Phần 2: Nguyên Lý và Ứng Dụng của Hệ Truyền Động Khí Nén

Hệ truyền động khí nén đóng vai trò cốt lõi trong nền công nghiệp hiện đại. 66 trang · Trường Đại Học Kỹ Thuật · 2023.

• Trường học: Trường Đại Học Kỹ Thuật
• Chuyên ngành: Cơ Điện Tử
• Đề tài: Tìm Hiểu Nguyên Lý và Ứng Dụng của Hệ Truyền Động Khí Nén
• Loại tài liệu: tiểu luận
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• 2. PHẦN 2: HỆ TRUYỀN ĐỘNG KHÍ NÉN
• 2.1. BT3: Tổng quan về hệ truyền động khí nén; So sánh đặc điểm với hệ truyền động thủy lực
• 2.1.1. So sánh đặc điểm với hệ truyền động thủy lực
• 2.1.2. Nguyên lý truyền động
• 2.1.3. Sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển và các phần tử
• 2.1.4. Ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng
• 2.1.4.1. Ưu điểm
• 2.1.4.2. Nhược điểm
• 2.1.4.3. Khả năng ứng dụng
• 2.2. BT4: Các phần tử khí nén và điện khí nén
• 2.2.1. Cơ cấu chấp hành
• 2.2.1.1. Xi lanh
• 2.2.1.2. Động cơ khí nén
• 2.2.2. Van đảo chiều
• 2.2.3. Van chặn
• 2.2.3.1. Van 1 chiều
• 2.2.3.2. Van logic OR
• 2.2.3.3. Van logic AND
• 2.2.3.4. Van xả khí nhanh
• 2.2.3.5. Van giảm âm
• 2.2.4. Van tiết lưu
• 2.2.4.1. Van tiết lưu có tiết diện không thay đổi
• 2.2.4.2. Van tiết lưu có tiết diện thay đổi
• 2.2.4.3. Van tiết lưu một chiều
• 2.2.5. Van điều chỉnh thời gian
• 2.2.5.1. Rơ le thời gian đóng chậm
• 2.2.5.2. Rơ le thời gian ngắt chậm
• 2.2.6. Van chân không
• 2.2.7. Cảm biến bằng tia
• 2.2.7.1. Cảm biến bằng tia rẽ nhánh
• 2.2.7.2. Cảm biến bằng tia phản hồi
• 2.2.7.3. Cảm biến bằng tia qua khe hở
• 2.3. BT5: Phân biệt (về ký hiệu) giữa hệ truyền động thủy lực và hệ TĐ khí nén
• 2.3.1. Xilanh
• 2.3.2. Ký hiệu van đảo chiều
• 2.3.3. Van điều chỉnh áp suất
• 2.3.4. Bộ lọc
• 2.3.5. Bể dầu và bình chứa khí
• 2.4. BT6: Các phương pháp điều khiển khí nén (Sơ đồ, nguyên lý hoạt động và biểu đồ trạng thái)
• 2.4.1. Điều khiển bằng tay
• 2.4.2. Mạch khí nén điều khiển theo hành trình
• 2.4.3. Điều khiển theo thời gian
• 2.4.3.1. Điều khiển theo thời gian có chu trình lặp lại bằng tay
• 2.4.3.2. Điều khiển theo thời gian có chu trình lặp lại tự động
• 2.4.4. Mạch khí nén điều khiển theo tầng
• 2.4.4.1. Nguyên lý chuyển đổi tầng
• 2.4.4.2. Mạch khí nén điều khiển 2 tầng
• 2.4.4.3. Mạch khí nén điều khiển 3 tầng
• 2.5. BT7: Các phương pháp điều khiển điện khí nén
• 2.5.1. Các phần tử điều khiển
• 2.5.1.1. Công tắc
• 2.5.1.2. Công tắc hành trình và cảm biến

Tóm tắt

I. Tổng quan cấu tạo và nguyên lý hệ truyền động khí nén

Hệ truyền động khí nén đóng vai trò cốt lõi trong nền công nghiệp hiện đại. Thiết bị sử dụng không khí nén để truyền tải lực và điều khiển chuyển động. Nguyên lý vận hành bắt đầu từ việc cơ năng làm quay máy nén khí. Quá trình nén tạo ra áp suất và lưu lượng khí. Nguồn khí nén tích lũy thế năng trong bình chứa chuyên dụng. Khí nén tiếp tục đi qua các phần tử xử lý và điều khiển tín hiệu. Sau cùng, áp lực khí tác động lên cơ cấu chấp hành như xi lanh hoặc động cơ khí. Quá trình biến đổi năng lượng diễn ra nhanh chóng. Thế năng khí nén chuyển đổi hoàn toàn thành cơ năng hữu ích. Cơ cấu tạo ra chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay liên tục. Toàn bộ chu trình hoạt động khép kín và có độ tin cậy cơ học cao. Khí nén không gây cháy nổ trong điều kiện vận hành khắc nghiệt. Nguồn không khí tự nhiên dồi dào giúp giảm tải áp lực chi phí nguyên liệu. Các nhà máy luôn ưu tiên giải pháp khí nén cho các dây chuyền lắp ráp linh kiện. Hệ thống đáp ứng linh hoạt các yêu cầu sản xuất tự động với chu kỳ lặp lại cao.

1.1. Cấu trúc các khối chức năng cơ bản

Mạch điều khiển khí nén bao gồm bốn khối chức năng chính. Đầu tiên là khối nguồn cung cấp khí nén. Khối này gồm máy nén, bình tích áp và bộ lọc khí. Tiếp theo là khối đưa tín hiệu điều khiển. Cụm thiết bị gồm các nút bấm cơ khí và công tắc hành trình. Khối thứ ba đảm nhiệm chức năng xử lý tín hiệu. Bộ phận này sử dụng các van logic hoặc rơ le thời gian. Khối cuối cùng là cơ cấu chấp hành tiếp nhận dòng khí nén. Khối này sinh công để thực hiện tác vụ cơ học. Xi lanh khí nén tạo chuyển động đẩy kéo tịnh tiến. Động cơ khí tạo chuyển động quay trục công tác. Sự phối hợp đồng bộ giữa các khối đảm bảo độ chính xác vận hành.

