Hệ thống điều khiển bằng điện khí nén

........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ MỤC LỤC NỘI DUNG TRANG Chương 1: DẪN NHẬP 1 - Đặt vấn đề. Không khí chung quanh chúng ta nhiều vô kể và nó là một nguồn năng lượng rất lớn mà con người đã biết sử dụng chúng từ trước công nguyên. Tuy nhiên sự phát triển và ứng dụng khí nén lúc đó còn rất hạn chế do sự phối hợp giữa các ngành vật lý, cơ học v.v… Vào khoảng thế kỷ 17 các nhà bác học Blaise Pascal, Denis Papin, Otto von Guerike đã xây dựng nền tảng cho việc ứng dụng của khí nén. Cùng với sự phát triển của khí nén, năng lượng điện đã phát triển mạnh mẽ trong nhiều lĩnh vực, con người đã biết ứng dụng kết hợp năng lượng điện với khí nén thiết kế điều khiển bằng điện - khí nén. 2. Tầm quan trọng và ứng dụng của điện - khí nén. Trong thời kỳ cách mạng công nghiệp nổ ra, sự phát triển về điều khiển bằng điện - khí nén không ngừng diễn ra. Các ứng dụng của điện - khí nén để điều khiển như: phun sơn, gá kẹp chi tiết … Các ứng dụng của điện - khí nén trong truyền động như máy vặn vít, các moto khí nén, máy khoan, các máy va đập dùng trong đào đường, hệ thống phanh ôtô v.v… 3. Ưu nhược điểm của hệ thống điện - khí nén * Ưu điểm: - Không gây ô nhiễm môi trường. - Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp. - Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo. * Nhược điểm: - Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi. - Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn. 4. Mục đích yêu cầu - giới hạn đề tài Trong công cuộc hiện đại hoá, công nghiệp hoá, đất nước ta mở cửa cho các nhà đầu tư vào hoạt động. Các hệ thống tự động hoá công nghiệp điều khiển bằng khí nén cũng dần xuất hiện nhiều. Tự động hoá trong công nghiệp sẽ cho ra nhiều sản phẩm hơn đồng thời đòi hỏi sự hoạt động của nó phải đạt độ chính xác cao, an toàn v.v… Sự kết hợp giữa ngành điện - điện tử và ngành cơ khí là một bước tiến quan trọng trong sự phát triển của tự động hoá trong công nghiệp. Trước tầm quan trọng của hệ thống điều khiển bằng điện - khí nén và cũng là để củng cố thêm kiến thức sau khi ra trường, chúng em quyết định thực hiện đề tài: TÀI LIỆU THAM KHẢO TÊN TÀI LIỆU TÊN TÁC GIẢ 1. Hệ thống điều khiển bằng khí nén PTS Nguyễn Ngọc Phương 2. Trang bị điện - điện tử công nghiệp Nhà Xuất Bản Giáo Dục 3. Giáo trình điện tử công nghiệp Nhà Xuất Bản Giáo Dục 4. Truyền động điện Bùi Quốc Khánh 5. Máy điện 1, 2 Vũ Gia Hanh Chương 2 PHÂN TÍCH LỰA CHỌN ĐỘNG CƠ CHO MÁY KHOAN Lựa chọn động cơ cho máy khoan là một bước cộng việc rất quan trọng. Hệ thống có thể hoạt động ổn định thì phải lựa chọn được động cơ phù hợp với yêu cầu của hệ thống. Đối với động cơ máy khoan thì điều quan trong là tốc độ động cơ phải thay đổi theo tải, dễ điều chỉnh tốc độ, ngoài ra còn phải thoả mãn yêu cầu của thực tế như: động cơ gọn nhẹ, giá thành rẻ v.v… Ở chương 2 này chúng em đi phân tích ưu nhược điểm của từng loại động cơ để có thể có được sự lựa chọn tối ưu nhất . 2.1. Động cơ điện một chiều Tuỳ theo cách kích từ, động cơ điện một chiều có những tính năng khác nhau biểu diễn bằng các đường đặc tính làm việc, đặc tính cơ khác nhau. Trong các đặc tính đó, quan trọng nhất là đặc tính cơ biểu thị quan hệ giữa tốc độ quay và mô men n = f(M) 2.1.1. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập hoặc kích từ song song Ở động cơ điện một chiều kích từ độc lập, cuộn kích từ được cấp điện từ một nguồn điện ngoài độc lập với nguồn điện cấp cho rotor (cuộn ứng) Nếu cuộn kích từ và cuộn ứng được cấp điện bởi cùng một nguồn điện thì động cơ là loại kích từ song song. Trường hợp này mà nguồn điện có công suất rất lớn so với công suất động cơ thì tính chất động cơ sẽ tương tự như động cơ kích từ độc lập. * Phương trình đặc tính cơ Khi động cơ làm việc, rotor mang cuộn ứng quay trong từ trường của cuộn cảm nên trong cuộn ứng lại suất hiện một suất điện động cảm ứng (hay còn gọi là sức phản điện động) có chiều ngược với điện áp đặt vào phần ứng động cơ. Phương trình điện áp ở mạch rotor sẽ là: U = E + IưRư (2.1) Trong đó: U - điện áp lưới, V; E - sức điện động của động cơ, V; Iư - dòng điện phần ứng của động cơ, A; Rư- điện trở toàn bộ mạch phần ứng, ; Rư= Rư + Rp (2.2) Rp - điện trở phụ trong mạch phần ứng, ; Rư - điện trở mạch phần ứng, ; Sức điện động phần ứng tỷ lệ với tốc độ quay của rotor: E = k (*) (2.3) Trong đó: - từ thông qua một cực từ, Wb; - tốc độ góc của rotor, rad/s K- hệ số, phụ thuộc vào kết cấu động cơ; (2.4) Với: p - số đôi cực từ chính; N - số thanh dẫn tác dụng của cuộn ứng; a - số mạch nhánh song song của cuộn ứng; Nhờ lực từ tác dụng vào dây dẫn phần ứng khi có dòng điện, rotor quay dưới tác dụng của mô men quay. M = kIư (2.5) Từ hệ 3 phương trình (2.1), (2.3), (2.5), có thể tìm được phương trình biểu thị mối quan hệ = f(M). Rút Iư từ (2.5) thay vào (2.1) cùng với (2.3), ta có phưng trình đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ độc lập: (2.6) * Đường đặc tính cơ: Từ phương trình đặc tính cơ ta có đương đặc tính cơ của động cơ kích từ độc lập có dạng hàm bậc nhất y = B + Ax: Nhận xét: Do Rư rất nhỏ, nên khi tải thay đổi từ không đến định mức, tốc độ giảm rất ít (khoản 2%- 8% tốc độ định mức) cho nên đặc tính cơ của động cơ tự nhiên của động cơ điện kích từ độc lập rất cứng. Kết luận: Với đặc tính cơ như vậy, động cơ điện kích từ độc lập được dùng trong trường hợp tốc độ hầu như không thay đổi khi tải thay đổi (máy cắt kim loại, …) 2.1.2. