Mạch điều khiển khí nén

1. Mục đích và yêu cầu

1.1. Mục đích

Cung cấp cho sinh viên kiến thức chung về điều khiển chuỗi xy-lanh để thực hiện các quy trình trong công nghiệp và nguyên lý thiết kế một mạch chuỗi điều khiển các xy-lanh.

1.2. Yêu cầu

Ứng dụng trong công nghiệp như các máy đánh bóng và chuyển động của các bộ phận trong dây chuyền sản xuất, mạch tự động yêu cầu hoạt động liên tục. Mặt khác, một chuỗi các thao tác được yêu cầu phải hoạt động theo đúng thứ tự. Nội dung chính của chương này sẽ đưa ra cách sử dụng các phần tử khí để thực hiện các nguyên tắc điều khiển tự động khác nhau.

2. Mạch điều khiển tự động

2.1. Điều khiển bán tự động

Van a được đặt cuối hành trình ra của piston. Đầu trục của piston khi ở cuối hành trình ra sẽ tác động van a đưa tín hiệu điều khiển cửa 1, 2 của van 5 cửa, piston tự động thực hiện hành trình vào cho dù hành trình ra vẫn đang được điều khiển bằng tay.

Hình 1. Điều khiển tự động xy-lanh tác động kép bằng tay.

Trong mạch điều khiển bán tự động, hoặc là hành trình vào, hoặc là hành trình ra sẽ được điều khiển tự động. Mạch bán tự động này có thể dễ dàng thực hiện bằng điện, lúc này van b là công tắc điện tác động lên van điện từ, van a là 1 công tắc hành trình tác động lên hướng còn lại của van điện từ.

Hình 2. Điều khiển bán tự động điện xy-lanh tác động kép.

2.2. Mạch khóa liên động

Chức năng của khóa liên động là:

Giảm thiểu sai sót do con người.
Giảm thiểu những tai nạn lao động.
Tránh hư hỏng máy móc, thiết bị.

Một chu trình khóa liên động bằng tay cho 1 chuỗi các thao tác ở đó xy-lanh A thực hiện hành trình ra, sau đó thì xy-lanh B thực hiện hành trình ra, A thực hiện hành trình vào, sau đó B thực hiện hành trình vào.

Hình 3. Mạch khóa liên động chuỗi thao tác A+ B+ A- B- .

Khi nhấn van điều khiển A, nguồn khí sẽ cấp thẳng vào cửa 4 của van này, tạo áp lực lên xy-lanh A, piston thực hiện hành trình ra và sau đó áp lực vào cửa 1 của van c tăng. Vậy chỉ sau khi xy-lanh A thực hiện hết hành trình ra thì van C mới được kích hoạt để gởi tín hiệu điều khiển van B và van B điều khiển xy-lanh B thực hiện hành trình ra. Khi không tác động vào điều khiển lên van A thì lò xo hồi của van này sẽ tác động, nguồn khí chuyển sang cấp cho cửa 2 của van A, điều khiển xy-lanh A thực hiện hành trình vào, nguồn khí đến van C mất, lò xo hồi của van B tác động điều khiển xy-lanh B thực hiện hành trình vào.

Hình 4. Mạch chuỗi khóa liên động điều khiển tay chuỗi A+ B+ A- B- .

2.3. Mạch xy lanh dao động tự động

Hình 5. Xy lanh dao đông tự động.

2.4. Mạch tự động điều khiển tốc độ 1 phần hành trình

Hình 6. Mạch tự động điều khiển tốc độ 1 phần hành trình.

Bộ điều chỉnh lưu lượng cho phép chúng ta điều khiển cả hành trình ra và hành trình vào của piston, nhưng thông thường chỉ yêu cầu điều khiển phần cuối của hành trình ra để tăng hiệu suất của hệ thống.

2.5. Mạch trễ tự động

Hình 7. Mạch trễ tự động.

Mạch trễ tự động được thực hiện khi biết trước thời gian giữa 2 thời điểm bắt đầu thực hiện hành trình ra và hành trình vào của 1 chuyển động tịnh tiến. Tại cuối mỗi hành trình piston, bình chứa xả khí tự do qua bộ điều chỉnh lưu lượng của nó và về cửa xả của van điều khiển. Bộ điều chỉnh lưu lượng yêu cầu chỉnh định cẩn thận để đảm bảo hoàn thành việc điều khiển đồng thời tạo được thời gian trễ ở cuối mỗi hành trình.