1.2. Cơ cấu chấp hành và biến đổi năng lượng

Cơ cấu chấp hành chịu trách nhiệm biến đổi thế năng khí nén thành động năng cơ học. Xi lanh khí nén là thiết bị chấp hành thông dụng nhất hiện nay. Cấu tạo xi lanh gồm thân vỏ, nòng pít tông, trục truyền động và vòng đệm làm kín. Khi khí nén tràn vào khoang làm việc, pít tông dịch chuyển tạo lực đẩy. Xi lanh tác động kép cho phép thực hiện hành trình sinh công theo cả hai chiều. Ngoài chuyển động thẳng, động cơ khí nén cung cấp chuyển động quay liên tục với dải tốc độ cao. Động cơ cánh gạt và pít tông khí nén hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt. Thiết bị không phát sinh tia lửa điện khi quá tải đột ngột. Đặc tính này mang lại độ an toàn kỹ thuật vượt trội cho toàn hệ thống.

II. Phân tích ưu nhược điểm của hệ truyền động khí nén

Hệ truyền động khí nén sở hữu nhiều ưu điểm cơ học nhưng cũng tồn tại các hạn chế kỹ thuật rõ nét. Ưu điểm nổi bật nhất là khả năng truyền dẫn năng lượng đi xa dễ dàng. Môi chất làm việc là không khí có sẵn vô tận trong tự nhiên. Sau khi sinh công, khí nén xả trực tiếp ra ngoài khí quyển mà không gây ô nhiễm môi trường. Chi phí lắp đặt và bảo dưỡng thiết bị khí nén thấp hơn nhiều so với hệ thống thủy lực. Các linh kiện khí nén có tính chống cháy nổ tuyệt đối trong môi trường hóa chất. Tuy nhiên, tính chất đàn hồi cao của không khí tạo nên trở ngại lớn về điều khiển vận tốc. Tải trọng thay đổi khiến vận tốc dịch chuyển của pít tông kém ổn định. Lực ép tạo ra bởi khí nén thấp hơn đáng kể so với áp lực dầu thủy lực. Hệ thống thường chỉ hoạt động hiệu quả ở mức áp suất từ sáu đến mười bar. Tiếng ồn phát sinh từ cổng xả khí cũng là một vấn đề cần xử lý triệt để. Độ ẩm dư thừa trong khí nén dễ gây han gỉ các chi tiết cơ khí bên trong nòng xi lanh. Các kỹ sư phải luôn cân nhắc kỹ các yếu tố kỹ thuật này khi thiết kế máy móc.

2.1. So sánh đặc tính với hệ truyền động thủy lực

Hệ khí nén và hệ thủy lực có nhiều khác biệt căn bản về môi chất truyền dẫn. Hệ thống thủy lực sử dụng dầu khoáng với áp suất làm việc rất cao. Áp lực dầu lớn cho phép cơ cấu truyền động tải nặng với độ êm tuyệt đối. Dầu thủy lực hầu như không chịu nén nên vận tốc làm việc rất ổn định. Ngược lại, hệ khí nén có áp suất làm việc thấp hơn. Thiết bị khí nén có kích thước cồng kềnh hơn thủy lực khi so cùng công suất sinh lực. Tuy nhiên, khí nén lại vượt trội về độ an toàn và mức độ sạch sẽ. Hiện tượng rò rỉ khí nén không gây nguy cơ cháy nổ hoặc bẩn bề mặt máy. Ngược lại, dầu thủy lực rò rỉ gây ô nhiễm nghiêm trọng và tiềm ẩn rủi ro hỏa hoạn nhà xưởng.

2.2. Vấn đề tiếng ồn và độ ổn định vận tốc

Tính đàn hồi của dòng khí gây cản trở lớn đến việc kiểm soát vị trí chính xác. Khi cơ cấu chịu ngoại lực biến thiên, nòng xi lanh dễ bị giật cục hoặc rung lắc. Hiện tượng này ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng gia công cơ khí chính xác cao. Bên cạnh đó, tiếng ồn là nhược điểm thường gặp trên các đường ống truyền động. Khí nén áp suất cao khi xả ra môi trường tạo sóng âm tần số lớn. Tiếng rít liên tục làm gia tăng độ ồn chung trong không gian xưởng sản xuất. Vấn đề rò rỉ khí nén tại các khớp nối cũng gây tổn thất năng lượng nghiêm trọng. Lượng khí thất thoát làm suy giảm hiệu suất và tăng chi phí chạy máy nén liên tục. Việc nhận diện đúng các hạn chế giúp nhà máy đưa ra giải pháp khắc phục kịp thời.

III. Giải pháp điều khiển tối ưu cho hệ truyền động khí nén

Để khắc phục nhược điểm cơ học, các kỹ sư ứng dụng nhiều phương pháp điều khiển khí nén tiên tiến. Mạch khí nén cơ bản phân chia thành điều khiển trực tiếp và gián tiếp qua nút ấn. Hệ thống tự động nâng cao sử dụng điều khiển theo hành trình hoặc rơ le thời gian. Phương pháp điều khiển theo hành trình dùng công tắc cơ khí để xác định vị trí pít tông. Tín hiệu tiếp xúc kích hoạt van đảo chiều chuyển trạng thái làm việc tiếp theo. Điều khiển theo thời gian giúp duy trì lực ép cố định trong chu trình dập vật liệu. Khi mạch có nhiều xi lanh chuyển động đan xen, hiện tượng trùng tín hiệu điều khiển thường xuyên xuất hiện. Giải pháp điều khiển theo tầng hai tầng hoặc ba tầng xử lý triệt để xung đột tín hiệu này. Nguồn khí được cấp tuần tự cho từng tầng van thông qua các đường nhánh riêng biệt. Ngoài ra, việc kết hợp điện - điện tử với khí nén tạo nên hệ điều khiển điện khí nén tối ưu. Sự kết hợp này mang lại khả năng xử lý logic phức tạp với tốc độ cực nhanh.

