500 mm, tải trọng nhỏ hơn 6 kN
Chú thích:
+ Truyền động khí nén (a) - khả năng ứng dụng thích hợp
+ Truyền độngđiện - khí nén (b) - có thể ứng dụng trong trường hợp đặc biệt + Truyền động điện -cơ (c) - có thể ứng dụng
+ Truyền động điện (e) - không thể ứng dụng + Truyền động thuỷlực (f)
Khuynh hướng sử dụng kết hợp các hệ thống điện- điện tử và khí nén, … cho phép
mở rộng một cách đáng kểlĩnh vựcứng dụng các hệtruyền động khí nén, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hoá các quá trình sản xuất và công nghệkhác nhau.
Truyền động khí nén cũng giống như truyền động thuỷlực, là tổhợp các cơ cấu khí nén (bao gồm cả máy nén khí và động cơ khí nén) dùng đểtruyền cơ năng từ bộ phận dẫn
động đến các bộ phận công tác bằng cách dùng khí nén làm vật trung gian truyền năng lượng, trong đó có thể có biến đổi vận tốc, lực, mômen và biến đổi dạng hay qui luật chuyển động.
Thành phần cơ bản của hệtruyền động khí nén là thiết bị sử dụng năng lượng khí nén. Tính chất vật lý của khí nén được thểhiệnở đây dưới dạng áp suất khí tác động lên bềmặt của các phần tử cơ học động (pittông, con trượt, màng, …) hoặc dưới dạng hiệu ứng khí
động học (trong các phần tửtự động tia khí nén, …).
Nói cách khác, tập hợp toàn bộ các thiết bị khí nén được liên hệ và tác động qua lại với nhau theo một sơ đồ nhất định, nhằm đảm bảo một quy luật chuyển động định trước của bộphận công tác được gọi là một hệtruyền động khí nén.
Các thiết bị khí nén được phân loại theo chức năng thành các nhóm chính sau:
a)-Cơ cấu chấp hành khí nén - được sửdụng đểbiến đổi trực tiếp năng lượng của khí
nén thành động năng chuyển động cơ học của bộphận công tác thực hiện một công đoạn công nghệ cho trước.
b)- Thiết bị phân phối khí nén - được dùng để thay đối hướng đi của dòng khí từ
c)- Thiết bị điều khiển - được sử dụng đểtạo lập và đảm bảo trình tự làm việc của các bộphận công tác tương ứng với quy luật chuyển động cần thiết của chúng.
Tùy theo nguyên lý làm việc, truyền động khí nén được chia làm 2 loại: truyền động
khí động và truyền động thểtích.
Trong truyền động khí động, việc truyền cơ năng từ bộphận dẫn động đến bộphận bị
dẫn chủyếu được thực hiện bằng động năng của dòng khí nén.
Trong truyền động khí nén thể tích, việc truyền cơ năng giữa các bộ phận máy chủ
yếu nhờ áp năng của dòng khí nén; chuyển động của các bộ phận máy có thể là chuyển
động tịnh tiến qua lại, chuyển động xoay qua lại hay chuyển động quay. Các khâu động chủ yếu của truyền động thể tích là máy nén khí thể tích và động cơ khí nén thể tích. Truyền động khí nén thể tích có nhiều dạng khác nhau, được dùng phổ biến trong các ngành chếtạo máy, máy công trình, … và các hệthống điều khiển tự động.
Điều khiển bằng khí nén là một tổ hợp các tác động làm thay đổi chế độ hoạt động củađối tượng điều khiển thông qua năng lượng trung gian là khí nén.
1.7.2- Phân loại truyền động khí nén
Thông thường, các hệtruyền động khí nén được phân loại theo các dấu hiệu sau: 1) Theo dạng chuyển động mà cơ cấu chấp hành thực hiện
Truyền động khí nén chuyển động tịnh tiến (với cơ cấu chấp hành kiểu xilanh lực khí nén) và truyền động khí nén chuyển động quay (với cơ cấu chấp hành kiểu động cơ rôto
khí nén).
