Công tắc hành trình: Cấu tạo và nguyên lý làm việc 

Công tắc hành trình có cấu tạo và chức năng khá tương đồng với công tắc điện thông thường, nhưng lại có những đặc tính riêng biệt quy định phạm vi ứng dụng đặc thù. Để tìm hiểu về cấu tạo, nguyên lý làm việc và vai trò của loại công tắc này, bạn vui lòng theo dõi bài viết của chúng tôi. 

Khái niệm công tắc hành trình

Công tắc hành trình, hay còn được gọi công tắc giới hạn (tên tiếng Anh là Limit switch) là thiết bị cảm biến tiếp xúc có khả năng phát hiện sự hiện diện, định vị và kết thúc hành trình của một vật thể, sau đó chuyển đổi động cơ thành tín hiệu điện để phục vụ cho quá trình điều khiển và giám sát.

Công tắc này hoạt động bằng cách phát hiện vị trí của một bộ phận cơ học thông qua cơ cấu chuyển động như đòn bẩy, con lăn, hoặc cần gạt. Khi bộ phận cơ học di chuyển đến một vị trí nhất định sẽ tác động lên limit switch khiến công tắc kích hoạt hoặc ngắt mạch, từ đó điều khiển hoạt động của máy móc. Tương tự khóa liên động an toàn, thiết bị này cũng được đặt giới hạn hành trình nhất định để ngăn ngừa hỏng hóc cho máy móc.

Về chức năng, công tắc giới hạn hành trình khá tương đồng với công tắc điện thông thường nhưng có thêm cần tác động để các bộ phận chuyển động tác động vào, làm thay đổi trạng thái của các tiếp điểm bên trong. Limit switch sẽ không duy trì trạng thái, khi không còn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu.

Việc điều khiển công tắc hành trình có thể thực hiện bằng cách cài đặt các yếu tố như nhiệt độ, vị trí, áp suất. Thiết bị này được sử dụng trong nhiều ứng dụng và môi trường khác nhau do đặc tính chắc chắn, dễ cài đặt và độ chính xác cao. 

Theo tiêu chuẩn IEC và NEMA, ký hiệu của công tắc hành trình trong bản vẽ hoàn toàn khác nhau, cụ thể như sau: 

Cấu tạo của công tắc giới hạn

Một công tắc giới hạn hành trình thường được cấu thành từ 3 bộ phận chính là bộ truyền động, thân công tắc và chân kết nối. 

Bộ truyền động

Là phần tiếp xúc trực tiếp của công tắc với các vật thể cần giám sát chuyển động, thường được gắn trên đầu của công tắc và thực hiện nhiệm vụ nhận tác động từ bộ phận chuyển động để kích hoạt công tắc thông qua pít tông bên trong. 

Đây là bộ phận tạo nên sự khác biệt giữa Limit switch với các loại công tắc thông thường. Tùy theo nhu cầu sử dụng mà bộ truyền động sẽ có đặc điểm khác nhau nhưng cơ bản sẽ có 3 loại chính là đòn bẩy con lăn, pít tông và linh hoạt. 

Thân công tắc

Phần công tắc này được bao bọc bởi lớp vỏ làm bằng kim loại hoặc nhựa cách điện để tăng độ bền cơ học, bên trong chứa cơ chế tiếp xúc điện, gồm các cặp tiếp điểm có nhiệm vụ đóng ngắt theo tác động từ bộ truyền động đưa đến. 

Chân kết nối

Chân này chứa các đầu vít của tiếp điểm để kết nối với dây dẫn điện. Chân kết nối được xem là tín hiệu ngõ ra cho công tắc, có nhiệm vụ truyền tín hiệu tới các thiết bị khác khi có tác động từ bộ truyền động. 

Nguyên lý làm việc của công tắc hành trình

Công tắc giới hạn hoạt động trên nguyên lý phát hiện sự thay đổi vị trí hoặc chuyển động của một bộ phận cơ học, từ đó kích hoạt hoặc ngắt mạch để điều khiển hoạt động của máy móc.