3.1. Phương pháp điều khiển theo tầng và logic

Phương pháp điều khiển theo tầng giải quyết triệt để lỗi nghẽn tín hiệu trong chu trình phức tạp. Nguyên tắc cốt lõi là chia chu trình làm việc thành nhiều tầng độc lập. Tại mỗi thời điểm, nguồn khí chỉ cung cấp cho duy nhất một tầng làm việc. Các tầng còn lại bị ngắt hoàn toàn để triệt tiêu dòng khí dư thừa. Các van đảo chiều và van logic AND, OR đóng vai trò phân tầng chính xác. Van logic OR tiếp nhận tín hiệu từ các vị trí thao tác độc lập khác nhau. Van logic AND chỉ mở đường khí khi có đủ đồng thời hai tín hiệu đầu vào. Sự kết hợp các van logic bảo đảm quy trình cơ khí thực hiện đúng trật tự định sẵn. Mạch tầng hạn chế tối đa nguy cơ kẹt van hoặc thao tác nhầm lẫn.

3.2. Ứng dụng điều khiển điện khí nén hiện đại

Hệ điều khiển điện khí nén kết hợp ưu thế của dòng điện và khí nén áp lực. Phần xử lý tín hiệu sử dụng công tắc, rơ le điện và cảm biến vị trí hành trình. Các nút bấm thường mở, thường đóng gửi dòng điện một chiều đến cuộn hút van điện từ. Van điện từ solenoid đóng mở tức thì để phân phối dòng khí đến xi lanh chấp hành. Tín hiệu điện truyền đi với tốc độ cao và không bị suy hao áp suất trên đường dài. Cảm biến từ nhận biết chính xác vị trí pít tông mà không cần va chạm cơ khí. Giải pháp này giúp loại bỏ hoàn toàn các đường ống tín hiệu rườm rà trong tủ điều khiển. Toàn bộ hệ thống vận hành linh hoạt, dễ lập trình và thuận tiện nâng cấp bảo trì.

IV. Ứng dụng thực tế của hệ truyền động khí nén hiện đại

Hệ truyền động khí nén khẳng định vị thế không thể thay thế trong các dây chuyền công nghiệp hiện đại. Độ an toàn cao và tính chất sạch sẽ giúp công nghệ này thống trị các môi trường sản xuất khắt khe. Ngành chế biến thực phẩm và đóng gói dược phẩm tận dụng tối đa lợi thế khí xả không độc hại. Các cánh tay gắp khí nén chuyển đổi linh hoạt giúp xếp hộp và đóng nắp chai tự động nhanh chóng. Trong sản xuất linh kiện điện tử, cơ cấu kẹp khí nén thao tác nhẹ nhàng trên các vi mạch mỏng manh. Môi trường lắp ráp phòng sạch đòi hỏi nghiêm ngặt về độ sạch mà dầu thủy lực không thể đáp ứng. Ngoài ra, ngành công nghiệp nặng cũng ứng dụng rộng rãi các công cụ va đập dùng khí nén. Búa khoan đá và máy đục khí nén mang lại hiệu năng ổn định tại các mỏ khoáng sản. Thiết bị phun sơn tự động dùng áp lực khí phân tán đều hạt sơn trên bề mặt kim loại. Các dây chuyền rửa xe tự động và gia công gỗ công nghiệp đều vận hành nhờ nguồn khí này. Tương lai của khí nén gắn liền với tự động hóa số hóa thông minh và tiết kiệm năng lượng.

4.1. Lĩnh vực sản xuất thực phẩm và điện tử sạch

Ngành chế biến thực phẩm và y sinh yêu cầu tiêu chuẩn vệ sinh vô trùng tuyệt đối. Sự xuất hiện của dầu mỡ bôi trơn từ các cơ cấu máy móc là điều cấm kỵ. Hệ truyền động khí nén đáp ứng hoàn hảo yêu cầu này nhờ nguồn khí lọc sạch sẽ. Các cơ cấu xi lanh khí nén vận hành trực tiếp trên băng chuyền đóng gói bánh kẹo và sữa hộp. Khí xả thoát ra ngoài môi trường không để lại cặn bẩn hay mùi hóa chất độc hại. Trong dây chuyền sản xuất bán dẫn điện tử, lực kẹp của khí nén điều chỉnh rất tinh vi. Cánh tay kẹp khí nén giữ chặt tấm vi mạch mà không làm nứt vỡ cấu trúc vi mô. Độ nhạy cơ học cao giúp tăng năng suất đóng gói và giảm thiểu tỷ lệ sản phẩm lỗi hỏng.

4.2. Ứng dụng trong khai khoáng và chế tạo cơ khí

Các ngành khai thác mỏ và cơ khí chế tạo tận dụng triệt để đặc tính chống cháy nổ của khí nén. Các hầm lò sâu chứa nhiều khí gas mê tan nguy hiểm luôn cấm sử dụng động cơ điện hở. Động cơ khí nén và máy khoan đập vận hành mạnh mẽ mà không sinh ra tia lửa điện. Thiết bị khí nén có khả năng chịu quá tải liên tục mà không gây cháy hỏng cuộn dây động cơ. Trong các xưởng cơ khí, máy mài khí nén và súng xiết bu lông khí nén hỗ trợ thao tác nhanh gọn. Dây chuyền phun sơn tĩnh điện sử dụng luồng khí nén ổn định để tạo màng sơn mịn màng trên vỏ xe. Khả năng làm việc bền bỉ trong môi trường nhiều bụi bẩn khẳng định ưu thế vượt bậc của hệ thống khí nén.

Nội dung chính

Tổng quan về giáo trình

Giáo trình Tìm Hiểu Nguyên Lý và Ứng Dụng của Hệ Truyền Động Khí Nén là tài liệu học tập chuyên ngành kỹ thuật, trực thuộc khối kiến thức cơ sở ngành và chuyên ngành trong chương trình đào tạo kỹ sư Cơ khí, Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại các trường đại học kỹ thuật.

Mục tiêu học tập của tài liệu tập trung vào việc trang bị cho người học các kiến thức nền tảng về nguyên lý biến đổi năng lượng từ cơ năng sang thế năng khí nén và ngược lại; phân tích cấu tạo, nguyên lý vận hành của các phần tử chấp hành, phần tử điều khiển, phần tử logic và cảm biến khí nén; nắm vững quy chuẩn ký hiệu kỹ thuật; đồng thời hình thành năng lực thiết kế, phân tích và lắp ráp các mạch điều khiển khí nén thuần túy cũng như mạch điều khiển điện – khí nén.

