nghiên cứu tổng quan về công nghệ máy cán dây. thiết kế chương trình điều khiển truyền động cho các động cơ thực hiện

Mỗi máy cán dây gồm các phần chính sau : đầu chuốt, tang kéo, động cơ, khớp đầnhồi hay đai hình thang nối với hộp động cơ hộp tốc độ, thiết bị quấn v.v…Ở nhiều máy cán,kim loại được kéo

Trang 1

Đề tài:

“Nghiên cứu tổng quan về công nghệ máy cán dây Thiết kế chương trình điều khiển truyền động cho các động cơ thực hiện.”

Trang 2

LỜI MỞ ĐẦU

Sự bùng nổ của ngành công nghiệp cơ khí và điện tự động hóa đã đạt những thành tựu to lớn, đem lại rất nhiều lợi ích trong công việc cũng như nhiều thiết bị ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Mặc dù các máy gia công kỹ thuật số đang là xu hướng mới của thị trường nhưng đây là những thiết bị đắt tiền

và phức tạp Do đó các máy gia công kim loại như máy tiện, máy mài, máy bào giường, máy rèn rập… vẫn là các thiết bị chủ yếu trong việc chế tạo cơ khí Nên việc nghiêm cứu, tìm hiểu cải tiến nó là một trong những vấn để rất được quan tâm hiện nay.

Môn học Trang Bị Điện là môn học có thể giúp em thực hiện các công việc này Được giao đề tài về máy cán dây là loại máy phổ biến nhất trong công nghệ gia công kim loại Với yêu cầu là” Phân tích các phương pháp điều khiển truyền động công nghệ cán dây Thiết kế bộ điều khiển truyền động ăn dao tự động cho máy tiện F- Đ” Qua thời gian học tập nghiên cứu và chỉ bảo tận tình của thấy Hoàng Xuân Bình em đã hoàn thành đồ án này

Mặc dù đồ án đã hoàn thành đạt kết quả nhất định nhưng do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót Em mong được sự góp ý ủng hộ của các thầy cô và các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn

Trang 3

Mục lục:

1.2 Động cơ truyền động trong dây chuyền cán 5

Chương 2: Mô hình hóa toán học của hệ thống 15

2.1 Các động cơ truyền động chính trong dây chuyền cán 15

2.1.1 Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập 15

2.1.2 Điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiều 19

2.1.3 Hệ truyền động điện 1 chiều sử dụng bộ biến đổi 21

2.2 Xây dựng mô hình toán của hệ truyền động 23

2.2.1 Vấn đề đồng bộ tốc độ và sức căng của dây truyền nhiều

động cơ

23

2.2.2 Mô hình toán của các trục kéo và của cả hệ thống 24

2.2.3 Xác định tham số bộ điều khiển theo các tiêu chuẩn 26

Trang 4

2.3.1 Mô hình mô phỏng trên Matlab 30

Chương 1: Tổng quan về công nghệ cán dây

1.1 Đặc điển công nghệ cán dây.

Trang 5

Dây kim loại rất cần trong nền kinh tế quôc dân Nó là phôi để sản xuât cáp,bu lông, đinh tán, lò xo v.v… hoặc dùng trong xây dựng

Các dây kim loại rất khác nhau về hình dạnh và kích thước tiết diện ngang Ví

dụ như dây kim loại tiết diện tròn có đường kính trong một dải rộng từ 0,005 đến 25mm

Mỗi máy cán dây gồm các phần chính sau : đầu chuốt, tang kéo, động cơ, khớp đầnhồi hay đai hình thang nối với hộp động cơ hộp tốc độ, thiết bị quấn v.v…Ở nhiều máy cán,kim loại được kéo qua nhiều đầu chuốt có kích thước giảm dần Máy cán dây một đầu chuốt chỉ dùng khi kéo dây rất lớn

Máy cán dây nhiều đầu chuốt chia thành 2 nhóm chính :

- Máy có thay đổi lượng dây ở các tang kéo trung gian

- Máy không thay đổi lượng dây ở các tang kéo trung gian

Nguyên lý làm việc của nhóm máy là giũ thể tích dây bằng nhau qua mỗi đầu chuốt trong những khoảng thời gian như nhau Điều kiện này có thể bị phá vỡ do đầu chuốt bị mòn hoặc do nguyên nhân khác Muốn giữ điều kiện này, cần phải giảm tốc độ của các tang kéo trung gian tương ứng Có 2 cách làm :

a) Tự động điều chỉnh thay đổi tốc độ các tang kéo trung gian không có sự

trượt trên tang

b) Thay đổi độ trượt tương đối của các dây trên tang kéo trung gian khi giữ tốc

độ tang kéo không đổi Tốc độ dài của tang kéo lớn hơn 2 - 4% tốc độ dây.Công nghệ các dây trong một chu trình bắt đầu bằng chỉnh máy ở tốc độ thấp không quá 0,5 – 1m/s và chế độ là chạy nhắp Chỉnh máy kết thúc khi dây

đã quấn đủ trên các tang kéo và ra khỏi máy Lúc này máy chuyển sang chạy ở tốc độ cao Việc tăng tốc từ tốc độ bò lên tốc độ làm việc hay giảm tốc độ ngược lại phải đẩm bảo bằng phẳng để tránh đứt dâyhay không đều tiết diện Trong quá trình cũng phải đẩm bảo điều chỉnh vô cấp tốc độ làm việc tuỳ theo hình dáng và kích thước tiết diện ngang của dây