Một quy trình hoạt động của Limit switch được mô tả như sau:

• Cơ cấu chuyển động: Công tắc hành trình thường được trang bị một cấu chuyển động như đòn bẩy, cần gạt, con lăn hoặc nút nhấn. Khi máy móc di chuyển đến vị trí nhất định sẽ tác động lên cơ cấu này.
• Kích hoạt công tắc: Khi cơ cấu chuyển động bị tác động sẽ di chuyển và tác động lên tiếp điểm bên trong công tắc. Tiếp điểm này có thể là loại thường mở (NO) hoặc thường đóng (NC).
• Đóng/ngắt mạch điện: Ở trạng thái bình thường, tiếp điểm thường mở sẽ đóng lại và cho dòng điện đi qua. Khi có sự cố, tiếp điểm thường đóng sẽ mở, mạch điện bị ngắt.
• Phản hồi và kiểm soát: Công tắc hành trình sau khi nhận tín hiệu sẽ gửi về hệ thống điều khiển để thực hiện các lệnh tiếp theo như dừng máy, thay đổi hướng chuyển động, hoặc kích hoạt một quy trình khác. 

Phân loại công tắc giới hạn

Theo các tiêu chí khác nhau, công tắc hành trình sẽ được phân loại thành các dạng khác nhau.

Theo cấu tạo vật lý

Dạng nút nhấn

Công tắc hành trình nút nhấn có một nút nhấn ở đầu thiết bị. Vỏ và đầu được chế tạo từ kim loại bền, có khả năng chịu được va đập nên thường được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu hành trình có độ dài khoảng 10mm. 

Loại này phổ biến nhất là công tắc 3 chân, gồm 2 loại tiếp điểm: 

• Tiếp điểm động: Được gắn với trục và nút nhấn. Khi nút nhấn được bấm, tiếp điểm động di chuyển từ chân này sang chân khác, để đóng/ngắt các mạch điện, tương ứng các thiết bị sẽ dừng hoặc hoạt động. 
• Tiếp điểm tĩnh: Được đặt ở ba chân của công tắc. Loại này thường giữ nguyên vị trí mà không thay đổi.

Dạng tế vi (2 chiều)

Đây là thiết bị có cả hai tiếp điểm NO (thường mở) và NC (thường đóng) trên cùng một công tắc nên độ chính xác cao hơn, phù hợp với các ứng dụng có yêu cầu hành trình từ 0.3 ~ 0.7mm.

Cấu tạo công tắc hành trình 2 chiều gồm vỏ bọc kim loại, hai tiếp điểm tĩnh và một tiếp điểm động. Tiếp điểm động được gắn trên đầu của một lò xo lá làm từ kim loại đàn hồi, thường là nhôm. 

Khi bấm nút công tắc, lò xo lá bị biến dạng, bật xuống dưới, đẩy tiếp điểm động chạm vào tiếp điểm tĩnh, tạo ra mạch điện kín để kích hoạt thiết bị. Khi thả công tắc, lò xo trở về vị trí ban đầu, tiếp điểm động tách khỏi tiếp điểm tĩnh, mạch điện hở và thiết bị bị ngắt tại hành trình mong muốn.

Dạng đòn bẩy

Đây là một trong những loại công tắc hành trình phổ biến nhất trong các lĩnh vực dân dụng và công nghiệp. 

Loại công tắc này gồm một tiếp điểm NO hoặc NC và tiếp điểm mặc định là NC. Tay truyền động được thiết kế từ thanh nối kết hợp với trục đòn bẩy, cho phép trục truyền động quay tự do ngay cả khi thanh bị lệch. Dưới trục đòn bẩy có một con lăn để quay bộ chuyển động khi vị trí thay đổi từ phải sang trái.

Tiếp điểm của công tắc đòn bẩy có thể ở trạng thái mở hoặc đóng, kết hợp giữa cơ chế chấp hành với tay đòn để chuyển tiếp điểm từ trạng thái này sang trạng thái khác. Từ đó khiến công tắc hành trình thường ở trạng thái mở và chỉ khi được kích hoạt mới đóng lại.