Về cấu trúc và cách tiếp cận, giáo trình được tổ chức tuần tự từ phân tích so sánh định tính và định lượng giữa hai phương thức truyền động cơ bản (thủy lực và khí nén), tiến tới khảo sát cấu tạo chi tiết của các phần tử phần cứng, chuẩn hóa hệ thống ký hiệu quy ước theo tiêu chuẩn quốc tế, và cuối cùng là phương pháp luận thiết kế sơ đồ mạch logic.

Điểm đặc thù của tài liệu thể hiện ở tính trực quan và gắn liền với thực tiễn thiết kế công nghiệp: phân định rõ ràng các hệ thống ký hiệu giữa chuẩn châu Âu (EU) và chuẩn Mỹ (US), xây dựng phương pháp biểu diễn mạch thông qua biểu đồ trạng thái, và đưa ra giải pháp kỹ thuật giải quyết bài toán triệt tiêu tín hiệu đối kháng bằng phương pháp phân tầng (2 tầng, 3 tầng).

---

Nội dung kiến thức cốt lõi

Các chương/chủ đề chính

Cấu trúc nội dung giáo trình được triển khai qua hệ thống các bài học và bài tập chuyên đề mang tính liên kết chặt chẽ:

• Chuyên đề Tổng quan và So sánh đặc tính (BT3): Khảo sát tổng thể hệ truyền động khí nén và đối chiếu với hệ truyền động thủy lực trên 10 tiêu chí kỹ thuật: kích thước hình học, môi chất làm việc (chất lỏng/dầu so với không khí nén), bộ phận biến đổi năng lượng (bơm/xi lanh/động cơ thủy lực so với máy nén/xi lanh/động cơ khí), áp suất làm việc, độ an toàn, độ tin cậy, chi phí - giá thành, mức độ ô nhiễm môi trường, khả năng làm việc ổn định tải trọng và khả năng tích hợp điều khiển điện - điện tử.
• Chuyên đề Phần tử khí nén và điện khí nén (BT4): Nghiên cứu cấu tạo, ký hiệu và nguyên lý hoạt động của:
  • Cơ cấu chấp hành: Xi lanh tác dụng đơn (1 chiều), xi lanh tác dụng kép (2 chiều) có bộ phận giảm chấn điều chỉnh được hoặc không điều chỉnh được (gồm đệm kín, bạc dẫn hướng, piston seal, guide bush, cushioning piston), xi lanh quay bằng thanh răng; Động cơ khí nén quay một chiều, quay hai chiều và động cơ khí nén kiểu lá (cánh gạt).
  • Hệ thống van điều khiển: Van đảo chiều (3/2, 5/2); Van chặn (van một chiều, van logic OR hai cửa vào $P_1, P_2$, van logic AND đồng thời, van xả khí nhanh lắp gần xi lanh); Van giảm âm; Van tiết lưu (tiết diện không đổi, tiết diện thay đổi, tiết lưu một chiều); Van điều chỉnh thời gian (rơ le thời gian đóng chậm và ngắt chậm); Van chân không hoạt động theo nguyên lý Venturi; Cảm biến khí nén bằng tia không tiếp xúc (tia rẽ nhánh, tia phản hồi, tia qua khe hở).
• Chuyên đề Chuẩn hóa và Phân biệt ký hiệu kỹ thuật (BT5): Đối chiếu trực quan các quy ước ký hiệu sơ đồ giữa thủy lực và khí nén:
  • Xi lanh: Mũi tên chỉ hướng năng lượng màu đen đặc (thủy lực) so với màu trắng rỗng (khí nén).
  • Van đảo chiều: Ký hiệu đường cấp dẫn dầu từ bể vào và hồi về bể chứa so với đường cấp khí từ bình chứa và xả tự do ra môi trường.
  • Van điều chỉnh áp suất (Van an toàn): Cửa xả dầu hồi về bể chứa so với cửa xả khí nén $R$ thải trực tiếp ra ngoài khí quyển khi quá áp.
  • Bộ lọc: Hệ thống lọc hút, lọc hồi, lọc đẩy trong thủy lực so với cụm lọc khí nén gồm 4 thành phần (phần tử lọc, van xả cặn, khoang nước đọng, lá ngăn cách).
  • Cơ cấu tích trữ: Bể dầu hở/kín so với bình chứa khí chịu áp lực.
• Chuyên đề Các phương pháp điều khiển khí nén (BT6): Cung cấp nguyên lý hoạt động, sơ đồ kết nối và biểu đồ trạng thái cho 4 phương thức điều khiển:
  1. Điều khiển bằng tay: Mạch điều khiển trực tiếp và mạch điều khiển gián tiếp cho xi lanh tác dụng đơn bằng nút ấn van 3/2.
  2. Điều khiển hành trình: Mạch lặp lại bằng tay và lặp lại tự động sử dụng công tắc hành trình con lăn van 3/2 phối hợp van đảo chiều chính 5/2 điều khiển xi lanh 2 chiều.
  3. Điều khiển thời gian: Mạch chu trình lặp lại bằng tay và lặp lại tự động ứng dụng rơ le thời gian đóng/ngắt chậm kết hợp van tiết lưu một chiều và bình tích áp.
  4. Điều khiển theo tầng: Nguyên lý chuyển đổi dòng cấp nguồn giữa các đường tầng (Tầng I, Tầng II, Tầng III, Tầng IV) nhằm triệt tiêu hiện tượng trùng lặp tín hiệu điều khiển trên van đảo chiều trong mạch điều khiển 2 tầng và 3 tầng cho nhiều xi lanh.
• Chuyên đề Kỹ thuật điều khiển điện – khí nén (BT7): Khảo sát các phần tử điện điều khiển: nút ấn chuyển mạch, nút ấn thường mở (tiếp điểm 3-4), nút ấn thường đóng (tiếp điểm 1-2); công tắc hành trình con lăn; quy chuẩn ký hiệu tiếp điểm và phần tử đóng cắt theo tiêu chuẩn châu Âu (EU) và tiêu chuẩn Mỹ (US).

