỏp tờn là Blaise Pascal ( 1623-1662), và một nhà vật lý người Phỏp tờn là Denis Papin ( 1647-1712) đó xõy dựng nờn nền tảng cơ bản cho ứng dụng khớ nộn.
Trong thế kỷ thứ 19, cỏc mỏy múc, thiết bị sử dụng khớ nộn lần lượt được phỏt minh như : Thư vận chuyển trong ống bằng khớ nộn ( 1835), Phanh bằng khớ nộn (1880), bỳa tỏn đinh bằng khớ nộn (1861) của Josef Ritter người Australia. Trong lĩnh
vực xõy dựng đường hầm xuyờn dóy nỳi Alpes ở Thuỵ Sỹ (1857) lần đầu tiờn người ta sử dụng khớ nộn với cụng suất lớn. Vào những năm 70 của thế kỷ thứ 19, xuất hiện ở Pari một trung tõm sử dụng năng lượng khớ nộn với cụng suất 7350 kW. Khớ nộn đó được vận chuyển bằng đường ống cú đường kớnh 500mm và dài hàng trăm km tới nơi tiờu thụ. Tại đú khớ nộn được nung núng tới nhiệt độ từ 50-1500C để tăng cụng suất truyền động động cơ, cỏc thiết bị bỳa hơi...
Với sự phỏt triển mạnh mẽ của năng lượng điện, vai trũ sử dụng năng lượng bằng khớ nộn giảm dần. Tuy nhiờn việc sử dụng năng lượng bằng khớ nộn vẫn đúng một vai trũ cốt yếu trong cỏc lĩnh vực mà sử dụng năng lượng điện sẽ gõy nguy hiểm và tốn kộm. Sử dụng năng lượng khớ nộn ở những thiết bị cú cụng suất nhỏ nhưng làm việc với vận tộc truyền động lớn như bỳa hơi, dụng cụ đập, tỏn đinh... và nhiều nhất là cỏc đồ gỏ kẹp trờn cỏc mỏy.
Thời kỳ sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, việc sử dụng năng lượng khớ nộn trong kỹ thuật điều khiển phỏt triển mạnh mẽ. Những dụng cụ, thiết bị, phần tử khớ nộn mới được sỏng chế và được ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khỏc nhau. Sự kết hợp giữa khớ nộn với điện- điện tử là nhõn tố quyết định cho sự phỏt triển của kỹ thuật điều khiển trong tương lai.
Sau chiến tranh thế giới thứ hai, nhất là vào những năm 50 và 60 của thế kỷ 20 này, là thời gian phỏt triển mạnh mẽ của giai đoạn tự động hoỏ quỏ trỡnh sản xuất: kỹ thuật điều khiển bằng khớ nộn được phỏt triển rộng rói và đa dạng trong nhiều lĩnh vực khỏc nhau. Chỉ riờng ở cộng hoà liờn bang Đức đó cú 60 hóng sản xuất cỏc phần tử về khớ nộn.
Hệ thống điều khiển bằng khớ nộn được sử dụng trong nhiều lĩnh vực mà ở đú nguy hiểm, hay xảy ra cỏc vụ nổ, như : cỏc thiết bị phun sơn, cỏc loại đồ gỏ kẹp cỏc chi tiết nhựa(chất dẻo), hoặc là được sử dụng cho lĩnh vực sản xuất cỏc thiết bị điện, điện tử, vỡ điều kiện vệ sinh mụi trường rất tốt và an toàn cao. Ngoài ra hệ thống điều khiển bằng khớ nộn được sử dụng trong cỏc dõy chuyền tự động, trong cỏc thiết bị vận chuyển và kiểm tra của thiết bị lũ hơi, thiết bị mạ điện, đúng gúi bao bỡ và trong cụng nghiệp hoỏ chất…
b) Xi lanh
Xi lanh cú nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học - chuyển động thẳng hoặc chuyển động quay (gúc quay < 360o).