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp có cuộn kích từ mắc nối tiếp với cuộn dây phần ứng. Với cách mắc nối tiếp, dòng điện kích từ bằng dòng điện phần ứng nên cuộn dây kích từ nối tiếp có tiết diện dây lớn và số vòng dây ít. Từ thông của động cơ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng (tức là phụ thuộc vào tải): = Iư (2.6) Trong đó: - hệ số, phụ thuộc cấu tạo của cuộn dây kích từ. * Phương trình đặc tính cơ Xuất phát từ các phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều nói chung: U = E + Iư Rư (a) E = k (b) M = k Iư = kI2ư (c) ta có thể tìm được phương trình đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp Thay (2.6) vào (b) rồi thay tiếp vào (a), ta rút ra: (d) Rút Iư từ (c) và thay vào (d) sẽ được phương trình đặc tính cơ: (2.7) * Đường đặc tính cơ Đường đặc tính cơ của động cơ điện một chiều là một đường hypebol Nhận xét: Thực tế động cơ thường được thiết kế để làm việc với mạch từ bão hoà ở vùng tải định mức. Do vây khi tải nhỏ, đặc tính cơ có dạng đường hyperbol bậc 2 và mềm, còn khi tải lớn (trên định mức ) đặc tính cơ có dạng gần thẳng và cứng hơn vì mạch từ đã bão hoà () Giả thiết động cơ không tải (I = 0 hoặc M = 0) thì trốc độ không tải lý tưởng sẽ là vô cùng lớn. Nhưng thực tế do có ma sát và các tổn thất phụ và động cơ có từ dư: dư = (2 10) đm nên khi không tải thì tốc độ không tải của động cơ vẫn có một giá trị là: Kết luận: Tốc độ ot thường rất lớn so với tốc độ định mức, nên thực tế không cho phép động cơ một chiều kích từ nối tiếp làm việc ở chế độ không tải hoặc rơi vào tình trạng không tải. Vì vậy không cho loại động cơ điện này làm việc ở những điều kiện có thể xảy ra mất tải như dùng đai truyền, vì khi xảy ra đứt hoặc trượt đai truyền tốc độ quay tăng rất cao. Thông thường chỉ cho phép động cơ làm việc với tải tối thiểu P2 = (0,2 0,25 Pđm) . Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp mềm và độ cứng thay đổi theo phụ tải. Do đó thông qua tốc độ của động cơ ta có thể biêt được sự thay đổi của phụ tải. Tuy nhiên không nên sử dụng động cơ này cho những truyền động có yêu cầu ổn định cao mà nên sử dụng nó cho những truyền động có yêu cầu tốc độ theo tải Động cơ kích từ nối tiếp có khả năng quá tải lớn về mô men. Nhờ ưu điểm đó mà động cơ này rất thích hợp cho những truyền động làm việc thường có quá tải lớn và yêu cầu mô men khởi động lớn như máy nâng vận chuyển, máy cán thép … Vì từ thông của động cơ chỉ phụ thuộc vào dòng điện phần ứng nên khả năng chịu tải của động cơ không bị ảnh hưởng bởi sự sụt áp của lưới điện. Loại động cơ này thích hợp cho những truyền động dùng trong ngành giao thông có đường dây cung cấp điện dài. 2.1.3. Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ hỗn hợp Với động cơ kích từ hỗn hợp từ thông được tạo ra do tác dụng đồng thời của 2 cuộn kích từ: một cuộn song (KTĐss) và một cuộn nối tiếp (KTĐnt). Do vậy đường đặc tính của động cơ điện một chiều kích từ hõn hợp (đường 3, đường 4) phân bổ giữa đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ song song (đường 1) và đặc tính cơ của động cơ điện một chiều kích từ nối tiếp (đường 2). Hình Nếu từ trường của cuộn song song tạo ra mạnh hơn từ trường của cuộn nối tiếp thì đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp (đường 3) gần đặc tính cơ của động cơ kích từ song song hơn. Nếu từ trường của cuộn nối tiếp tạo ra mạnh hơn từ trường của cuộn song song thì đặc tính cơ của động cơ kích từ hỗn hợp (đường 4) gần đặc tính cơ của động cơ kích từ nối tiếp hơn. Kết luận: Động cơ kích từ hỗn hợp có đường đặc tính cơ mềm. Được dùng trong những nơi cần các điều kiện mô men mở máy lớn, gia tốc quay khi mở máy lớn, tốc độ biến đổi theo tải trong một vùng rộng như trong máy ép (nén), máy bào, máy in, máy cán thép, máy nâng tải … Thời gian gần đây, động cơ kích từ hỗn hợp còn được dùng trong giao thông vận tải vì có ưu điểm hơn so với động cơ kích từ nối tiếp ở chỗ dễ hãm bằng chế độ phát điện trả năng lượng trở về lưới điện. 2. 2. Động cơ điện xoay chiều 2.2.1. Động cơ điện xoay chiều ba pha không đồng bộ 2.2.1.1. Phương trình đặc tính cơ Khi coi ba pha động cơ là đối xứng, được cấp bởi nguồn xoay chiều hình sin ba pha đối xứng và mạhc từ động cơ không bão hoà thì có thể xem xét động cơ qua sơ đồ thay thế một pha. Đó là sơ đồ điện một pha phía stator với các đại lượng điện ở mạch rôto đã quy đổi về stator. Trong đó: I0 - dòng điện từ hoá của động cơ; Rm , Xm - điện trở, điện kháng mạch từ hoá; I1 - dòng điện cuộn dây stator; R1 ,X1 - điện trở điện kháng cuộn stator; Khi cuộn dây stator được cấp điện với điện áp định mức U1ph.đm trên một pha mà giữ yên rôto (không quay) thì mỗi pha của cuộn dây rôto sẽ xuất hiện một sức điện động E2ph.đm theo nguyên lý của máy biến áp. Hệ số quy đổi sức điện động là: (2.8) Từ đó, có hệ số quy đổi dòng điện: (2.9) và hệ số quy đổi trở kháng: Với các hệ số quy đổi này, các đại lượng điện ở mạch rôto có thể quy đổi về mạch stator : - dòng điện: = kII2 - điện kháng: = kXX2 - điện trở: = kRR2 Dòng điện rôto quy đổi về stator: (2.10) Khi động cơ hoạt động, công suất điện từ P12 từ stator chuyển sang rôto thành công suất động cơ Pcơ đưa ra trên trục động cơ và công suất nhiệt P2 đốt nóng cuộn dây: P12 = Pcơ + P2 (2.11) Nếu bỏ qua tổn thất phụ thì có thể coi mô men điện từ Mđt của động cơ bằng mô men cơ Mcơ: Mđt = Mcơ = M Từ đó: P12 = M = M + P2 M = (2.12) Công suất nhiệt trong cuộn dây ba pha là: P2 = 3 (2.13) Thay (2.10) vào (2.13), sau đó thay vào (2.12) sẽ được: M = (2.14) trong đó: Xnm = X1 + (2.15) là điện kháng ngắn mạch. Phương trình (2.14) biểu thị quan hệ M = f(s) = f là phương trình đặc tính cơ của động cơ xoay chiều ba pha không đồng bộ. 2.2.1.2. Đường đặc tính cơ Nhận xét Ta thấy, đặc tính cơ của động cơ xoay chiều không đồng bộ là một đường cong phức tạp và có 2 đoạn AK và KB, phân giới bởi điểm tới hạn K. Đoạn đặc tính AK gần thẳng và cứng. Trên đoạn này, mô men động cơ tăng thì tốc độ động cơ giảm. Do vậy, động cơ làm việc trên đoạn đặc tính này sẽ ổn định. Đoạn KB cong với tốc độ dương. Trên đoạn này động cơ làm việc không ổn định. Động cơ điện không đồng bộ được sử dụng rất rộng rãi trong thực tế Kết luận Ưu điểm nổi bật của loại động cơ này là: - Cấu tạo đơn giản, đặc biệt là dộng cơ rôto lồng sóc. - Động cơ không đồng bộ có giá thành hạ hơn so với động cơ điện một chiều. - Vận hành tin cậy, chắc chắn. Ngoài ra dộng cơ không đồng bộ dùng trực tiếp lưới điện xoay chiều ba