2) Theo số lượng cơ cấu chấp hành khí nén có hệ truyền động khí nén với một hoặc nhiều cơ cấu chấp hành.
3) Theo tính chất của thiết bị điều khiển có hệ truyền động khí nén điều khiển bằng
điện, điều khiển bằng khí nén và điều khiển cơ hoặc kết hợp
4) Theo tính chất làm việc của cả hệ thống có các hệ truyền động khí nén làm việc liên tục, hệtruyềnđộng khí nén làm việc theo chế độngắt quãng và chế độxung.
5) Theo tính chất làm việc của cơ cấu chấp hành có hệtruyền động khí nén tác động một phía và hệtruyền động khí nén tác động hai phía.
6) Theo phương pháp điều khiển có hệtruyền động khí nén điều khiển theo vị trí, theo áp suất hoặc theo thời gian.
Ngoài các dấu hiệu phân loại chính trên, các hệ truyền động khí nén còn có thể được phân loại theo một số dấu hiệu khác nữa như đặc điểm kết cấu của cơ cấu chấp hành, đặc
điểm của cơ cấu truyền tải nối với cơ cấu chấp hành, … Các hệ truyền động khí nén cũng
có thể được sử dụng kết hợp với các hệthống truyền động điện hoặc thuỷlực để tạo thành các hệtruyền động hỗn hợp thuỷ-khí hoặc điện-khí nén.
Việc quyết định sử dụng hệ truyền động khí nén kiểu nào phụ thuộc vào yếu tố kỹ
thuật và các đặc điểm làm việc cụthể. Thông thường, những yêu cầu kỹthuật và làm việc
như vậy được đưa ra từ đầu cho người thiết kế. Trên cơ sở đó, người thiết kế sẽ chọn hệ
truyền động khí nén hợp lý, đáp ứng được các yêu cầuđặt ra.
Trong kỹthuật, các hệ truyền động khí nén với các cơ cấu chấp hành kiểu xilanh lực
được sử dụng rộng rãiđể xây dựng không chỉ các môđun chuyển động tịnh tiến mà cảcác
môđun chuyển động quay. Các cơ cấu chấp hành kiểu này thường làm việc trong dải áp suất từ(0,20,63) MPa. Chúng có thểlà loại tác động hai phía hoặc loại tác động một phía.
Trong nhiều trường hợp, khi hành trình của cơ cấu chấp hành nhỏ mà lại cần tạo lực lớn với không gian làm việc bị khống chế, người ta sử dụng các cơ cấu chấp hành khí nén kiểu màng (thường là loại tác động một phía, hành trình trở về được thực hiện bởi lực căng
của lò xo).
Các hệ truyền động khí nén kiểu xiphông (hộp xếp) cũng thuộc loại hệ truyền động
tác động một phía. Hành trình thuận được thực hiện nhờ áp suất khí nén, còn hành trình
ngược thì nhờ độ đàn hồi của vật liệu làm hộp xếp. Dải áp suất làm việc của chúng dưới
0,2 Mpa, và được sửdụng nhiều trong kỹthuật đo lường.
Các hệ truyền động khí nén kiểu quay thường được sử dụng nhiều trong các thiết bị
và công nghệ lắp ráp (ví dụcác dụng cụ khí nén cầm tay). Nếu các hệtruyền động khí nén kiểu quay có góc quay của cơ cấu chấp hành nhỏ hơn 3600 thì được gọi là hệ truyền động lắc khí nén. Các hệ này được sử dụng nhiều trong các dây chuyền tự động hoá công nghệ, vận chuyển, đểxây dựng các môđun quay cho rôbốt công nghiệp.