2.6. Điều khiển chuỗi

Nhiều máy tự động khí hoàn toàn được thiết kế để thực hiện các thao tác như định vị đối tượng, thao tác kẹp, hoặc ấn các vật theo 1 thứ tự định trước.

Xét 1 tay máy, di động theo 1 đường tròn, kẹp 1 vật thể, quay về lại vị trí trước đó, nhả vật thể ra trên 1 băng tải.

Như vậy, yêu cầu có 2 xy-lanh:

1 chuyển động quay theo 1 cung tròn.
1 thực hiện thao tác gắp.

Hình 8. Sơ đồ biểu diễn chuỗi hoạt động của các xy-lanh.

Mạch điều khiển chuỗi là mạch dễ nhất, thao tác này sẽ kích thích thao tác tiếp theo của chuỗi.

Hình 9. Mạch tự động điều khiển tay máy.

Khi ta khởi động mạch bằng van ngắt, đưa tín hiệu tới cửa 1 4 của van điều khiển A, xy-lanh A thực hiện hành trình ra, sau đó van A+ ngắt, kích thích cửa 1 4 của van B, xy-lanh B thực hiện hành trình ra, sau đó van B+ ngắt, đưa tín hiệu tới cửa 1 2 của van điều khiển a, xylanh A thực hiện hành trình vào, van a- ngắt, xy-lanh B thực hiện hành trình vào, van B- ngắt, … quá trình lặp lại.

2.6.1. Mạch chuỗi có trễ thời gian

Hình 10. Mạch tạo trễ tự động cho chuỗi A+ B+ A- B-.

Đôi khi mạch chuỗi cũng cần có trễ thời gian để cho phép 1 bộ phận nào đó dịch chuyển về vị trí trước khi khởi động chuỗi.

Mạch trễ này có thể thực hiện được bằng cách dùng bình chứa và 1 van điều chỉnh lưu lượng đặt ở vị trí R. Cửa 2 của van ngắt nối với cửa 1 của van điều chỉnh lưu lượng, sau đó khí qua van điều chỉnh lưu lượng vào bình chứa và đến cửa 1 4 của van điều khiển a.

Những van con lăn hành trình (roller-trip) được thay bằng những bình chứa và van điều chỉnh lưu lượng do đó mỗi thao tác có 1 thời gian trễ trước lúc kích thích phần tiếp theo của chuỗi. Khi tác động van ngắt khởi động chuỗi, xylanh A thực hiện hành trình ra và duy trì 1 áp suất tại W và sau đó nạp cho bình chứa R1, sau 1 thời gian trễ nào đó, van b được điều khiển để thực hiện hành trình ra của xy-lanh. Quá trình lặp lại trong mỗi giai đoạn hoạt động. Mạch trễ này cần phải được chỉnh định cẩn thận để mạch hoạt động đúng và nói chung nó không đủ tin cậy để sử dụng trong những mạch điều khiển chuỗi phức tạp.

2.6.2. Mạch chuỗi nhiều xy-lanh

Cũng như 2 nửa của chuỗi có cùng thứ tự các chữ cái, chúng ta có thể thiết kế chuỗi có nhiều xy-lanh. Một chuỗi 3 xy-lanh A+, B-, C+, A-, B+, C- cũng giống 1 mạch điều khiển chuỗi đơn giản và chúng ta có thể nối các bộ phận theo nguyên tắc phần tử này kích thích phần tử tiếp theo.

Hình 11. Mạch tự động cho chuỗi A+ B- C+ A- B+ C-.

2.6.3. Mạch chuỗi không khả thi

Nếu 1 quá trình cần dịch chuyển 1 bộ phận, ép mạnh xuống, nhấc lên, đưa về chỗ cũ, mạch sẽ được thiết kế theo chuỗi A+, B+, B-, A-. Nửa sau của chuỗi hoạt động theo thứ tự ngược lại.Việc nối mạch đơn giản như các mạch trước, nhưng với những hoạt động xy-lanh theo thứ tự mới, chỉ ra rằng chuỗi này tắc tín hiệu khí và không thể hoạt động được như 1 mạch chuỗi đơn giản.