pha nên không cần trang bị thêm các thiết bị biến đổi kèm theo. - Trong công nghiệp động cơ không đồng bộ được dùng làm máy tời hay quạt gió. Trong nông nghiệp dùng để làm máy bơm hay máy gia công nông sản phẩm. Trong đời sống hằng ngày, động cơ không đồng bộ cũng dần dần chiếm một vị trí quan trọng: quạt gió, máy quay đĩa, động cơ trong tủ lạnh, v.v … Tóm lại, theo sự phát triển của nền sản xuất điện khí hoá, tự động hoá và sinh hoạt hàng ngày, phạm vi ứng dụng của động cơ không đồng bộ ngày càng rộng rãi. Nhược điểm : - Nhược điểm của động cơ không đồng bộ là điều chỉnh tốc độ và khống chế các quá trình quá độ khó khăn; riêng với động cơ rôto lồng sóc có các chỉ tiêu khởi động xấu hơn. 2.2.2. Động cơ điện đồng bộ 2.2.2.1.Phương trình đặc tính cơ Rôto của động cơ đồng bộ quay cùng tốc độ với từ trường nên có phương trình đặc tính cơ là: 2.2.2.2. Đường đặc tính cơ Nhận xét Đường đặc tính cơ là đường song song với trục hoành OM, cắt trục tung tại điểm . Tốc độ đồng bộ phổ biến là (125 1500) vg/ph. Đường đặc tính cơ của động cơ đồng bộ là tuyệt đối cứng (). Điều đó chỉ đúng trong phạm vi cho phép của mô men không vượt quá giá trị Mmax của động cơ. Kết kuận Động cơ đồng bộ được sử dụng khá rộng rãi trong những truyền động công suất trung bình và lớn, có yêu cầu ổn định tốc độ cao. Động cơ đồng bộ thường dùng cho các máy bơm, quạt gió, các hệ truyền động của nhà máy luyện kim và cũng thường được sử dụng làm động cơ sơ cấp trong các tổ máy phát - động cơ công suất lớn. Ưu điểm của động cơ đồng bộ là ổn định tốc độ cao, hệ số cos hiêụ suất lớn, vận hành có độ tin cậy cao 2.2.3. Động cơ điện xoay chiều ba pha có vành góp - Động cơ xoay chiều 3 pha có vành góp là loại động cơ có thể điều chỉnh tốc độ (trong một dải điều chỉnh trên dưới D = 10:1), bằng phẳng, kinh tế và chắc chắn và đồng thời lại nâng cao được hệ số cos của lưới điện nhờ thay đổi vị trí các chổi than trên vành góp mà không cần thay đổi mạch bên ngoài động cơ hoặc không phải thêm một thiết bị phụ nào cả. 2.2.4. Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp Động cơ điện xoay chiều một pha có vành góp nói chung kết cấu cũng tương tự như máy điện một chiều kích từ nối tiếp, khác nhau giữa chúng là lõi thép và cực từ stator của động cơ xoay chiều không đúc liền như ở động một chiều mà được ghép lại từ những lá thép kỹ thuật điện để giảm tổn thất do dòng điện Foucault. Nhận xét Đặc tính cơ của động cơ xoay chiều một pha có vành góp là mềm, khi tải tăng thì tốc độ giảm nhanh. Khi tải giảm thì tốc độ tăng nhanh. Kết luận: Động cơ điện có vành góp một pha được ứng dụng chủ yếu trong việc điện khí hoá đường sắt bằng dòng điện một pha. Thường được chế tạo với công suất khá lớn đặt trên các đầu máy xe điện làm việc trên các tuyến đường sắt điện khí hoá ở một số nước như Pháp, Đức , Mỹ, Nga … Các động cơ công suất nhỏ hơn 0,5 kW được dùng rộng rãi trong công nghiệp hoặc trong đời sống với yêu cầu tốc độ cao (3000 30.000 vòng/phút) và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng, tốc độ thay đổi theo tải như máy mài, máy hút bụi, máy lau nhà, máy khâu, máy khoan … Kết luận chung: Từ những phân tích trên, ta thấy để đáp ứng được yêu cầu quan trọng của động cơ truyền động cho máy khoan là tốc độ của động cơ phải thay đổi khi tải thay đổi, thích hợp nhất là động cơ một chiều kích từ nối tiếp và động cơ xoay chiều một pha có vành góp. Tuy nhiên, nếu sử dụng động cơ một chiều kích từ nối tiếp thì phải chỉnh lưu điện áp, còn nếu sử dụng động cơ xoay chiều một pha có vành góp thì có thể sử dụng trực tiếp điện lưới, giảm bớt được một số công đoạn. Vì vậy, chúng em quyết định lựa chọn động cơ xoay chiều một pha có vành góp làm động cơ truyền động cho máy khoan. CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ SƠ ĐỒ MẠCH ĐIỀU KHIỂN VÀ MẠCH ĐỘNG LỰC CHO ĐỘNG CƠ MÁY KHOAN 4.1. Khảo sát vi mạch TCA785 Vi mạch TCA785 là vi mạch phức hợp thực hiện được 4 chức năng của một mạch điều khiển bao gồm: tạo điện áp đồng bộ, tạo điện áp răng cưa đồng bộ, so sánh, tạo xung ra. a. Ký hiệu và chức năng của TCA 785 Chân Kí hiệu Chức năng Chân Kí hiệu Chức năng 1 QS Chân nối đất 9 R9 Điện trở tạo mạch răng cưa 2 Q2** Đầu ra 2 đảo 10 C10 Tụ tạo mạch răng cưa 3 QU Đầu ra U 11 V11 Điện áp điều khiển 4 Q1* Đầu ra 1 đảo 12 C12 Tụ tạo độ rộng xung 5 VSYNC Điện áp đồng bộ 12 L Tín hiệu điều khiển xung ngắn, xung rộng 6 I Tín hiệu cấm 14 Q1 Đầu ra 1 7 QZ Đầu ra Z 15 Q2 Đầu ra 2 8 VRè Điện áp chuẩn 16 VS Điện áp nguồn nuôi b. các thông số của TCA 785 Thông số Giá trị nhỏ nhất Giá trị tiêu biểu (F = 50Hz, VS = 5V) Giá trị lớn nhất Đơn vị Dòng tiêu thụ thụ IS 4,5 6,5 10 MA Điện áp vào điều khiển, chân 11 Trở kháng vào V11 R11 0,2 15 V10 max Vk Mạch tạo răng cưa Dòng nạp tụ Biên độ của răng cưa Điện trở mạch nạp Than gian sườn ngắn của xung răng cưa I10 V10 R9 tP 10 3 80 1000 VS – 2 300 V K Tín hiệu cấm vào, chân 6 Cấm Cho phép V6I V6H 4 3,3 3,3 2,5 V V Độ rộng xung ra, chân13 Xung hẹp Xung rộng V13H V13L 3,5 2,5 3,5 2,5 V V Độ rộng xung ra, chân 14, 15 Điện áp ra mức cao điện áp ra mức thấp Độ rộng xung hẹp Độ rộng rộng V14/15L V14/15L tP tP VS – 3 0,3 20 530 VS – 2,5 0,8 30 620 VS 1,0 2 40 760 V V / nF Điện áp điều khiển Điện áp chuẩn Góc điều khiển ứng với điện áp chuẩn VREF rsef 2,8 3,1 2x10- 4 3,4 5x10- 4 Tính toán các phần tử bên ngoài Tụ răng cưa: C10 Min Max 500pF 1 Thời điểm phát xung: Dòng nạp tụ: Điện áp trên tụ: TCA785 do hãng Siemen chế tạo, được sử dụng để điều khiển các thiết bị chỉnh lưu, thiết bị chỉnh dòng điện áp xoay chiều. Có thể điều chỉnh góc từ 00 đến 18000 điện. Thông số chủ yếu của TCA785: - Điện áp nuôi: US = 18V - Dòng điện tiêu thụ: IS = 10mA - Dòng điện ra: I = 50mA - Điện áp răng cưa: Urmax = (US - 2)V - Điện trở trong mạch tạo điện áp răng cưa: R9 = 20k500 k - Điện áp điều khiển: U11 = - 0,5 (US - 2)V - Dòng điện đồng bộ: US = 200 - Tụ điện: C10 = 0,5 - Tần số xung ra: f = 10 500Hz 4.2. Sơ đồ mạch điện dùng TCA 785 4.2.1. Mạch