Theo bộ truyền động

• Dạng lò xo: Loại này có bộ truyền động dài, mỏng, có thể uốn cong hoặc làm lệch hướng chỉ với một lực tác động nhỏ. Limit switch dạng lò xo thường được sử dụng trong các ứng dụng có không gian hạn chế, ví dụ như trong cánh tay rô bốt.

• Dạng con lăn: Có một con lăn được gắn vào bộ truyền động của công tắc hành trình. Khi một vật thể tiếp xúc với con lăn, sẽ kéo theo con lăn quay làm cho bộ truyền động di chuyển và thay đổi trạng thái các tiếp điểm điện. Dạng công tắc này thường được ứng dụng cho băng tải, các dây chuyền đóng gói,…

• Dạng đòn bẩy: Công tắc cơ học, sử dụng một đòn bẩy để chuyển đổi trạng thái của tiếp điểm khi có một vật thể tác động lên đó. Công tắc dạng đòn bẩy được sử dụng cho các thiết bị công nghiệp nặng, ví dụ cần cẩu công nghiệp. 

• Dạng pít tông: Có bộ truyền động hình pít tông được đẩy vào hoặc kéo ra bởi vật thể tiếp xúc. Dạng này được sử dụng để kiểm soát các quá trình điều khiển trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa.

Theo cấu hình có sẵn

• Thường mở (NO): Công tắc giới hạn sẽ cho dòng điện đi qua khi bộ truyền động được kích hoạt và đóng khi bộ truyền động ở trạng thái nghỉ.
• Thường đóng (NC): Công tắc giới hạn sẽ ngắt dòng điện khi bộ truyền động được kích hoạt. Khi bộ truyền động ở trạng thái nghỉ, dòng điện được đi qua tự do. 
• Kết hợp cả hai: Công tắc cung cấp 1 bộ tiếp điểm có thể sử dụng cho cả mạch thường hở NO và thường đóng NC.

Theo hình dạng

• Thân kim loại: Loại công tắc được sử dụng phổ biến trong ngành luyện thép, các máy CNC, những khu vực có va đập với lực mạnh. Công tắc thân kim loại có khả năng chịu nhiệt đến 120 độ C, tuổi thọ >20.000.000 lần đóng mở nên đảm bảo sự an toàn, độ chính xác cao trong môi trường làm việc khắc nghiệt.

• Thân nhựa: Công tắc có thiết kế nhỏ gọn, theo tiêu chuẩn chống bụi chống nước IP67, nhiệt độ làm việc lên tới 80°C, có điện áp hoạt động tối đa là 500VAC, dòng điện hoạt động là 1A. Được ứng dụng rộng rãi trong các ngành gỗ, ngành sữa…

• Dạng module: Được thiết kế để ứng dụng trong môi trường thường xuyên tiếp xúc với nước hoặc nước phun trực tiếp với áp suất cao như các ngành thực phẩm, thủy hải sản, ngành sơn,…

Ứng dụng của công tắc hành trình

Công tắc hành trình được lắp đặt vào máy móc như một công cụ điều khiển cho các hoạt động tiêu chuẩn hoặc một thiết bị khẩn cấp để ngăn ngừa sự cố máy móc. Dưới đây là một số ứng dụng cụ thể của công tắc giới hạn. 

Máy móc công nghiệp

Trong các loại máy như máy dập, máy cắt, máy ép,… công tắc hành trình có nhiệm vụ xác định vị trí của các bộ phận chuyển động, đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra chính xác và an toàn.

Hệ thống máy bơm 

Công tắc hành trình cho phép khởi động, dừng, làm chậm hoặc tăng tốc các chức năng của động cơ điện trong các hệ thống máy bơm nước, bơm chữa cháy, bơm hóa chất hay van công nghiệp… 

Hệ thống băng tải

Công tắc hành trình thường được gắn vào băng tải trong chế độ điều khiển băng tải bằng tay để giám sát và điều khiển chuyển động. Trong hệ thống này, công tắc giới hạn giúp đảo chiều của motor bên trong, từ đó đảo chiều của băng tải, để phòng trường hợp khi có sự cố cần cho băng chạy ngược cũng dễ dàng cho việc bảo hành và sửa chữa.