Hình 12. Một mạch chuỗi A+ B+ B- A- không thể hoạt động được.

Khi khởi động xy-lanh A thực hiện hành trình ra, van a+ gởi tín hiệu điều khiển cửa 1 4 của van b, tín hiệu này được duy trì cho đến khi xy-lanh A rút về. Xy-lanh B thực hiện hành trình ra kích thích van b+ gởi tín tới cửa 1 2 của van điều khiển b. Tín hiệu này dĩ nhiên không có tác dụng vì lúc này cửa 1 4 vẫn có tín hiệu duy trì. Do đó mạch này không thể hoạt động được.

2.6.4. Tín hiệu xung

Một phương pháp đơn giản để khắc phục vấn đề tín hiệu duy trì này là sử dụng thiết bị ngắt 1 chiều cho van a+ để nó hoạt và nhả trong hành trình ra của xy-lanh A và vì thế cung cấp tín hiệu xung điều khiển van b.

Tín hiệu xung cung cấp bởi 1 bình chứa là 1 cách để đảm bảo rằng tín hiệu không được duy trì và có thể được sử dụng trong mạch trên cho phép hoàn tất chuỗi.

Hình 13. Mạch cung cấp tín hiệu xung cho van điều khiển.

Khi khởi động van a+, nguồn khí sẽ bị đóng lại và bình chứa xả qua cửa 1 4 của van điều khiển b, phần khí còn lại sẽ bị xả đi cho phép van b+ đưa tín hiệu điều khiển van b dịch chuyển xy-lanh B thực hiện hoàn tất chuỗi A+, B-, B+, A-.

Những tín hiệu xung này không tin cậy và nói chung không ổn định trong những mạch dùng tín hiệu duy trì trước đây, vì vậy trong nhiều trường hợp cần thiết kế mạch phức tạp hơn.

2.6.5. Mạch chuỗi ngược

A+, B+, C+, C-, B-, A- là một ví dụ về mạch điều khiển chuỗi ngược trong đó xy-lanh chuyển động về theo 1 thứ tự ngược lại. Việc thiết mạch này phức tạp hơn.

2.7. Điều khiển phân nhóm nối tiếp các chuỗi

Hệ thống nối tiếp cung cấp công cụ loại bỏ những tín hiệu duy trì trên các van điều khiển ngăn cản sự hoàn thành chuỗi như là A+, B-, B+, A-. Điều này có thể thực hiện được bằng cách thêm vào một vài van điều khiển và định hướng lại vài tín hiệu nhưng ngược lại giữ nguyên cơ cấu và vị trí của các xy-lanh và van điều khiển cũng như van ngắt.

2.7.1. Mạch nối tiếp 2 nhóm, 2 xy-lanh

Xét lại mạch chuyển động và gắp vật thể theo chuỗi A+, B+, B-, A-.

Chuỗi phải được chia thành nhiều nhóm, mỗi nhóm bao gồm vài ký tự, không để ý đến dấu. Chúng ta có 2 nhóm:

Nhóm 1: A+, B+.
Nhóm 2: B-, A-.

Việc chuyển nguồn khí có thể thực hiện bằng van điều khiển 5 cửa có 2 cửa khí điều khiển.

Hình 14. Van chuyển nhóm.

Hình 15. Mạch nối tiếp của chuỗi A+ B+ B- A-.

Khởi động van c với nguồn khí đang nối vào nhóm 1, dịch chuyển xy-lanh A ra, tác động ngắt van a+, sau đó kích thích van b dịch xy-lanh B ra, tác động ngắt b+.

Van b+ tạo tín hiệu chuyển nguồn khí từ nhóm 1 sang nhóm 2. Lúc này cửa 4 của van chuyển truyền 1 tín hiệu khí tới van a- và b- sao cho chúng có thể hoat động khi nhận tín hiệu.

Nó cũng tạo tín hiệu điều khiển van b để kích thích xy-lanh B thực hiện chu trình vào, tác động lên b- điều khiển xy-lanh A thực hiện hành trình vào.

Vậy ta có chuỗi: A+, B+, B-, A-.

2.7.2. Mạch nối tiếp 2 nhóm, 3 xy-lanh

Xét chuỗi: A-, A+, B-, C-, C+, B+.