điều khiển a. Sơ đồ mạch điện b. Nguyên lý hoạt động Mạch điều khiển dùng TCA 785 gồm hai khối chính: * Khối chỉnh lưu tạo điện áp một chiều dùng IC ổn áp 7815 - Điện áp vào Uv xoay chiều = 220V được đưa qua một biến áp hạ áp xuống Ura = 15V xoay chiều. Điện áp ra được đưa qua cầu chỉnh lưu tạo ra dòng điện một chiều, dòng điện một chiều này được đưa vào IC ổn áp 7815 tạo ra điện áp chuẩn 15V. - Trong đó tụ C1 = 1000 2000 μF có nhiệm vụ lọc nguồn (dòng điện một chiều lấy ra sẽ phẳng hơn). * Khối tạo tín hiệu điều khiển mạch động lực (TCA 785) - Mạch điều khiển dùng TCA 785 có nhiệm vụ điều khiển biên độ, độ rộng, thời gian xuất hiện xung tại chân 14 và 15 để từ đó điều khiên mạch động lực của động cơ máy khoan. - Đưa điện áp một chiều 15V trực tiếp vào các chân 6 và 16 + Chân 6: cho phép TCA làm việc + Chân 16: cấp nguồn nuôi IC - Chân 1 là chân nối mát. - Chân 5 mắc nối tiếp với đưới điện áp 220V có nhiệm vụ tạo điện áp đồng bộ. - Điện trở R1 mắc nối tiếp vào chân 11 để tạo trở kháng đầu vào IC. Biến trở VR1 điều khiển điện áp đầu vào, tuỳ thuộc vào giá trị VR1 mà biên độ điện áp đầu vào U11 sẽ thay đổi sau đó được so sánh với điện áp răng cưa làm thay đổi thời gian xuất hiện xung điện áp tại chân số 14 và 15. - Tụ có nhiệm vụ tạo điện áp răng cưa. - Biến trở VR2 mắc nối tiếp với điện trở R2 tại chân số 9 sẽ điều khiển độ rộng và biên độ đặt điện áp răng cưa. - Chân 13 được nối trực tiếp với nguồn sẽ điều khiển xung ra có biên độ rộng. - Tụ C2 nối tiếp với chân số 12 tạo độ rộng của xung. - Các chân 2, 3, 4, 7, 8 not conect. Kết luận: Nhờ vào mạch điều khiển dùng IC TCA 785 trên mà chúng ta sẽ điều khiển được thời gian, độ rộng, biên độ xung ra tại chân số 14 và 15 tuỳ theo việc thay đổi giá trị của biến trở VR1. Xung ra tại chân số 14 và 15 sẽ điều khiển việc đóng mở Triac làm thay đổi điện áp đặt vào động cơ. 4.2.2. Mạch động lực a. Sơ đồ mạch động lực b. Nguyên lý hoạt động - Xung ra tại chân số 14 và 15 bên mạch điều khiển sẽ tác động vào chân B của Tranzitor (T) => UBE > 0 => T dẫn => xuất hiện dòng chạy trong cuộn sơ cấp của Biến áp xung (BAX) => cuộn thứ cấp của BAX sẽ kích xung vào chân G của Triac => Triac được kích mở đặt điện áp nguồn xoay chiều lên động cơ. - T a thấy nếu biến trở VR1 thay đổi giá trị thì thời gian, độ rộng xung ra tại chân sô 14, 15 sẽ rhay đổi, khi đó thời gian mà Triac được kích xung cũng sẽ thay đổi làm thay đổi điện áp xoay chiều tức thời đặt vào động cơ: u = + + … (V) - Các điôt D1, D2, D3, D4 có nhiệm vụ bảo vệ mạch điện, tránh dòng ngược làm hỏng các phần tử trong mạch. Kết luận: Khi biến trở VR1 bên mạch điều khiển thay đổi giá trị sẽ làm cho điện áp đặt váo động cơ máy khoan thay đổi. Biến trở này có giá trị thay đổi là do sự nhận biết của cảm biến đối với các sản phẩm cần khoan khác nhau mang lại. Vì vậy nó sẽ điều khiển tốc độ của động cơ máy khoan phù hợp với từng loại sản phẩm. c. Mạch bảo vệ Khi Triac bắt đầu được kích mở, dòng qua Triac có giá trị cực đại, để giảm dòng điện qua Triac có giá trị nhỏ ta mắc thêm các phần tử bảo vệ như mạch điện sau: CHƯƠNG 5 CÁC PHƯƠNG PHÁP THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN - KHÍ NÉN 5.1. Giới thiệu tổng quan về hệ thống điện - khí nén 5.1.1. Hệ thống điều khiển Điện Khí nén Hệ thống điều khiển bằng khí nén bao gồm: Thiết bị điều khiển và đối tượng điều khiển Tín hiệu nhiễu Đối tượng điều khiển Dây chuyền sản xuất XC Tín hiệu điều khiển Thiết bị điều khiển 2 XC 1 XC + Phần tử đưa tín hiệu: nhận những giá trị của đại lượng vật lí như là đại lượng và, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiểu. Ví dụ: nút ấn, công tắc, cảm biến . + Phần tử xử lí tín hiệu:Xử lí tín hiệu nhận vào theo một quy tắc lôgíc xác định làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ :Van lôgícOR hoặc AND, rơ le. + Phần tử điều khiển: Điều khiển dòng năng lượng theo yêu cầu, thay đổi trạng tháI của cơ cấu chấp hành. Ví dụ : van đảo chiều, van tiết lưu + Cơ cấu chấp hành: Thay đổi trạng thaí của đối tượng điều khiển, là đại lựơng ra của mạch điều khiển: Ví dụ : Xilanh , động cơ dầu Phần tử đưa tín Phần tử đưa tín hiệu Phần tử xử lý và điều khiển hiệu Cơ cấu chấp hành Phần tử xử lý và điều khiển Ví dụ: - Công tắc, nút bấm - Công tắc hành trình - Cảm biến bằng tia Ví dụ: - Van đảo chiều - Van chắn (Van một chiều, Van logic OR, Van logic AND) - Van tiết lưu - Van áp suất - Phần tử khuyếch đại - Phần tử chuyển đổi tín hiệu ví dụ: - Xi lanh - Động cơ khí nén - Bộ biến đổi áp lực 5.1.2. Các phần tử điện: 5.1.2.1. Công tắc Trong kỹ thuật điều khiển, công tắc, nút ấn thuộc các phần tử đưa tín hiệu. a b Hình 5.1 Công tắc a. Công tắc đóng mở b. Công tắc chuyển mạch 5.1.2. 2. Nút ấn Nút ấn đóng - mở ở hình 5.2a, khi chưa tác động thì chưa có dòng điện chạy qua(mở), khi tác động (nhấn) dòng điện đi qua 3- 4. Nút ấn chuyển mạch, biểu diễn và ký hiệu: a.Nút ấn đóng _mở. b.Nút ấn chuyển mạch. 5.1.2.3. Rơle Trong kỹ thuật điều khiển, rơle được sử dụng như là phần tử xử lí tín hiệu. Có nhiều loại rơle khác nhau, tùy theo công dụng. Phần trình bày tiếp theo sẽ giới thiệu một số loại rơle thông dụng, ví dụ như rơle công suất, rơle đóng - mở, rơle điều khiển, rơle thời gian. a. Rơle điều khiển. Nguyên lí hoạt động của Rơle điều khiển cũng tương tự như rơle đóng mạch (xem biểu diễn và ký hiệu ở hình 5.3; khác rơle đóng mạch ở chỗ là rơle điều khiển đóng, mở cho mạch có công suất nhỏ và thời gian đóng, mở của các tiếp điểm rất nhỏ (1 ms đến 10 ms). Hình 5.3 Kí hiệu rơle theo DIN 40713 b. Rơle thời gian tác động muộn Nguyên lí hoạt động của rơle thời gian tác động muộn (hình 5.4); tương tự như rơle thời gian tác động muộn của phần tử khí nén, điốt tương đương như van một chiều, tụ điện như bình trích chứa, biến trở R1 như van tiết lưu. Đồng thời tụ điện có nhiệm vụ giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt. Hình 1.4 Rơle thời gian tác động muộn. a. Sơ đồ nguyên lí. b. Sơ đồ thời gian tác động muộn của phần tử khí nén. c. Kí hiệu. d. Biểu đồ thời gian. Cách nối các cực và tiếp điểm rơle thời gian tác động muộn trong mạch điều khiển được biểu diễn ở hình 5. 