Kiến thức nền tảng được xây dựng

Giáo trình thiết lập các khối kiến thức lý thuyết cơ sở bao gồm:

• Nguyên lý chuyển hóa chu trình năng lượng: Cơ năng từ nguồn dẫn động quay máy nén khí $\rightarrow$ Biến đổi thành thế năng khí nén đặc trưng bởi hai đại lượng áp suất ($p$) và lưu lượng ($Q$) tích trữ trong bình chứa $\rightarrow$ Dẫn qua hệ thống xử lý tín hiệu và điều khiển $\rightarrow$ Biến đổi trở lại thành cơ năng ở dạng chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay tại cơ cấu chấp hành.
• Nguyên lý khí động học chân không: Sự tạo áp suất âm dựa trên hiệu ứng Venturi khi dòng khí nén từ 1,5 bar đến 10 bar đi qua ống thắt và thoát qua cửa xả $R$, tạo áp suất chân không tại cửa $U$ đạt giá trị tới 0,7 bar, sinh lực hút giữ chi tiết cơ khí lên tới 200 N tùy thuộc đường kính đĩa hút cao su.
• Đại số logic và cấu trúc cổng điều khiển: Quy ước đánh số các cửa van tiêu chuẩn: Cửa cấp nguồn khí nén là 1 ($P$); Cửa làm việc nối tới cơ cấu chấp hành là 2 ($A$), 4 ($B$); Cửa xả khí ra môi trường là 3 ($R$), 5 ($S$); Cửa tín hiệu điều khiển tác động là 12 ($X$), 14 ($Y$). Xây dựng hàm logic OR (cửa $P_1, P_2$ tác động con trượt) và hàm logic AND cho bài toán điều kiện an toàn đồng thời.

Kỹ năng phát triển

• Kỹ năng kỹ thuật: Khả năng đọc, giải mã và vẽ đúng bản vẽ sơ đồ mạch khí nén, điện khí nén theo tiêu chuẩn quốc tế; xác định chính xác chức năng từng cửa van thông qua hệ thống ký hiệu số; tính toán lựa chọn xi lanh giảm chấn và giác hút chân không tương thích bề mặt sản phẩm.
• Kỹ năng phân tích: Năng lực phân tích biểu đồ trạng thái hoạt động hành trình – bước của cơ cấu chấp hành; phát hiện hiện tượng đối kháng tín hiệu (tín hiệu duy trì làm kẹt con trượt van đảo chiều) và thiết lập thuật toán phân nhóm tầng để loại bỏ xung đột.
• Kỹ năng thực hành: Kỹ năng kết nối đường ống khí nén, lắp đặt van xả khí nhanh nhằm tăng tốc độ lùi của piston, căn chỉnh van tiết lưu một chiều để điều chỉnh vận tốc, và hiệu chỉnh rơ le thời gian nhằm kiểm soát chu trình trễ đóng/ngắt.

---

Phương pháp giảng dạy và học tập

Giáo trình áp dụng phương pháp sư phạm tiếp cận theo vấn đề kỹ thuật (problem-based learning) kết hợp đối chiếu so sánh trực quan. Thay vì tiếp cận lý thuyết thuần túy, tài liệu đặt các phần tử khí nén song song với phần tử thủy lực nhằm làm rõ lý do lựa chọn giải pháp kỹ thuật dựa trên các thông số vận hành thực tế.

Hệ thống bài tập và nghiên cứu tình huống được xây dựng gắn liền với các ứng dụng công nghiệp cụ thể đã được nêu trong tài liệu:

• Phân tích mạch cấp áp cho súng phun sơn trong trọn bộ thiết bị phun sơn (gồm máy nén khí, dây hơi, súng phun).
• Mạch điều khiển cơ cấu kẹp, dập, truyền động thẳng trong dây chuyền đóng gói bao bì, máy gia công chế biến gỗ.
• Mạch điều khiển động cơ khí nén và xi lanh va đập dùng cho thiết bị khai thác đá.
• Cơ cấu tay máy gắp sản phẩm sử dụng giác hút chân không và cảm biến bằng tia rẽ nhánh, phản hồi, qua khe hở trong hệ thống kiểm tra chất lượng tự động.

Về phương pháp thực hành và đánh giá, người học được yêu cầu thực hiện thiết kế sơ đồ mạch từ mức độ cơ bản (điều khiển xi lanh đơn bằng tay) đến các mạch phức tạp tự động hoàn toàn (chu trình lặp bằng công tắc hành trình, rơ le thời gian trễ và mạch phân tầng 2 tầng, 3 tầng). Tiêu chí đánh giá tập trung vào tính chính xác của ký hiệu bản vẽ (tuân thủ quy chuẩn mũi tên, cửa van), sự tường minh của biểu đồ trạng thái chu trình và khả năng vận hành thông suốt không xảy ra nghẽn mạch do trùng tín hiệu.

Đối với hoạt động tự học, giáo trình cung cấp hướng dẫn phân tích sơ đồ cắt bổ chi tiết (mặt cắt xi lanh khí nén, van đảo chiều, cụm giác hút Venturi), giúp người học tự đối chiếu trạng thái cơ học bên trong con trượt khi có và không có áp suất điều khiển tác động.

---

Điểm nổi bật và cập nhật

• Tính chuẩn hóa cao trong hệ thống ký hiệu: Tài liệu hệ thống hóa các quy ước đồ họa kỹ thuật phân biệt rõ ràng giữa hai hệ truyền động: quy ước mũi tên rỗng (màu trắng) cho khí nén và mũi tên đặc (màu đen) cho thủy lực; phân định cụ thể ký hiệu cửa xả không có mối nối ống dẫn (cửa 3-$R$) và cửa xả có mối nối ống dẫn (cửa 5-$S$); đồng thời cung cấp bảng quy chiếu ký hiệu tiếp điểm điện theo hai hệ tiêu chuẩn phổ biến trong công nghiệp là tiêu chuẩn châu Âu (EU) và tiêu chuẩn Mỹ (US).
• Phân tích chuyên sâu các cơ cấu chuyên dụng: Khác với các tài liệu đại cương chỉ tập trung vào xi lanh thông thường, giáo trình đi sâu vào nguyên lý và thông số vận hành của van chân không Venturi (dải áp suất cấp 1,5 – 10 bar, độ chân không đạt 0,7 bar, lực hút 200 N) và nhóm cảm biến khí nén bằng tia không tiếp xúc (tia rẽ nhánh, tia phản hồi, tia qua khe hở) phục vụ các hệ thống đo lường, kiểm tra tự động.
• Liên hệ chặt chẽ với yêu cầu công nghệ đặc thù: Giáo trình phân tích rõ ranh giới ứng dụng thực tế của khí nén dựa trên đặc tính môi chất: do sử dụng không khí sạch và khả năng xả thải trực tiếp không gây ô nhiễm dầu, hệ thống khí nén được chứng minh là lựa chọn kỹ thuật tối ưu trong các môi trường yêu cầu vệ sinh khắt khe như sản xuất thực phẩm, chế tạo thiết bị điện tử, y học và công nghệ sinh học.