Thụng thường xi lanh được lắp cố định cũn pittụng chuyển động. Một số trường hợp cú thể pittụng cố định, xi lanh chuyển động.
Pittụng bắt đầu chuyển động khi lực tỏc dụng vào 1 trong 2 phớa của nú(lực ỏp suất, lũ xo hoặc cơ khớ) lớn hơn tổng cỏc lực cản cú hướng ngược lại chiều chuyển động (lực ma sỏt, phụ tải, lũ xo, thủy động, lực ỡ...).
Xi lanh lực được chia làm 2 loại xi lanh lực và xi lanh quay. Trong xi lanh lực, chuyển động tương đối giữa pittụng và xi lanh là chuyển động tịnh tiến. Trong xi lanh quay, chuyển động giữa pittụng và xi lanh là chuyển động quay. Gúc thường nhỏ hơn 360o.
Xilanh tỏc dụng đơn (xilanh tỏc dụng một chiều) Khoảng chạy Fz2 Fz1 Fr1 Fr2 F
Hỡnh 2.2.2.2a: Lực tỏc động lờn xilanh tỏc dụng đơn.
Áp lực tỏc động vào xilanh đơn chỉ một phớa, phớa cũn lại do lũ xo tỏc động hay ngoại lực tỏc động . Lực tỏc động lờn pittụng được tớnh theo cụng thức:
FZ=A.pe- FR- FF Trong đú: + FZ : Lực tỏc động lờn pittụng. + 2 2 . ( ) 4 D A cm : Diện tớch pittong. + D(cm) : Đường kớnh pittụng.
+ Pe(bar) : ỏp suất khớ nộn trong xi lanh .
+ FR : Lực ma sỏt, phụ thuộc vào chất lượng bề mặt giữa pittong và xilanh, vận tốc chuyển động của pittong, loại vũng đệm. Trạng thỏi vận hành bỡnh thường lực ma sỏt FR 0,15.Ape.
+ FF : Lực lũ xo.
Xilanh tỏc dụng đơn được sử dụng cho thiết bị, đồ gỏ kẹp chi tiết
Hỡnh 2.2.2.2b: Kớ hiệu xi lanh tỏc dụng đơn
a. Chiều tỏc động ngược lại do ngoại lực tỏc động
Xilanh màng
Nguyờn lý hoạt động của xilanh màng cũng tương tự như xi lanh tỏc dụng một chiều (hỡnh 5.3). Xilanh màng kiểu cuộn cú khoảng chạy lớn hơn xilanh màng kiểu hộp áp suất P a. b. áp suất P áp suất P Hỡnh 2.2.2.2c: Xilanh màng(Hóng EFFBE). a. Xi lanh màng kiều cuộn b. Xi lanh màng kiểu hộp
Do khoảng chạy của pittụng nhỏ (lớn nhất hmax =80 mm). Xilanh màng được sử
dụng trong điều khiển. Vớ dụ trong cụng nghiệp ụtụ (điều khiển phanh, ly hợp…),
trong cụng nghiệp hoỏ chất.
Xilanh tỏc dụng hai chiều (xilanh tỏc dụng kộp)
Nguyờn lý hoạt động của xilanh tỏc dụng hai chiều là ỏp suất được dẫn từ cả hai phớa. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1
8 5 6 7 9
3 4 2
Hỡnh 2.2.2.2d: Xilanh tỏc dụng hai chiều.
1. Cữa nối mặt đỏy pittụng 2. Cữa nối mặt trước pittụng 3. Mặt đỏy pittụng 4. Mặt trước pittụng 5. Bề mặt xilanh 6. Bề mặt pittụng 7. Diện tớch cần pittụng 8. Đỏy xilanh 9. Nắp xilanh
Xilanh tỏc dụng hai chiều khụng cú giảm chấn:
Xilanh tỏc dụng hai chiều khụng cú bộ giảm chấn ở cuối khoảng chạy
Hỡnh 2.2.2.2e: Xilanh tỏc dụng hai chiều khụng cú giảm chấn.