Hệ truyền động khí nén ngắt quãng (xung) được ứng dụng nhiều trong kỹ thuật thi công, xây dựng và khai mỏ, … Áp suất làm việc, trong trường hợp đặc biệt, có thểlớn hơn
0,63 Mpa.
Trong thực tế, một yêu cầu thường gặp là hệtruyền động khí nén phải cho phép dừng
được ở các vị trí trung gian với độ chính xác cần thiết. Với các hệ truyền động khí nén
thông thường, nhiều khi rất khó và phức tạp trong việc thực hiện yêu cầu đó. Trong những
trường hợp như vậy, người ta phải sử dụng các hệ truyền động khí nén điều khiển số hoặc các hệtruyền động khí nén theo dõi.
1.7.3-Các cơ cấu và phần tử cơ bản của hệ thống truyền động khí nén
Một hệtruyền động khí nén bao gồm các thiết bịkhí nén chính sau:
+ Cơ cấu chấp hành khí nén; + Thiết bịphân phối;
+ Thiết bị điều khiển;
+ Thiết bịnguồn và các thiết bị đườngống.
Trong một sơ đồ nguyên lý hệ truyền động khí nén thường chỉ biểu diễn ba thành phần đầu tiên (ba thành phần cơ bản của một hệtruyền động khí nén). Các thành phần còn lại có thể được biểu diễn hoặc không nhưng cũng không hề làm thay đổi nguyên lý hoạt
động của hệtruyền động. Tuy nhiên, nói chung khi giới thiệu nguyên lý của hệthống, cần thểhiện đầy đủ đểtiện theo dõi.
Thiết bị nguồn khí nén là các thiết bị tạo ra và cho phép thu được năng lượng của không khí bị nén dưới một áp suất nhất định đểdùng trong các hệtruyền động.
Trong các hệ truyền động khí nén của các máy và dây chuyền công nghệ tự động sử
dụng thiết bị nguồn là các loại máy nén khí khác nhau, trong đó thường gặp hơn cả là các máy nén kiểu pittông (một hoặc hai cấp). Áp suất khí nén cần cung cấp ở đây thường
không vượt quá 0,8 MPa.
Đểchuyển tải dòng khí nén đến các nơi tiêu thụ, người ta sử dụng các đường ống dẫn khí. Trong một số trường hợp, các đường ống này có thể đóng vai trò là các kênh điều khiển của từng thiết bị khí nén riêng biệt. Hệ đường ống trong truyền động khí nén cũng
giống như trong hê truyền động thuỷlực (chú ý tốc độdòng khí trong ống dẫn không vượt quá 17 m/s).
Các cơ cấu chấp hành khí nén là các thiết bị khí nén được sử dụng đểnhận và biến đổi trực tiếp nguồn năng lượng khí nén thành động năng chuyển động cơ học của bộphận công tác. Chúng có thể là loại chuyển động tịnh tiến, xoay hoặc quay. Về kết cấu, các cơ cấu chấp hành khí nén rất đa dạng và phong phú vềkiểu loại, kích thước, … phụthuộc vào đặc
điểm làm việc và sửdụng. Các cơ cấu chấp hành khí nén là một thành phần cơ bản của mọi hệtruyền động khí nén.
Các thiết bị phân phối khí nén bao gồm các loại khoá, van phân phối (kiểu con hình trụhoặc phẳng). Những thiết bị này dùng để hướng dòng khí nénđến các khoang làm việc của cơ cấu chấp hành khí nén hoặc xả từ đó ra ngoài khí quyển. Theo phương pháp điều khiển, các van phân phối khí nén có thểlà loại điều khiển bằng cơ khí (tay), điện hoặc khí nén. Chúng còn được chia thành loại điều khiển một phía hoặc điều khiển hai phía. Các van phân phối khí nén thường được ký hiệu căn cứtheo số cửa và vị trí làm việc của van giống như ở hệthống thuỷlực.