---

Đối tượng sử dụng giáo trình

• Sinh viên đại học và cao đẳng: Tài liệu phục vụ trực tiếp sinh viên năm thứ hai, năm thứ ba và năm thứ tư thuộc các chuyên ngành Kỹ thuật Cơ khí, Cơ điện tử, Kỹ thuật Công nghiệp, Tự động hóa và Chế tạo máy trong học phần Hệ thống Truyền động Thủy khí hoặc Tự động hóa Khí nén – Điện khí nén.
• Kiến thức tiên quyết (Prerequisites): Người học cần hoàn thành các học phần cơ sở bao gồm: Vẽ kỹ thuật cơ khí (đọc hiểu bản vẽ lắp và ký hiệu quy ước), Cơ học chất lưu/Thủy khí động lực học (hiểu về áp suất, lưu lượng, phương trình liên tục), Vật lý đại cương và Mạch điện cơ sở (nguyên lý tiếp điểm thường mở, thường đóng).
• Giảng viên kỹ thuật: Tài liệu là khung tham chiếu để xây dựng đề cương bài giảng, thiết kế bài tập lớn môn học, biên soạn câu hỏi kiểm tra đánh giá và thiết kế các bài thí nghiệm điều khiển khí nén logic tại xưởng thực hành.
• Kỹ sư và kỹ thuật viên nhà máy: Giáo trình có giá trị tra cứu đối với cán bộ kỹ thuật vận hành, bảo trì các dây chuyền tự động hóa; hỗ trợ việc đọc bản vẽ mạch máy nhập khẩu, chẩn đoán nguyên nhân rò rỉ áp suất, hiệu chỉnh các van phụ trợ (van xả nhanh, van giảm âm, van tiết lưu) và xử lý sự cố kẹt van đảo chiều do trùng lặp tín hiệu điều khiển.

---

Câu hỏi thường gặp

1. Giáo trình này phù hợp với đối tượng nào?

Giáo trình được biên soạn phục vụ sinh viên khối ngành kỹ thuật cơ khí, cơ điện tử, tự động hóa; giảng viên phụ trách học phần truyền động thủy khí; cùng các kỹ sư, kỹ thuật viên tham gia thiết kế, bảo dưỡng hệ thống điều khiển tự động trong công nghiệp.

2. Cần chuẩn bị những kiến thức nền nào để học?

Người học cần nắm vững kiến thức vẽ kỹ thuật cơ khí, cơ bản về cơ học chất lưu (khái niệm áp suất, lưu lượng) và lý thuyết mạch điện tiếp điểm đóng/ngắt để có thể tiếp cận các nội dung từ BT3 đến BT7.

3. Điểm khác biệt căn bản giữa giáo trình này với các tài liệu truyền động cơ khí khác là gì?

Tài liệu cung cấp hệ thống so sánh đối chiếu trực tiếp giữa hệ truyền động thủy lực và khí nén theo các chỉ số kỹ thuật, chuẩn hóa ký hiệu phân biệt giữa hai hệ thống (mũi tên đen/trắng, cửa xả khí/hồi dầu), đồng thời đi sâu vào các giải pháp điều khiển phân tầng triệt tiêu tín hiệu đối kháng và kỹ thuật chân không Venturi.

4. Làm sao để tự học các sơ đồ mạch điều khiển hiệu quả?

Người học nên bám sát quy tắc đánh số cửa van tiêu chuẩn (1: nguồn, 2/4: làm việc, 3/5: xả, 12/14: điều khiển), lập bảng trạng thái hành trình – bước trước khi phân tích mạch, và thực hành phân tích từ các mạch điều khiển bằng tay đơn giản đến mạch tự động lặp theo hành trình, thời gian và mạch tầng.

5. Có tài liệu bổ trợ nào kèm theo nội dung giáo trình?

Nội dung tài liệu tích hợp các bản vẽ mặt cắt kết cấu của xi lanh có giảm chấn điều chỉnh, kết cấu động cơ khí nén kiểu lá, sơ đồ nguyên lý van chân không Venturi, bảng trạng thái chuyển tầng và bảng đối chiếu ký hiệu điện khí nén chuẩn EU và US.

---

Kết luận

Giáo trình Tìm Hiểu Nguyên Lý và Ứng Dụng của Hệ Truyền Động Khí Nén cung cấp một cấu trúc tri thức hoàn chỉnh và chuẩn mực về công nghệ khí nén, trải dài từ nguyên lý biến đổi năng lượng, cấu tạo phần tử, quy ước ký hiệu đến phương pháp thiết kế các hệ thống điều khiển logic phức tạp.

Lộ trình học tập khoa học được đề xuất gồm ba giai đoạn:

1. Giai đoạn nền tảng: Nghiên cứu BT3 và BT4 để hiểu rõ đặc tính môi chất, phạm vi ứng dụng và cấu tạo các phần tử chấp hành, van phân phối, van phụ trợ.
2. Giai đoạn chuẩn hóa: Hoàn thiện BT5 để nhận diện chính xác ký hiệu kỹ thuật, tránh nhầm lẫn giữa hệ thống thủy lực và khí nén trên bản vẽ.
3. Giai đoạn ứng dụng nâng cao: Thực hiện thiết kế mạch điều khiển khí nén thuần túy (BT6) với các kỹ thuật hành trình, thời gian, phân tầng và tích hợp điều khiển điện – khí nén (BT7).