Ngoài ra, Limit switch còn được dùng để làm tiếp điểm chuyển mạch cho các cơ cấu máy, giám sát hành trình cánh tay robot…

Hệ thống cửa tự động

Công tắc hành trình được sử dụng trong các hệ thống cửa tự động hoặc cửa cuốn để xác định vị trí đóng/mở của cửa. Chân của công tắc được nối với motor của cửa. Cửa kéo lên motor sẽ quay cùng chiều. Cửa kéo xuống, motor quay ngược chiều nhờ 2 công tắc hành trình được gắn vào 1 Relay. Khi cửa đi đến vị trí cuối cùng, công tắc sẽ ngắt điện lập tức để ngăn ngừa cửa tiếp tục di chuyển.

Pa lăng

Pa lăng là hệ thống dây xích dài được nối với 1 ròng rọc. Đầu của xích có gắn móc sắt giúp kéo hoặc nâng hạ hàng hóa. Đầu còn lại là cuộn xích nối với 1 trục xoay. Trục này được gắn với cần xoay hoặc 1 motor có sức kéo lớn. Công tắc hành trình được nối với motor để điều khiển đồ vật, hàng hóa dừng đúng lúc, đưa móc sắt lên cao hoặc hạ xuống 1 cách dễ dàng.

Xe nâng

Xe nâng thường được trang bị sẵn công tắc hành trình kiểu đòn, gắn bên trong khoang lái. Phía trước có gắn 1 động cơ để đưa trục nâng lên/xuống, kết nối trực tiếp với 2 công tắc hành trình để đưa vào khoang lái.

Cẩu trục

Đối với cẩu trục hạng nhẹ, không cần độ chính xác quá cao, sẽ dùng công tắc hành trình dạng nút bấm để điều khiển hàng hóa. 

Một số câu hỏi về công tắc hành trình

Câu hỏi 1: Ưu, nhược điểm của Limit switch là gì?

Trả lời: Công tắc giới hạn hành trình có ưu, nhược điểm cụ thể như sau:

Ưu điểm

Nhược điểm

Dễ điều khiển, dễ sử dụng Không chịu ảnh hưởng bởi môi trường hoạt động, có thể lắp đặt trong môi trường khắc nghiệt Tương thích với nhiều ứng dụng công nghiệp và dân dụng Tiêu thụ ít năng lượng Có thể kết nối với các bộ điều khiển để mở rộng ứng dụng, điều khiển nhiều tải hơn Đáp ứng tốt các điều kiện yêu cầu độ chính xác cao và có tính lặp lại Chi phí đầu tư thấp Dễ bảo trì và thay thế

Không phù hợp với các ứng dụng cần đảm bảo vệ sinh như: thực phẩm, hóa mỹ phẩm,… Không phù hợp với các đối tượng có chuyển động chậm hoặc cực kì chậm Không phù hợp với nhóm ngành yêu cầu không được chạm trực tiếp vào sản phẩm: dụng cụ y khoa, chi tiết cơ khí chính xác, thuỷ tinh,… Hoạt động bị ảnh hưởng trong môi trường thiếu ổn định, có sự rung lắc Cần phải bảo dưỡng định kỳ Cơ cấu truyền động dễ bị mài mòn  Dễ hư hỏng, tuổi thọ không cao

Câu hỏi 2: Chức năng cụ thể của công tắc hành trình trong các nhà máy là gì?

Trả lời: Công tắc giới hạn có khả năng biến đổi chuyển động thành một dạng điện năng để kích hoạt một quá trình khác trong dây chuyền sản xuất hoặc chế tạo. Các nhà máy thường sử dụng công tắc này để:

• Phát hiện sự tiếp xúc của các đối tượng
• Đếm tác động, các điểm sản phẩm
• Phát hiện phạm vi di chuyển của vật thể
• Phát hiện vị trí và giới hạn chuyển động
• Phát hiện tốc độ của vật thể
• Ngắt mạch khi gặp sự cố điện

Nếu có nhu cầu tìm hiểu về các loại công tắc khác, bạn có thể truy cập: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/kien-thuc-contactor/