Ta chia thành 3 nhóm khí:

Nhóm 1: A-.
Nhóm 2: A+, B-, C-.
Nhóm 3: C+, B+ (nhóm 3 có thể ghép chung với nhóm 1).

Điều cơ bản là chia chuỗi thành càng ít nhóm càng tốt. Một van ngắt có thể được đưa vào vị trí thích hợp trong mạch.

Hình 16. Mạch tự động với chuỗi A+ B- C- C+ B+ A-.

2.7.3. Mạch nối tiếp nhiều nhóm

Có 2 phương pháp để thiết kế hệ thống van chuyển nhóm.

Một mạch nối tiếp với hơn 2 nhóm khí có thể sử dụng nhiều van chuyển đổi kép 5 cửa điều khiển bằng khí.

Một kiểu khác cho mạch nối tiếp 4 nhóm là chỉ dùng 3 van chuyển đổi

Các mạch này vẫn yêu cầu van chuyển đổi kép 5 cửa và 2 van điều khiển dừng cho mỗi xy-lanh, chúng vẫn yêu cầu van ON/OFF, nó được đặt ở chuyển động thứ nhất trong vòng để khi dừng thì cả các phần tử trong hệ thống ở vị trí ban đầu.

Hình 17. Mạch nối tiếp 3 nhóm sử dụng 3 van chuyển đổi.

Hình 18. Mạch nối tiếp 4 nhóm sử dụng 4 van chuyển đổi.

2.7.4. Thiết kế mạch nối tiếp nhiều nhóm

Giả sử cần thiết kế cho chuỗi sau: A+, B+, B-, C+, C-, D+, A-, D-.

Các bước thực hiện như sau:

Bước 1: Tách chuỗi thành các nhóm, càng ít nhóm càng tốt.

Hình 19. Biểu diễn vòng của chuỗi A+ B+ B- C+ C- D+ A- D-.

Bước 2: Xác định các phần tử trong mạch.

Cần có: 4 xy-lanh, 4 van điều khiển khí kép, 8 van ngắt 3 cửa, một số tối thiểu các van chuyển đổi nhóm và 1 van ON/OFF.

Bước 3: Vẽ các phần tử trong mạch, với các thanh góp nối tới mỗi van chuyển đổi nhóm.

Nhóm 1 được nối tới cửa 1 của của các van ngắt d-, a+, b+.

Nhóm 2 nối tới cửa 1 của van b-, c+.

Nhóm 3 nối tới cửa 1 của van c-, d+, a-.

Bước 4: Nối mạch theo chuỗi.

2.7.5. Biểu đồ chuỗi

Biểu đồ chuỗi dùng để minh họa 1 cách đơn giản sự hoạt động của mạch. Đồng thời nó cũng cần thiết trong việc tạo ra sơ đồ chuỗi để thiết kế mạch.

Hình 20. Mạch tự động chuỗi A+ B+ A- B-.

Hình 21. biểu đồ chuỗi A+ B+ A- B-.

Xét mạch của chuỗi A+, B+, A-, B-, van a+ và a- đặt ở cuối hành trình ra và vào của xylanh A, a+ điều khiển B thực hiện hành trình ra và a- điều khiển B thực hiện hành trình vào. Điều này và những chuyển động tạo bởi b+, b- có thể được biểu diễn trong biểu đồ chuỗi mà nó biểu diễn xy-lanh ở điểm cuối của nó bằng đường nằm ngang và chuyển động của nó bằng các đường chéo.

Một đường chéo có độ dốc dương nối từ điểm – đến điểm + biểu diễn cho 1 hành trình ra và ngược lại. Tại điểm cuối của đường này, 1 van điều khiển nào đó được tiếp xúc tự động và tác động điều khiển thao tác tiếp theo.

Xy-lanh A được vẽ chuyển động dương (hành trình ra) và tiếp xúc với a+, sau đó điều khiển B thực hiện hành trình ra. Do đó ở cuối của đường chéo chỉ thị chuyển động A+ thì ký hiệu a+ và điểm này được nối thẳng đứng tới B- , sau đó nối chéo tới B+.

Ở đây van điều khiển b+ nối thẳng đứng tới A+ và đường chéo tiếp theo tới A- chỉ thị hành trình vào của A, a- được nối thẩng đướng tới B+ và đường chéo tiếp theo tới B- chỉ thị hành trình vào của B, hoàn tất 1 chu kỳ.