5 Hình 5.5. Cách nối các cực và tiếp điểm rơle thời gian tác động muộn. c. Rơle thời gian nhả muộn Nguyên lí hoạt động của rơle thời gian nhả muộn (hình 5.6); tương tự như rơle thời gian tác động muộn của phần tử khí nén, điốt tương đương như van một chiều, tụ điện như bình trích chứa, biến trở R1 như van tiết lưu. Đồng thời tụ điện có nhiệm vụ giảm điện áp quá tải trong quá trình ngắt. Hình 5.6 Rơle thời gian nhả muộn. a.Sơ đồ nguyên lý làm việc. b.Sơ đồ thời giannhả muộn của phần tử khí nén. c.kí hiệu . d.Biểu đồ thời gian. Cách nối các cực và tiếp điểm rơle thời gian nhả muộn trong mạch điều khiển được biểu diễn ở hình 5.7. Điều chú ý là cổng B2 nối với cực dương +. Hình 5.7. Phương pháp lắp ráp rơle thời gian nhả muộn. 5.1.2.4. Công tắc hành trình điện cơ Nguyên lí hoạt động của công tắc hành trình điện - Cơ được biểu diễn ở hình 5.8. Khi con lăn chạm cữ hành trình, thì tiếp điểm 1 nối với 4. Hinh 5.8. Công tắc hành trình điện cơ. Cần phân biệt các trường hợp khi lắp hành trình điện - cơ trong mạch Hình 5.9. Hai dạng kí hiệu của công tắc hành trình điện cơ. Trạng thái thường đóng khi không có tác động. Trạng thái thường đóng khi có tác động. 5.1.2.5. Công tắc hành trình nam châm Công tắc hành trình nam châm thuộc loại công tắc hành trình không tiếp xúc. Nguyên lí hoạt động, kí hiệu được biểu diễn ở hình 5.10. Hình 5.10. Công tắc hành trình nam châm . 5.1.2.6. Cảm biến cảm ứng từ Nguyên tắc hoạt động của cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình 5.11. Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi có vật cản bằng kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, trong kim loại đó sẽ hình thành dòng điện xoáy. Như vậy năng lượng của bộ dao động sẽ giảm, dòng điện xoáy sẽ tăng, khi vật cản càng gần cuộn cảm ứng. Qua đó biên độ dao động của bộ dao động sẽ giảm. Qua bộ so, tín hiệu ra được khuyếch đại. Trong trường hợp tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ sẽ đảm nhận nhiệm vụ này. Hình 5.11. Nguyên ký hoạt động của cảm biến cảm ứng từ. Cách lắp trong mạch và ký hiệu cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình 5.12 Kí hiệu. Hình dạng thực, cách lắp Hình 5.12. Cách lắp và kí hiệu cảm biến cảm ứng từ. 5.1.2.7. Cảm biến điện dung Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung biểu diễn ở hình 5.13. Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi có vật cản bằng kim loại hoặc phi kim loại nằm trong vùng đường sức của từ trường, điện dung tụ điện thay đổi. Như vậy tần số riêng của bộ dao động thay đổi. Qua bộ so, và bộ nắn dòng, tín hiệu ra được khuyếch đại. Trong trường hợp tín hiệu ra là tín hiệu nhị phân, mạch Schmitt trigơ sẽ đảm nhận nhiệm vụ này. Hình 5.13. Nguyên lý hoạt động của cảm biến điện dung. Cách lắp trong mạch và ký hiệu cảm biến cảm ứng từ biểu diễn ở hình 5.14. Hình 5.14 Kí hiệu cảm biến điện dung. 5.1.2.8. Cảm biến quang Nguyên tắc hoạt động của cảm biến điện dung biểu diễn ở hình 5.15 gồm 2 phần: Bộ phận phát Bộ phận nhận Bộ phận phát sẽ phát đi tia hồng ngoại bằng điốt phát quang; Khi gặp vật chắn, tia hồng ngoại sẽ phản hồi lại vào bộ phận nhận. Như vậy ở bộ phận nhận, tia hồng ngoại phản hồi sẽ được xử lí trong mạch và cho tín hiệu ra sau khi khuyếch đại. Hình 5.15 Cảm biến quang. Tuỳ theo vị trí sắp xếp của bộ phận phát và bộ phận nhận, người ta phân biệt thành 2 loại chính; cảm biến quang một chiều (hình 5.16a) và quang biến quang phân hồi (hình 5.16b). Hình 5.16 a.Cảm biến quang một chiều . b.Cảm biến quang phản hồi. Thông thường cảm biến quang có kí hiệu như sau: a. b. Hình 5.17. Kí hiệu cảm biến quang. a. Nút điều chỉnh khoảng cách. b.Kí hiệu. Hình 5.18 5.1.3 Các phần tử điều khiển: 5.1.3.1. Van đảo chiều a. Van đảo chiều bằng nam châm điện Van đảo chiều đièu khiển bằng nam châm điện kết hợp với khí nén có thể điều khiển trực tiếp ở hai đầu van hoặc là gián tiếp qua van phụ trợ. Hình dưới đây biểu diễn một số ký hiệu loại: Van đảo chièu điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện và lò xo Van đảo chiều điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện cả hai phía Van đảo chiều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén Van đảo chiều điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện cả hai phía Van đảo chiều điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén Ký hiệu các loại điều khiển + Điều khiển trực tiếp: Cấu tạo và ký hiệu của van 2/2 điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện Thân van. Cuộn dây nam châm điện. Lõi sắt từ. Vòng đệm chắn. Lò xo. Hộp nam châm điện. Mặt tựa. Van 2/2 điều khiển trực tiếp bằng nam châm điện + Điều khiển gián tiếp (bằng van phụ trợ) Nguyên lý của van đảo chiều 3/2 điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén được biểu diễn, gồm 2 van :van chính là van phụ trợ. Khi van ở vị trí “không” của cửa nối với nguồn P sẽ nối với nhánh b, để van chính nằm ở vị trí b Thân van chính . Cuộn dây . Nòng van . Vòng đệm chắn . Lò xo 7.Mặt tựa . 8.Lõi sắt từ. 9.Nút điều chỉnh bằng tay. 10.Vòng đệm chắn . Cấu tạo và kí hiệu van đảo chiều 3/2điều khiển gián tiếp bằng nam châm điện và khí nén. + Một số loại van đảo chiều: * Van đảo chiều 5/2: kí hiệu: * Van đảo chiều 3/2 kí hiệu: 5.1.3.2. Van chắn: Van chắn là loại van chỉ cho lưu lượng khí nén đi qua một chiều, chiều ngược lại bị chặn. áp suất dòng chảy tác động lên bộ phận chặn của van và như vậy van được đóng lại. Van chắn gồm các loại sau: Van một chiều Van logic OR Van logic AND Van xả khí nhanh a. Van một chiều: Van một chiều có tác dụng chỉ cho lưu lượng khí nén đi qua một chiều, chiều ngược lại bị chặn. Nguyên lý hoạt động và ký hiệu van một chiều, hình vẽ. Dòng khí nén đi từ A qua B, chiều từ B qua A dòng khí nén bị chặn. b. Van logic OR (hoặc) c. Van logic AND (và) Khi có dòng khí nén qua cửa X,sẽ đẩy pitông trụ của van sang vị trí bên phải, như vậy cửa Y bị chặn. Hoặc là khi có dòng khí nén qua cửa Y, sẽ đẩy pittông trụ sang vị trí bên trái, cửa X bị chặn. Nếu dòng khí nén đồng thời đi qua cửa X và Y, cửa A sẽ nhận được tín hiệu, tức là khí nén sẽ đi qua cửa A. Như vậy van logic AND có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển cùng một lúc ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển. d. Van xả khí nhanh: Khi có dòng khí nén đi qua cửa P, sẽ đẩy pittông trụ sang phải, chắn cửa R, như vậy cửa P nối với cửa A. Trường hợp ngược lại, khi dòng khí nén đi từ A, sẽ đẩy pittông trụ sang trái, chắn cửa P và như vậy cửa A nối với cửa R. Van xả khí nhanh thường lắp ở vị trí gần cơ cấu chấp hành, ví dụ pittông có nhiệm vụ xả khí nhanh ra ngoài. 