Cỏc loại đồ gỏ lắp thờm với xilanh tỏc dụng hai chiều
Hỡnh 2.2.2.2f: Cỏc loại kết cấu đồ gỏ lắp thờm với xilanh tỏc dụng 2 chiều.
Xilanh tỏc dụng hai chiều cú giảm chấn .
Nhiệm vụ của cỏc cụm chi tiết giảm chấn là ngăn chặn sự va đập của pittụng vào thành xilanh ở vi trớ cuối khoảng chạy. Nguyờn lý hoạt động của xi lanh tỏc dụng hai chiều cú giảm chấn cuối khoảng chạy (hỡnh 2.2.2.2g). Người ta sử dụng van tiết lưu một chiều đó thực hiện nhiệm vụ giảm chấn .
Van tiết luu một chiều Vòng đệm kín xilanh Giảm chấn cuối khoảng chạy Vòng đệm kín cần pitông Vòng chắn 2(B) 4(A)
Hỡnh 2.2.2.2g: Xilanh tỏc dụng hai chiều cú cụm chi tiết giảm chấn điều chỉnh được ở cuối khoảng chạy.
Tớnh toỏn xilanh tỏc dụng hai chiều:
Lực tỏc động lờn cần pittụng:
Khi tớnh toỏn lực cần chỳ ý đến chiều chuyển động của cỏn pittụng.
Lực tỏc động khi cần pittụng đi ra: FA = A1.pe2.
+ FA Lực tỏc động khi cỏn pittụng đi ra + A1 Diện tớch mặt đỏy pittụng A1=
2 .
4
D
+ D Đường kớnh mặt đỏy pittụng + pe (bar) ỏp suất khớ nộn trong xilanh + Hiệu suất xilanh, thụng thường =0,8
Lực tỏc động khi cỏn pittụng đi vào: FA = A2.pe2. + FA Lực tỏc động khi cỏn pittụng đi vào
+ A2 Diện tớch vũng găng pittụng A2=
2 2
.( )
4
D d (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ D Đường kớnh mặt đỏy pittụng + d Đường kớnh cỏn pittụng + pe ỏp suất khớ nộn trong xilanh
+ Hiệu suất xilanh, thụng thường =0,8
Lực tỏc động khi xi lanh ở vị trớ nằm nghiờng: Hỡnh 2.2.2.2h: Sơ đồ lực Theo sơ đồ ta cú: Lực ma sỏt FR =m.g..cos Lực nõng FH=m.g.sin Lực gia tốc FB =m.a
Trong đú: m(kg) : Khối lượng chuyển động.
g (m/s2) : Gia tốc trọng trường g=9,81(m/s2).
: Hệ số ma sỏt.
: Mặt phẳng nghiờng. a (m/s2) : Gia tốc a= 2/2s.
(m/s) : Vận tốc của pittụng. s (m) : Quóng đường cú gia tốc.
Xilanh nhiều vị trớ điều chỉnh
Xilanh nhiều vị trớ điều chớnh : Gồm hai xilanh tỏc dụng kộp nối lại với nhau. Như vậy 4 cửa nối 1,2,3,4 được hoỏn vị và sẽ nhận được 4 vị trớ tương ứng 0,1,2,3.
3 2 1 0
Kí hiệu
Hỡnh 2.2.2.2i: Xilanh nhiều vị trớ
Cửa nối 1 2 3 4 0 + - - + 1 + - + - 2 - + - + Vị trớ 3 - + + -
Xilanh với pittụng rỗng
Xilanh với pittụng rỗng được ứng dụng với những mục đớch khỏc nhau trỡnh bày 1 2 3 4 1
Hỡnh 2.2.2.2j: Xilanh với pittụng rỗng và khả năng ứng dụng. 1. tạo chõn khụng. 2. lắp dõy dẫn điện.