Các thiết bị điều khiển khí nén là những thiết bị dùng để tạo lập và đảm bảo trình tự
chuyển động của bộphận công tác của các hệthống máy móc. Chúng bao gồm toàn bộcác loại van điều khiển (như công tắc hành trình, …), các phần tử thuật toán lôgíc, các phần tử
trễ, nhớ, rơle thời gian, … và các loại phần tử tự động khác. Chúng được liên hệvới nhau theo những sơ đồ chức năng nhất định để đảm bảo trình tự làm việc cho trước của các bộ
phận công tác. Những sơ đồ như vậy được gọi là các sơ đồ điều khiển của hệ thống truyền
động khí nén. Tổng hợp những hệ thống điều khiển như vậy được tiến hành dựa trên các
phương pháp phân tích trạng thái và đại sốlôgíc.
Thiết bị đo-kiểm và điều khiển bao gồm các thiết bị đo áp suất (các loại áp kế), đo lưu lượng, đo nhiệt độ và các thiết bị điều chỉnh áp suất (như van giảm áp, bộ ổn áp, van an
toàn, rơle áp suất, …), điều chỉnh lưu lượng và tốc độ (các van tiết lưu, bộ điều chỉnh tốc
độ, …).
Ngoài các thiết bị kể trên, còn có rất nhiều loại cơ cấu, phần tử khí nén được sử dụng nhưng thường không trực tiếp tham gia vào việc thực hiện quá trình công nghệ hoặc quá trìnhđiều khiển các hệthống thiết bị khí nén. Chúng được sửdụng đểthực hiện nhiều chức
năng khác nhau. Đó là các bộ lọc khí và tách dầu, táchẩm, bộ mù hoá và phun sương dầu
bôi trơn cho các phần chuyển động của hệthống, các van xả (nước bẩn, dầu, …), các bình
thu khí, chứa khí, các bộgiảmồn khí xả, hệthống sấy khô khí.
1.7.4-Điều khiển các hệ truyền động khí nén
Hệ thống điều khiển hệ truyền động khí nén phải đảm bảo việc đóng, mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việc cho trước. Các phương pháp điều khiển áp dụng cho điều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp thực hiện chúng rất đa dạng. Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thường được cho dưới dạng các chu trình (biểu đồ) làm việc. Đó là một dạng đồ thị quy ước biểu diễn sự phụ
thuộc vào thời gian dịch chuyển của các cơ cấu chấp hành.
Chu trình làm việc là một trình tự xác định dịch chuyển của cơ cấu chấp hành mà sau khi thực hiện xong chúng lại 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 hệtruyền động
khí nén, các điều kiện làm việc cũng có thể được mô tả bằng các chu trình hoặc biểu đồ
trình tự làm việc, nhưng thời gian của mỗi chu trình làm việc không xác định bởi tốc độ
Các hệtruyền động - tự động khí nén làm việc theo chu trìnhđược chia theo kiểu điều khiển thành ba nhóm:
1/-Điều khiển theo vị trí; 2/-Điều khiển theo thời gian; 3/-Điều khiển theo áp suất.
Ởhệ điều khiển theo vịtrí, các vị trí tận cùng của các cơ cấu chấp hành được kiểm tra bằng các cảm biến vị trí.
Hệ điều khiển theo thời gian có thể thực hiện nhờ các cơ cấu cam-thời gian thực hiện một chu trình và đường phân các chu kỳriêng biệt của nó ở đây được xác định bởi profin của cam và tốc độquay của nó.
Các hệ điều khiển bằng áp suất có thể coi như các biến thểcủa hệ điều khiển theo vị trí. Chúng được sử dụng trong các trường hợp khi cần pittông dịch chuyển những khoảng khác nhau phụ thuộc vào kích thước của chi tiết được gia công, hoặc do khó khăn trong
việc lắp đặt các công tắc cuối hành trình với cần pittông vươn dài. Để điều khiển cac van phân phối trong trường hợp này cần sửdụng các van nối liên tục.
CHƯƠNG2