5.1.4. Cơ cấu chấp hành Cơ cấu chấp hành có nhiệm vụ biến đổi năng lượng áp suất khí nén thành năng lượng cơ học. Cơ cấu chấp hành có thể thực hiện chuyển động thẳng (xylanh), hoặc chuyển động quay (động cơ khí nén). 5.1.4.1. Xylanh a. Xylanh tác động đơn (Xylanh tác động một chiều). Áp lực tác động vào xylanh đơn chỉ một phía, phía ngược lại do lực lò xo tác động hay do ngoại lực tác động (hình vẽ). Lực tác động lên pittông được tính theo công thức: FZ = A.PE – FR –FF b. Xylanh tác dụng hai chiều( xylanh tác dụng kép) Nguyên lý hoạt động của xylanh tác dụng 2 chiều (tác dụng kép) là áp suất khí nén được dẫn vào cả 2 phía của xylanh. Xylanh tác dụng 2 chiều: 1 cửa nối mặt đáy pittông, 2 cửa nối mặt trước của pittông, 3 mặt trước pittông, 5 bề mặt xylanh, 6 bề mặt pittông, 7 diện tích cần pitttông, 8 đáy xylanh, 9 nắp xylanh. c. Xylanh tác dụng 2 chiều, không có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy d. xylanh tác dụng 2 chiều, có bộ phận giảm chấn ở cuối khoảng chạy 5.1.4.2. Các loại động cơ khí nén a. Động cơ bánh răng Theo thiết kế động cơ bắnh răng chia làm 3 loại: Động cơ bánh răng thẳng. Động cơ bắnh răng nghiêng, Động cơ bánh răng chữ V. Động cơ bánh răng thường có công suất đến 59kw với áp suất làm việc 6bar và mô men quay đạt tới 540Nm * Động cơ bánh răng thẳng: Mô menn quay được tạo ra bởi áp suất khí nén lên mặt bên răng.ống thải khí được thiết kế dài để có nhiệm vụ giảm tiếng ồn * Động cơ bánh răng nghiêng: Nguyên lý hoạt động như bánh răng thẳng,chú ý là ổ lăn phải chọn để khử được lực hướng trục và lực dọc trục * Động cơ bánh răng chữ V: Có ưu điểm là giảm tiêng ồn b. Động cơ trục vít: Hai trục quay của động cơ trục vít có biên dạng lồi và biên dạng lõm. Số răng của mỗi trục khác nhau. Điều kiện để hai trục quay ăn khớp là hai trục phải quay đồng bộ c. Động cơ cánh gạt: Nguyên lý làm việc của động cơ cánh gạt: Khí nén được dẫn vào cửa 1,qua rẵnh vòng 2 vào lỗ dẫn khí nén 3. Dưới tác dụng áp suất lên cánh gạt, rô to quay. Khí nén được thải ra ngoài bằng lỗ 8.(hv) Để chuẩn bị cho động cơ khởi động,cách gạt phải được áp sát vào thành rô to; Một số hãng sản xuất đã chế tạo lỗ dẫn khí nén vào đựoc dẫn từ mặt bích trên của động cơ d. Động cơ píttông hướng kính: Động cơ hướng kính có công suất từ 1,5-11kw. Nguyên lý hoạt động áp suất khí nén tác động lên pit tông 2, qua thanh truyền 3 làm trục khuỷu quay. Để cho trục quay không bị va đập và tảỉ trọng đều trong lúc quay, thường bố trí nhiều xi lanh. e. Động cơ píttông dọc trục Động cơ pít tông dọc trục phần lớn được sắp sếp 5 xy lanh dọc theo trục gắn trên đĩa đu đưa. Mô men quay được tạo thành bởi lực tiếp tuyến của xy lanh tác động. Động cơ xy lanh dọc trục điều khiển vòng quay được vô cấp và đạt được mô men quay 900Nm f. Động cơ tua bin Nguyên lý hoạt động của động cơ tua bin là chuyển đổi động năng của động cơ khí nén qua vòi phun thành năng lượng cơ học vì vậy động cơ đạt số vòng quay rất cao(10000v/p) động cơ tua bin được phân chia theo hướng dòng khí nén thành các loại dọc trục, hướng trục, tiếp tuyến và tua bin tia phun tự do g. Động cơ màng Nguyên lý hoạt động của động cơ màng: Khi dòng khí nén vào cho dòng dao động. Nếu nối màng với thanh truyền với bánh con cóc thì sẽ chuyển động quay không liên tục 5.2. Các phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện - khí nén Nguyên tắc thiết kế Sơ đồ mạch điện-khí nén gồm hai phần: - Sơ đồ mạch điện điều khiển. - Sơ đồ mạch khí nén. Có 2 phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén: 5.2.1. Mạch điều khiển theo nhịp 5.2.1.1. Cấu tạo khối của nhịp điều khiển. Nguyên tắc thực hiện của điều khiển theo nhịp là các bước thực hiện lệnh xảy ra tuần tự. Có nghĩa là khi các lệnh trong một nhịp thực hiện song, thì sẽ thông báo cho nhịp tiếp theo, đồng thời sẽ xoá lệnh thực hiện trước đó. Như vậy khối của nhịp điều khiển gồm các chức năng sau : 1.Chuẩn bị cho nhịp tiếp theo 2.Xoá các lệnh của nhịp trước đó 3.Thực hiện lệnh của tín hiệu điều khiển Biểu diễn đơn giản chuỗi điều khiển theo nhịp được trình bày ở hình sau. Nhịp thứ nhắt Zn sẽ được xoá bằng nhịp cuối cùng Zn+1 5.2.2. Phương pháp thiết kế mạch điều khiển theo tầng Phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén được xây dung dựa trên cơ sở thiết kế mạch điều khiển bằng khí nén. Trong điều khiển bằng khí nén tín hiệu vào và tín hiệu ra đều là tín hiệu khí nén còn trong điều khiển Điện Khí nén tín hiệu vào là tín hiệu điện. Ngoài mạch công tác khí nén ta phải thiết kế mạch diều khiển bằng điện(Rơle, công tắc). Trong phần này trình bầy phương pháp thiết kế mạch điều khiển điện khí nén theo tầng cho hệ thống điều khiển hành trình. Như đã biết trong mỗi tầng ta thiết kế mạch điều khiển tuần tự ,tức là dựa theo nguyên tắc tín hiệu vào khác nhau và ngược lai. Mạch điều khiển điện được thiết kế theo tầng. Các bước thiết kế được tiến hành như sau: + B1:Vẽ sơ đồ hành trình bước Xuất phát từ yêu cầu cụ thể, công nghệ của từng máy, thiết bị tự động, kể cả khi thiết bị tự động vẫn còn là ý tưởng hay trong bản mô tả nguyên lí hoạt động của máy cần vẽ ra sơ đồ hành trình bước. Việc vẽ sơ đồ hành trình bước trong mọi trường