3. cho yờu cầu đặc biệt: kẹp, đồ gỏ… 4. thổi khớ, rửa, làm sạch…
Phần tử đệm kớn xilanh
Một vớ dụ ứng dụng cỏc phần tử đệm kớn xilanh. Vũng đệm dạng 0 (a) thớch hợp cho xilanh chịu ỏp lực cao, lực ma sỏt ở loại đệm này cũng lớn hơn so với loại
đệm (b và c). Loại đệm (g,h,i ) thớch hợp cho loại ỏp suất nhỏ. Loại đệm kớn (e,f) để chắn bụi, chắn bẩn.
Vật liệu của phần tử đệm kớn thường làm từ cao su tổng hợp hoặc cao su tư nhiờn. Khả năng chiu đựng dầu, mỡ, nhiệt độ,…là tiờu chuẩn cho cỏc phần tử đệm kớn.
Hỡnh 2.2.2.2k: Phần tử đệm kớn xilanh
c) Tớnh toỏn chọn xi lanh cho bộ nõng hạ cụm chi tiết xoỏy nắp và cụm chi
tiết giữ chai
Xi lanh sử dụng trong hai cụm chi tiết yờu cầu: Tỏc động nhanh
Hành trỡnh khụng lớn, cố định
Nờn chọn xi lanh tỏc dụng 2 chiều khụng cú giảm chấn
Cơ sở tớnh toỏn: (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Áp lực tỏc động vào xilanh kộp theo hai phớa
1. Piston 2. Đệm kớn pittong 3. Trục pittong 4. Dẫn hướng trục
5. Đệm kớn trục 6. Vũng chắn 7.Nắp xi lanh 8. Cửa lưu chất 9. Thõn xi lanh 10. Buồng trục 11. Buồng pittong 12. Đế xi lanh 13. Cửa lưu chất
Hỡnh 2.2.2.2m:Xi lanh tỏc dụng 2 chiều
Nếu khụng tớnh đến lực ma sỏt, lực chuyển động trờn cần pittong được tớnh theo cụng thức:
F = p.A Trong đú: + P là ỏp suất chất lỏng
+ A là diện tớch làm việc của cần pittong được tớnh theo cụng thức:
+ D - Đường kớnh của pittong cũng đồng thời là đường kớnh trong của xi lanh.
d - Đường kớnh cần pittong.
Thể tớch làm việc của xi lanh được tớnh theo cụng thức
H - là khoảng chạy của pittong.
Vận tốc chuyển động của pittong phụ thuộc vào lưu lượng Q và diện tớch làm việc F của pittong. Nếu khụng kể đến rũ rỉ:
Từ đú ta tớnh toỏn chọn xilanh:
Xilanh tỏc dụng lực giữ nắp chai khi chai được xoỏy, ta phải chọn xilanh để khi xoỏy nắp thỡ chai khụng bị xoay.
Với ỏp suất khớ nộn đầu vào khụng thay đổi thỡ lực tỏc dụng của xilanh phụ thuộc vào đường kớnh trong của xilanh. Nờn ta phải chọn xilanh cú đường kớnh thớch hợp.
Phõn tớch lực tỏc dụng vào chai khi xoỏy nắp
Khi xoỏy nắp lực tỏc dụng từ đầu xoỏy qua nắp chai, gõy ra lực F tỏc dụng lờn chai. Khi xoỏy nắp lực F tỏc dụng vào mặt trờn của nắp làm cho nắp đi xuống lờn khụng phải toàn bộ lực F tỏc dụng vào chai, cũng giống như vậy momen từ động cơ qua đầu xoỏy M1 cũng khụng tỏc dụng toàn bộ vào chai. Ta xột cho trường hợp nguy hiểm nhất khi nắp chai được xoỏy chặt vào chai khi đú momen quay làm quay chai M1
là lớn nhất. M1 F M2 N M3
Trong trường hợp này chai và nắp chai được gắn chặt vào nhau và coi như 1 vật, lực nộn F tỏc dụng vào chai là lớn nhất nú gõy ra lực ma sỏt Fms1 giữa đầu xoỏy và nắp khi xoay. Fms1 gõy ra momen cản xoay M2
Fms1 = F. k Trong đú:
+ K là hệ số ma sỏt giữa bề mặt đệm cao su và nắp chai k = 1 .. 2 Chọn k = 1.