Để hoàn thiện kiến thức chuyên môn, người học nên kết hợp tra cứu các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế liên quan (như tiêu chuẩn ISO 1219 cho ký hiệu mạch thủy khí) và các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật của nhà sản xuất thiết bị khí nén công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

KÍCH THƯỚC MÔI CHÁT BO PHAN BIEN DOI NANG LUGNG AP SUAT LAM VIEC DO AN TOAN DO TIN CAY CHI PHÍ GIÁ THÀNH Ô NHIÊM KHẢ NĂNG LÀM VIỆC ỨNG DỤNG KHA NANG DIEU KHIEN VA DIEU CHINH Có khả năng giảm xuống nhờ tăng áp suât Chất lỏng , dầu Bơm thủy lực, xi lanh thủy lực động cơ thủy lực Cao Phụ thuộc vào độ chính xác chế tạo Cao Có khi xảy ra rò rĩ đường ống Êm tải trọng vận tốc k thay đổi nên độ chính xác cao hơn Rộng tải trong các lĩnh vực giao thông vận tải, khai thác mở, nông nghiệp, công nghiệp,. Dễ điều khiến, có thê kết hợp điện - điện tử Lớn hơn thủy lực có cùng công suât khí Máy nén khí, xi lanh khí , động cơ khí Thấp Cao hơn vì môi chất sử dụng là không khí Thấp Không Tiếng ồn do rò rĩ không khí tải trọng vận tôc không ôn định vì khả năng đàn hôi của không khí Ứng dụng trong môi trường yêu cầu sạch sẽ: sản xuất thực phẩm, thiết bị điện tử, y học, sinh họ,. Dễ điều khiến, có thé kết hợp điện - điện tử Phân 2: Hệ truyền động khí nén BT3: Tổng quan về hệ truyền động khí nén; So sánh đặc điểm với hệ truyên động thủy lực. BT4: Các phần từ khí nén và điện khí nén (Cơ câu chấp hành, van áp suât, van lưu lượng,.

) Riêng: - Van đảo chiều thủy lực; - Van đảo chiều khí nén; - So sánh và phân biệt. BT5: Phân biệt (về ký hiệu) giữa hệ truyền động thủy lực và hệ TÐ khí nén. BTó6: Các phương pháp điều khiến khí nén (Sơ đồ, nguyên lý hoạt động và biêu đô trạng thái) 1: Điều khiến bằng tay (ĐK trực tiếp, đk gián tiếp) 2: Điều khiến hành trình (lặp lại bằng tay, lặp lại tự động) 3: Điều khiến thời gian (lặp lại bằng tay, lặp lại tự động) 4: Điều khiến theo tầng (2 tầng, 3 tầng) BT7: Các phương pháp điều khiến điện khí nén. PHAN 2: TRUYEN DONG KHI NEN Nguyên lý truyên động Cơ năng Tạo thế năng Cơ năng nh —> (lamquay —> của khínén —> -chuyển động tịnh tiến 9 máy nén khí) (Q,p) -chuyên động quay Co cau chap hanh f Phần tử điều khiến † Phần tử xử lý tín hiệu † Phần tử đưa tín hiệu + Đại lượng vào p.Q Bình chứa: khí ị Nguồn cung x ˆ „ > | ấp khi nén So do nguyen ly cua mach điều khiển và các phần tử Ưu, nhược điểm và khả năng ứng dụng Ưu Điểm °©_ Có khả năng truyền năng lượng đi xa ° Không khí dùng để nen co khối lượng không giới hạn và có thê thải ra ngược trở lại vê bầu khí quyên, không bị ô nhiềm ‹ Chi phí cho hệ thống truyền động băng khí nén thấp -- Hệ thống truyền động bằng khí nén ít nguy hiểm ° Cac van khí nén phù hợp với các chức năng điều khiến logic, phù hợp đê điêu khiên quá trình phức tạp Nhược Điểm ¢ Luc dé truyén tai trong dén co cau chap hanh thap ¢ Dong khi thoat ra ở đường dẫn gây nên tiếng ồn s* Kha nang ứng dụng : - Trong lĩnh vực điều khiển: Ứng dụng rộng rãi và đa dạng trong nhiều lĩnh vực - - Các thiết bị phun sơn, sản xuất các thiết bị điện tử,.

* Cac day chuyền rửa tự động, đóng gói bao bì,. _TRỌN BỘ PHUN SƠN 3 Mây nón khí (2)§úng phun sơn _ h @Day hoi - Trong hệ thống truyền động: Các dụng cụ, thiết bị va đập: các thiết bị, máy móc trong lĩnh vực khai thác đá. Truyền động thắng: trong các thiết bị đóng gói, gia công gỗ. Truyền động quay: truyền động xilanh quay, động cơ khí nén Trong các hệ thống đo và kiểm tra chất lượng sản phầm V.

Táy máy gắp sản phẩm bằng khí nén ` oa : 4. \ " aaa, J — al Đóng gói sản phẩm Phân biệt ký hiệu giữa hai hệ truyện động HE THONG THUY LUC HỆ THÓNG KHÍ NEN ’ ilan! , a IXila by bị 5 ^^ C> di Xilanh A Lên Lễ Kxilanh B Lên Lên ỊL m ko, ———TỦ ——rTỦ 77777777717 L L re — TBF He Ge. B i “ÂM sỶlŸa sỶlŸR by a SALLY offi] \v 2 5 Z = PS " tự PHẦN BIỆT VÉ KÍ HIỆU GIỮA HE THONG THUY LUC VA HE THONG KHI NEN 1. Xylanh AN s% > r TT 1 T ° Ở xylanh của hệ thông s Còn ở xylanh hệ thống thủy lực thì có kí hiệu khí nén mũi tên khí hiệu mũi tên là màu đen là màu trắng PHAN BIET VE Ki HIEU GIUA HE THONG THUY LUC VA HE THONG KHI NEN 2.

Ky hiéu van dao chiéu. { | J ell Alw PA A A A 1Á) LLÌ Ẳ ký hiệu dầu từ bê vào I ký hiệu khí từ bình chứa cơ câu châp hành ⁄ \ Vào cơ câu châp hành ký hiệu dâu về bê dâu ký hiệu khí thải ra ngoài LU \ / PHẦN BIỆT VÉ KÍ HIỆU GIỮA HE THONG THỦY LỰC VÀ HỆ THÔNG KHÍ NÉN 3. Van điều chỉnh áp suất s“%* Van an toàn s“%* Van an toàn ty ct LL] VR ¢ Khi ap suat trong hé thong ¢ Khi dp suat vuot qua thi khí vuot qua qui dinh thi van sé sẽ thải ra ngoài theo cửa R mở đê dâu vê bê dâu PHAN BIET VE KI HIEU GIUA HE THONG THUY LUC VA HE THONG KHI NEN 4. Bộ loc Lộc dầu trong hệ thông truyên động thủy lực Lọc đường hút Lọc đường hồi Lọc đường đây Lộc khí trong hệ thống truyền động khí nén Hình 11.