hợp khi đã có ý tưởng thì chắc chắn sẽ vẽ được, việc vẽ sơ đồ hành trình bước theo yêu cầu đề ra thực chất chỉ mang tính chất khái quát hoá yêu cầu thực tế. + B2:Xác định hệ điều kiện Hệ điều kiện là tổ hợp giá trị logic của các phần tử đưa tín hiệu vào. Ta quy ước giá trị logic của mỗi phần tử đưa tín hiệu vào như sau: Khi một phần tử nhận được tín hiệu từ cuối hành trình của xylanh (đối với các công tắc hành trình là sự tác động lên công tắc) thì ở đó được ghi giá trị 1 cho phần tử này trong bảng hệ điều kiện, ngược lại khi không nhận tín hiệu (không bị tác động) nó nhận giá trị 0. Bảng hệ điều kiện được ghi ra cho tất cả các bước từ đầu đến cuối chu kỳ. + B3: Chia tầng Chia tầng là bước quan trọng nhất nó quyết định mạch thiết kế nhận được. Việc chia tầng được dựa vào cơ sở là bảng hệ điều kiện. Người ta có thể chọn ra một số xy lanh để xét hệ điều kiện hoặc tất cả các xy lanh. Ví dụ trong một hệ thống điều khiển có 4 xy lanh làm việc ta có thể chọn 2, 3 hoặc cả 4 xy lanh để xét hệ điều kiện, hệ điều kiện là tổ hợp logic trích ra từ bảng hệ điều kiện có các phần tử tham gia là các phần tử đưa tín hiệu vào thông qua các xy lanh đã chọn. Người ta cũng có thể chọn ra ở mỗi giai đoạn làm việc một số xy lanh khác nhau để xét hệ điều kiện. Hệ điều kiện xác định từ một số xy lanh gọi là nhóm điều kiện. Cách chia tầng được tiến hành như sau: Ta xét từ đầu chu kỳ đến các bước tiếp theo khi hệ điều kiện này hay nhóm điều kiện trùng nhau thì dừng lại và lui lại một bước để chia tầng, tức là phải chuyển sang tầng khác ở trước đó một bước. Sau khi đã tách chuyển sang phần khác thì tiếp tục xét từ vị trí đã được tách đến các bước sau. Quá trính như thế được tiến hành cho đến cuối chu kỳ và sẽ được số tầng xác định. + B4: Cách thiết kế các tầng trong điều khiển bằng điện khí nén: Các tầng điều khiển bằng khí nén được tạo ra bằng các van đảo chiều 5/2 hai đầu điều khiển bằng khí nén. Các tầng điều khiển trong mạch điện thì được tạo ra bằng các rơle. Để tạo ra hai tầng người ta dùng một rơle. Mạch hai tầng được thiết kế như hình vẽ Để tạo ra ba tầng người ta dùng hai rơle. Mạch ba tầng được thiết kế như hình vẽ: Để tạo ra n tầng người ta dùng n-1 Rơle. Mạch n tầng được thiết kế như hình vẽ: + B5: Thiết kế mạch (tổng hợp mạch) Trong điều khiển khí nén người ta có thể sử dụng các phần tử logic còn trong điều khiển Rơle công tắc thông thường các mối liên kết được vẽ bằng cách mách nối tiếp hoặc song song. VD liên kết AND ta sử dụng mạch nối tiếp còn trong liên kết OR ta sử dụng mạch song song. *Đối với các mạch thiết kế dùng van đảo chiều 5/3: Trong trườg hợp những yêu cầu cần sử dụng van đảo chiều 5/3 việc thiết kế trước tiên cũng được tiến hành theo các bước như trên (nghĩa là giống như đối với van 5/2). Sau đó cần thiết kế thêm vào mạch cho phù hợp với những đặc tính của van 5/3. 5.2.3. Các bài tập ứng dụng 5.2.3.1. Thiết kế mạch điều kiển theo nhịp Bài tập: trạm kiểm tra Yêu cầu: Chi tiết được vận chuyển trên băng tải đến trạm kiểm tra thì dừng lại.Chu trình kiểm tra đựoc thực hiện như sau:Xylanh A đi ra đưa chi tiết từ băng tải nên cân và đi về, đồng thời xylanh B đi về mở khoá cân, sau một khoảng thời gian là 3 s xy lanh B đi ra khoá cân lại. Nếu chi tiết kiểm tra đạt yêu cầu thì xylanh C đẩy chi tiết trở lại băng truyền và quay về, chu trình kiểm tra một chi tiết kết thúc. Bây giơ băng tải mới chạy tiếp. Trạm có hoạt động một chu kỳ hoặc hoạt động liên tục. Quy trình công nghệ. *Biểu đồ trạng thái. *Quy trình thực hiện công đoạn. Nhịp thực hiện 1 2 3 4 5 4 5 KT Vị trí hành trình STSP S2 S1^S3 S4 S6 S4^B S8 S5S7 Xylanh A+ A-/B- B+ C+ C- D+ D- Nam chậm điện Y1 Y2/Y3 Y4 Y5 Y6 Y7 Y8 *Thiết kế mạch điều khiển khí nén: Hình 7.10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 Hình 7.12 Giải thích mạch. Mạch có hai trạng thái hoạt động. +Nút ấn Satrt mạch hoạt động một chu kỳ. +Nút ấn SP và nút Start mạch hoạt động liên tục. Mạch gồm 5 nhịp thực hiệm tuần tự như sau :Khi ấn nút Start nhánh 2 ,rơle K1 có điện, tiếp điểm K1 trên nhánh 3 đóng làm nhiệm vụ duy trì, tiếp điểm thường mở k1 trên nhánh 21 đóng, van điện Y1 có điện, khí dẫn từ nhánh trái van 5/2 đẩy xylanh đi ra đưa lên cận thực hiện nhịp 1, đông thời tiếp điểm thường mở K1 trên nhánh 4 đóng chuẩn bị cho nhịp 2. Xylanh A đi ra chạm công tác hành trình S2 đóng mạch nhánh 4 làm rơle K2 có điện, tiếp điểm thường mở K2 đóng làm nhiệm vụ duy trì ,tiếp điểm thường đóng trên nhánh 2 mở, ngắt mạch nhánh 2 làm K1 mất điện, các tíêp điểm thường mở K1 mở ra, nhịp 1 được reset, tiếp điểm thường mở K2 trên nhánh 22 và 23 đóng, van điện từ Y2 và Y3 co điện, xy lanh A đi về và xylanh B đi về mở kháo nhịp 2, tiếp điểm thường mở K trên nhánh 6 đóng chuản bị cho nhịp 3. Sau khi xylanh A,B đi về chạm công tác hành trình S1 và S3 đóng điện cho rơle thời gian K3 có điện ,sau một thời gian (cần kiểm) tiếp điểm đóng K3 mở reser nhịp 2, các tiếp điểm thường mở của K3 đóng, làm nhiệp vụ duy trì và chuẩn bị cho nhịp kế tiếp ,đồng thời đóng mạch van diện từ Y4, xy lanh B đI ra khoá cần kết thúc nhịp 3. Nhịp thực hiện khi xylanh B chạm công tác hành trình S4 đóng điện cho rơle K4, có hai trường hợp xảy ra: Nếu chi tiết chưa đạt yêu cầu ,nhánh 9 đóng mạch rơle K5 có điện xylanh C đi ra đẩy chi tiết lại băng chuyền chạm công tác hành trình S6, rơle K6 đóng, Reset nhịp 4 Xylanh C đi về thực hiện nhịp 5 Do xylanh D thực hiện Xylanh D đẩy chi tiết ra rãnh trượt, chạm công tác hành trình S8, rơle K9 đóng reset nhịp 4 đồng thời đóng mạch 28, cuộn từ Y8 đóng, xylanh D đi về sau cùng chạm công tác hành trình S7, rơ le K7 đòng, reset nhịp 5 kết thúc chu trình kiểm tra. Nhịp 4 và nhịp 5 chỉ được thực hiện do xylanh C hoặc xylanhD. +Trường hợp ấn nút SP va nút ST, sau khi nhịp 5 được thực hiện, xylanh C hoặc xylanh D đi về chạm công tác hành trình S5 hoặc S7, đóng mạch 13 hoặc 14, rơle K7 đóng, tiếp điểm thường mở K7 trên nhánh 1 đóng, rơle K1 đóng chu trình kiểm tra được lập lại.