+ F là lực tỏc dụng từ đầu xoỏy xuống nắp chai.
Giả sử lực F = 1,5 P, P là trọng lực của phần đầu xoỏy tỏc dụng vào nắp chai: P = m . g = 6.10 = 40 N.
Lực ma sỏt Fms1 = 90. 1 N
Lực F tỏc dụng vào cả bề mặt lắp chai, do đú coi điểm đặt của lực ma sỏt ở vị trớ trung điểm của đường nối tõm và đường trũn vành nắp chai
F
Fms
Tớnh momen cản do lực ma sỏt M2 = Fms . r = 90. 7,5 = 675 Nmm
Giả sử khụng cú biến dạng của chai trong quỏ trỡnh lực F tỏc dụng Lực tỏc dụng vào băng tải chỗ tiếp xỳc với đỏy chai F 2 = F. Sinh ra phản lực N = F 2, tỏc dụng vào chai. Tương tự tớnh toỏn như trờn ta cú momen cản xoay (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
M3 = Fms2 .R
Fms2là lực ma sỏt do N gõy ra lý luận tương tự như trờn coi điểm đặt lực của Fms2 cỏch tõm quay R = 15mm.
nờn lực ma sỏt khụng phải trờn toàn bộ bề mặt đỏy chai. Nờn Fms2 = k1. k2.F Trong đú:
+ k1 = 0,6 hệ số do bề mặt đỏy ma sỏt khụng liờn tục + k2 = 1 hệ số ma sỏt giữa bề mặt đỏy chai và đai + F = 40 N
Suy ra M3 = 0,6.1.90.15 = 810 Nmm.
Chọn thụng số động cơ quay đầu xoỏy
+ Động cơ Dc
Số vũng quay n = 150 v/ph Cụng suất P = 40 W
Momen được tớnh theo cụng thức
T = 9,55.106. = 9,55.106 . = 2550 Nmm Suy ra momen gõy xoay chai M1 = T = 2550 Nmm
Vậy momen cản của tay kẹp cần tỏc dụng lờn chai là Mc = M1 – M2 – M3
M c = 2550 – 675 – 810 = 1065 Nmm
Lực xilanh cần tỏc dụng vào tay kẹp là Fk = Mc / R = 1065 / 30 = 35,5 N Lực tỏc dụng của xi lanh được tớnh theo cụng thức
F = p.A Trong đú:
+ p : ỏp suất của khớ (pa), ỏp suất của khớ từ mỏy nộn là 6 bar bỏ qua tổn thất đường ống ta cú ỏp suất khớ trong xilanh là 6bar
+ A: diện tớch bề mặt khớ làm việc A = = mm2 = = 7,54.10-5 D = 8,6 mm Chọn đường kớnh xilanh tối thiểu là 10mm
Kớ hiệu : SAI 2026
Đường kớnh xi lanh 20mm, hành trỡnh 100mm
CHƯƠNG III GIỚI THIỆU BỘ ĐIỀU KHIỂN LẬP TRèNH SIMATICIC S7-200
(PLC - PROGRAMMABLE LOGIC CONTROLLER)
Trong những năm gần đõy bộ điều khiển lập trỡnh PLC được sử dụng ngày càng rộng rói trong cụng nghiệp ở nước ta như là một giải phỏp điều khiển lý tưởng cho việc tự động húa cỏc quỏ trỡnh sản xuất. Hiện nay trong nước chưa cú một giỏo trỡnh tiếng Việt nào giới thiệu đầy đủ về bộ điều khiển lập trỡnh nhằm đỏp ứng nhu cầu học tập và nghiờn cứu. Trờn cơ sở khảo sỏt những tài liệu kỹ thuật về bộ điều khiển lập trỡnh của hóng Siemens, chỳng em giới thiệu bộ điều khiển lập trỡnh Simatic S7-200.