Bộ lọc khí nén 1- Phân tử lọc; 2- Van xả cặn; 3- Nước đọng; 4- Lá ngăn cách. PHAN BIỆT VÉ KĨ HIỆU GIỮA HỆ THÔNG THUY LUC VA HE THONG KHI NEN 5. Bé dau và bình chứa khí -Ổồ Bê dầu ¢ Binh chứa khí An ` œ œ T T Cac phân tử khí nén và điện khí nén 1. Cơ câu chấp hành.

Van đảo chiêu. Van điêu chỉnh thời gian. Van chân không. Cảm biến bằng tia.

CO CAU CHAP HANH Cơ cầu châp hành có nhiệm vụ biên đôi năng lương khí nén thành cơ học. Cơ cấu chấp hành Xi lanh Xi lanh Xi lanh Xi lanh tác dụng tác dụng quay bằng 1 chiều 2 chiều thanh răng Có giảm chắn Không ˆ ¬. Có giảm có giảm không thay đôi chan thay chấn được đổi được Động cơ Động cơ khí quay 1 chiéu nén Động cơ quay 2 chiêu /1AA EBOOKBKMT a Đệm kin đầu sau Thanh Chup dau Cửa cấp. ` Min POLO Ko - Đệm CửaHẠp, than Cửa nạ ốndẫn kín xảkhí ylanh piston P hướng Xả khi Thanh day piston (ung cấp khi nén mm Cung cấp khí nén Ký hiệu của động cơ khí nén Động cơ có vận Or ng OF tóc cố định với được với một chiếu quay bai điều quay inh 1: Động cơ khí nén kiếu lá Adjustable end Adjustable end position cushioning Cylinder barrel | position cushioning Piston seal Guide bush Seal and scraper ring Piston Seal Bearing cap Piston rod End cap Cushioning piston Van đảo chiều: Về cơ bản ký hiệu gần giống với van đảo chiều thủy lực 4(B) 2(A) Cita n6i diéu khién 12(X) Cita | ndi với cửa 4 GH | 3(R) clta xa khi khong 06 Š(Š) cửa xả khí có mối nối mối nối cho ống dẫn cho ống dẫn OM Trong đó: mỗi ô vuông thể hiện 1 vị trí 2; 4; 6:.): cửa nối làm việc I(P): cửa nối với nguồn 3;5;7;.): Cửa thông khí trời \ | : hướng khí từ cơ cấu chấp hành thông khí trời Ỉ | : hướng khí nén từ nguôn đi vào cơ câu chấp hành I : thê hiện khí bị chặn Van chặn Van chặn là loại van chỉ cho lưu lượng khí đi qua 1 chiều, chiều ngược lai bi chan.

Van chan Van Van Van 1 logic giam chiéu AND âm Van Van xả logic khi OR nhanh Van 1 chiều Van một chiêu có tác dụng chỉ cho lưu lượng khí đi qua một chiêu. Ký hiệu: Ò A B Van logic OR Van logic OR có chức năng là nhận tín hiệu điều khiển ở những vị trí khác nhau trong hệ thống điều khiển. Ký hiệu: lê P\ P; Khi có dòng khí nén qua cửa P,, sẽ đẩy pittông trụ của van sang phải, chắn cửa P, = P, néi với cửa A và ngược lại. |ˆ RS Van chặn | aE.

Van logic AND: F 1 ¢ Ký hiệu: ° Chức năng: nhận tín hiệu và điều khiển cùng 1 lúc ở những vị trí khác nhau trong hệ thông điêu khiên Cửa làm việt Chot van Ws Cua cap nguén Van Logic AND Van xả khí nhanh Van xả khí nhanh thường lấp ở vị trí gân cơ cấu chấp hành (pittông), có nhiệm vụ xã khí nhanh ra ngoài. Ký hiệu: Van giảm âm Van giảm âm Kỷ hiệu Khinentuancuong.com Van tiết lưu: Van tiết lưu có tiết dién không thay đôi Van tiết lưu Van tiết lưu có tiêt diện thay đôi Van tiết lưu I chiêu Van tiết lưu ha ‘ ke ea ˆ A Ky hiéu:Van tiệt lưu có tiệt diện không thay ¢ Van tiết lưu có tiết diện thay đổi Van tiết lưu một chiều Một số hình ảnh về van tiết lưu: Van điều chỉnh thời gian: Cửa điều Ehiều a. Role thoi gian dong cham Ký hiệu: -_ ÖVanđảochiểu3/2 Bình chứa ¡Cửa xã Cita lam viee + A [ |} LaF Tin mimimimimimimimie=i tị —: — Cir cap Van tiết lưu một chiều PYR ate nguồn Trang thái van chưa tác động Tang thái van đã tác động Khoang chứa đủ áp suât thăng lực lò xo sau đó tác động lên van đảo chiêu, van đảo chiêu chuyên đôi vị trí, cửa P nôi với A Van điều chỉnh thời gian: b. Rơ le thời gian ngắt chậm Ký hiệu: _.

Van đảo chiều 3/2 Bình chứa pee ee ee hee ee feelin. | Z X PZ} 3 | A mite t Van tiết lưu một chiều Ture uUuLlVtL Siew —-Ắ-= VII1CL111 1111111 Y CAI UICL 1ƯE(UE 111V7U VI11ICLI VV7 unc ngược lại 6. Van chân không Van chân không là cơ cấu có nhiệm vụ hút hoặc giữu chỉ tiết bằng lực chân không. Ký hiệu: P — ie Van chân không là cơ cấu có nhiệm vụ hút và giữ chỉ tiết bảng lực hút chân không.

Chân không được tạo ra bằng bơm chân không hay theo nguyên lý Venturi : khí nén với áp suất p trong khoang 1,5 bar - 10 bar sé qua éng Venturi va theo cửa R thoát ra ngoài. Tại phin cuối của ống Venturi chân không sẽ được tạo thành. Như vậy cửa nối U sẽ tạo ra chân không.( cửa U được nối ” cải rX —~ Se ce» a oe uw ore oO. ne 4 bio i h ge Ot’ b Hình 3.18 Van chân không với một đĩa hút dạng tròn làm bàng vật liệu tổng hợp hoặc bằng cao su).