ấn nút SP nút ấn mở mạch hoạt động xong chu trình thì kết thúc. 5.2.3.2. Thiết kế mạch điều khiển theo tầng * Thiết bị gá đúc tiền (in dấu) Yêu cầu: chi tiết cần in được đặt vào bộ phận kẹp chặt và xy lanh sẽ đưa bộ phận này vào vị trí. Nhấn nút Start xy lanh A đưa chi tiết cần in và bộ phận dữ vào vị trí in.Tại cuốu hành trình xy lanh A chạm tiếp điểm hành trình, xylanh B xuống đóng dấu và trở về. Khi trở về tại cuối hành trình xylanh B chạm tiếp điểm hành trình làm xy lanh A quay về vị trí ban đầu. Đồ thị hành trình bước. Giải : * Chia tầng. Hình 7.5 *Thiết kế mạch điều khiển. CHƯƠNG 5 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN ĐIỆN KHÍ NÉN CHO HỆ THỐNG Yêu cầu của đồ án là: Một cơ cấu kẹp thực hiện công việc đẩy và kẹp chặt phôi trong khi máy khoan làm việc và sẽ nhả ra khi máy khoan đã hoàn tất một chi tiết, tiếp theo một cơ cấu đẩy sẽ đẩy phôi vào thùng chứa. Kết thúc một chu trình làm việc. Để thực hiện yêu cầu trên ta dùng 3 xylanh A, B, C. Xylanh A sẽ thực hiện đẩy và kẹp giữ phôi, xylanh B thực hiện việc khoan, xylanh C thực hiện đẩy sản phẩm vào thùng chứa. Đầu tiên xylanh A đẩy phổi vào và kẹp chặt phôi, sau đó xylanh A đi ra khoan chi tiết và quay về sau đó xylanh A quay về. Sau khi xylanh A quay về xylanh C sẽ làm công việc còn lại là đẩy chi tiết vào thùng chứa và quay về. 5.1. Sơ đồ hành trình bước Từ yêu cầu trên ta có sơ đồ hành trình bước: Ở các vị trí 0 và 1 của mỗi xylanh A, B và C ta đặt các phần tử S1, S2, S3, S4, S5, S6 là các công tắc hành trình để cấp tín hiệu vào 5.2. Xác định hệ điều kiện S1 S2 S3 S4 S5 S6 1 1 0 1 0 1 0 2 0 1 1 0 1 0 3 0 1 0 1 1 0 4 0 1 1 0 1 0 5 1 0 1 0 1 0 6 1 0 1 0 0 1 7 1 0 1 0 1 0 5.3. Chia tầng A+B+ B-C-A+ C- Tầng 1 Tầng 2 Tầng 3 Theo sơ đồ hành trình bước và hệ điều kiện đưa ra các bước trước ta có: 5.4. Thiết kế các tầng trong điều khiển bằng điện khí nén Sử dụng 3 van đảo chiều 5/2 tác động kép (2 đầu tác động từ), 3 tầng điều khiển trong mạch điện thì được tạo ra bằng 2 rơle. 5.4.1. Tín hiệu logic đầu vào và logic đầu ra * Tín hiệu logic đầu vào: * Tín hiệu logic đầu ra 5.4.2. Sơ đồ mạch điện khí nén 5.4.3. Nguyên lý hoạt động của mạch điều khiển điện khí nén: Ở trạng thái ban đầu các CTHT S1, S3, S5 được tác động, tầng 3 có điện cấp điện cho Y6. Muốn hệ thống hoạt động ta nhấn nút ST, rơLe K1 được cấp điện, rơLe K1 có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở và mở các tiếp điểm thường đóng của K1, cắt nguồn ở tầng 3 (Y6 mất điện), cấp nguồn cho tầng 1( tầng 2 chưa có điện). Tầng 1 có điện cấp nguồn cho Y1, Y1 có điện sẽ đưa Van điều khiển XiLanh(A) về làm việc ở vị trí bên trái, nhờ lực ép của khí nén XiLanh(A) sẽ đẩy sản phẩm đi ra. XiLanh(A) đi ra hết hành trình tác động vào CTHT S2 cấp nguồn cho Y3, Y3 có điện sẽ đưa Van điều khiển XiLanh(B) về làm việc ở vị trí bên trái, nhờ lực ép của khí nén XiLanh(B) sẽ đưa động cơ khoan đi xuống thực hiện công việc khoan sản phẩm. XiLanh(B) đi ra hết hành trình (sản phẩm đã được khoan xong) tác động vào CTHT S4 cấp nguồn cho RơLe K2. RơLe K2 có điện sẽ đóng các tiếp điểm thường mở và mở các tiếp điểm thường đóng của K2, cắt nguồn ở tầng 1, cấp nguồn cho tầng 2, tầng 3 chưa có điện (Y1 và Y3 mất điện). Tầng 2 có điện cấp nguồn cho Y4, Y4 có điện đưa Van điều khiển XiLanh(B) về làm việc ở vị trí bên phải, nhờ lực ép của khí nén XiLanh(B) đưa động cơ khoan về vị trí ban đầu. Khi XiLanh(B) về hết hành trình sẽ tác động vào CTHT S3 cấp nguồn cho Y2, Y2 có điện đưa Van điều khiển XiLanh(A) về làm việc ở vị trí bên phải, nhờ lực ép của khí nén XiLanh(A) được đẩy về vị trí ban đầu. XiLanh(A) về hết hành trình tác động vào CTHT S1 cấp nguồn cho Y5, Y5 có điện đưa Van điều khiển XiLanh(C) về làm việc ở vị trí bên trái, nhờ lực ép của khí nén XiLanh(C) đi ra đẩy sản phẩm vào thùng chứa. XiLanh(C) đi ra hết hành trình tác động vào CTHT S6 cắt điện RơLe K1 và RơLe K2 (cắt nguồn tầng 1 và tầng 2, cấp nguồn cho tầng 3), Tầng 3 có điện cấp nguồn cho Y6. Khi Y6 có điện đưa Van điều khiển XiLanh(C) về làm việc ở vị trí bên phải, nhờ lực ép của khí nén XiLanh(C) được đẩy về vị trí ban đầu (hoàn thành một quy trình khoan sản phẩm tự động). Khi XiLanh(C) về hết hành trình sẽ tác động vào CTHT S5 chuẩn bị cho một quy trình khoan sản phẩm tiếp theo. CHƯƠNG 7: THUYẾT MINH TOÀN BỘ HỆ THỐNG 7.1. Mô hình tổng thể của hệ thống Mô hình hệ thống khoan tự động mà chúng em thiết kế dựa trên 2 nguyên tắc điều khiển: - Điều khiển bằng điện - khí nén. - Điều khiển bằng điện tử công suất. đảm bảo yêu cầu sau: - có khă năng nhận biết, phân loại từng loại sản phẩm cần khoan. Có 3 loại sản phẩm là nhôm, sắt, gỗ. - dùng điện khí nén để điều khiển công việc khoan sản phẩm: đẩy và kẹp sản phẩm, đưa mũi khoan xuống khoan sản phẩm và đẩy sản phẩm vào thùng chứa. - điều chỉnh tốc độ động cơ khoan cho phù hợp với từng loại sản phẩm. 7.2. Hoạt động của toàn bộ hệ thống 7.2.1. Các phần tử dùng trong hệ thống * Các phần tử dùng trong hệ thống bao gồm: - 3 xylanh làm nhiệm vụ đẩy, kẹp, điều khiển khoan, đẩy sản phẩm vào hộp chứa. - 3 van 5/2 điều khiển hành trình của 3 xylanh. - Một mạch điện tử công suất dùng để điều khiển tốc độ động cơ cho máy khoan sau khi sản phẩm được một cảm biến nhận biết và phân loại. - Các công tắc hành trình, cơ cấu bánh răng ăn khớp, Rơle … có nhiệm vụ chuyển đổi hành trình làm việc của động cơ, xylanh. 7.2.2. Nguyên lý hoạt động của hệ thống * Chu trình hoạt động 1 - Khi sản phẩm được đưa vào vị trí ban đầu => động cơ truyền động cho cảm biến sẽ đưa cảm biến xuống nhận biết loại sản phẩm. Sau khi cảm biến đã nhận biết và phân loại được sản phẩm thì xylanh A sẽ đẩy sản phẩm đi ra và kẹp sản phẩm tại vị trí cần khoan, kết thúc hành trình 1. * Chu trình hoạt động 2 - Sau khi xylanh A đẩy và kẹp sản phẩm, xylanh B sẽ đưa động cơ khoan đi xuống thực hiện khoan sản phẩm với tốc độ khoan phù hợp với từng loại vật liệu. - Sản phẩm sau khi được khoan sẽ được đẩy về thùng chứa nhờ xylanh C