Trong máy cán dây nhóm I ( có thay đổi lượng dây ở các tang kéo trung gian), việc điều chỉnh vô cấp tốc độ của mỗi tang kéo là nhờ đai hình thang kết

Trang 6

hợp với hộpp tốc độ 4 cấp điều chỉnh bằng tay Điều dó cho phép điều chỉnh tốc

độ bằng phảng trong dải rộng và có thể sử dụng được truyền động xoay chiều.Trong máy cán dây nhóm II ( không thay đổi lượng dây ở các tang kéo trung gian), người ta dùng truyền động một chiều và tự động điều chỉnh tốc độ qua điều chỉnh từ thông

Việc điều chỉnh quan hệ tốc độ giữa các tang kéo nhờ thay đổi mômen quay trên trục tang kéo dưới tác dụng của sức căng dây Các động cơ dẫn động các tang kéo được mắc nối tiếp các phần ứng với nhau

1.2 Động cơ truyền động trong dây truyền cán.

1.2.1. Truyền động điện xoay chiều cho máy cán dây

Một số máy cán dây dùng truyền động điện xoay chiều với động cơ không đồng

bộ 3 pha rôtor dây quấn, công suất dưới 55kW, 380V, 1500vg/ph Máy cán công suất nhỏ có thể dùng động cơ xoay chiều rôtỏ lồng sóc Động cơ nối với hộp tốc độ bằng đai truyền hình thang Các máy cán dây to và đặc biệt to

thường sử dụng động cơ không đồng bộ 3 tốc độ rôtỏ lồng sóc, công suất tới 40kW, 750,1000.1500vg/ph

Yêu cầu chình cho truyền động máy cán dây là đảm bảo tốc độ chỉnh định máy nhỏ ( tốc độ bò ) và chuyển dộng em lên tốc độ làm việc

Phần lớn các máy cán dây thực hiện điều chỉnh tốc độ bằng điện trở phụ : một cấp ở mạch stator động cơ rôtor lồng sóc, tới 5 cấp ở mạch rorto ở động cơ dây quấn

Tăng tốc độ động cơ theo nguyên tắc thời gian Dừng nhanh nhờ hãm ngượchay hãm động năng là nhờ bộ biến đổi thyristo

Hình 8-55 cho sơ đồ đièu khiển truyền động máy cán dây có trượt 15/200 ; 22/200 ( tử số là số tang kéo, mẫu số là đường kính tang kéo tính theo mm)

Trang 7

3k 3m

2m

2 HT 1ht 3k

rth

Hình 8-55 Sơ đồ TĐĐ máy cán dây dùng các động cơ không đồng bộ rotor

lồng sóc2Đ là động cơ không đồng bộ rôtor lồng sóc 0,6kW kéo máy bơm dầu Dộng

cơ 1Đ là các tang kéo công suất 17kW Bảo vệ các động cơ bàng các cầu chì 1CC, 2CC và các rơle nhiệt 1RN, 2RN

Các điện trở R ở mạch stator động cơ 1Đ dùng để giảm tốc độ động cơ khi chạy chỉnh máy và hạn chế dòng mở máy

Đầu tiên, ấn 1M để công tắc tơ 2K đóng mạch động cơ bơm dầu

Để chạy chỉnh máy,chuyển hộp tốc độ ở mức thấp và ấn 2M để công tắc tơ 1K dống mạch động cơ 1Đ qua điện trở R Sau khi chạy chỉnh máy, chuyển hộptốc độ lên số cao và ấn 3M Rơle trung gian Re có điện sẽ đóng mạch rơle thời gian và sau thời gian duy trì sẽ đóng mạch công tắc tơ gia tốc 3K để ngắn mạch điện trở R ở mạch stator động cơ 1Đ

Trang 8

1Ð 2K

2rn

2 CC 1CC

1rn K

3K R

BA 1RN 2RN 1M

1k

rth

k3 k3

k3 3m

2m

3 HT 2ht k3

rth3

k3 k2 k1

Ð

1ht

k2 Ð k1 rth1 k2 rth2

Hình 8-56 Sơ đồ TĐĐ máy cán dây dùng các động cơ không đồng bộ rotor

dây quấn

Dừng máy bằng tay nhờ nút D Các công tắc hành trình 1HT, 2HT sẽ dừng máy khi dứt dây cán và khi dây quấn đầy Hinh 8-56 biểu thị sơ đồ truyền động máy cán dây 10/250 có trượt với động cơ rôtor dây quấn Công suất động cơ chính là 45kW Hoạt động của sơ đồ tương tự như sơ đồ hình 8-55 Tăng tốc động cơ 1Đ theo nguyên tắc thời gian nhờ rơle thời gian Rth có động cơ để lần lượt đóng mạch các công tắc tơ gia tốc K1, K2, K3

1.2.2. Truyền động điện một chiều máy cán dây

Truyền động này dùng cho các máy cán dây cần điều chỉnh tự động liên tục tốc

độ các tang kéo trung gian trong thời gian làm việc ma không có sự trượt dây trên

bề mặt tang kéo Động cơ một chiều truyền động máy được điều chỉnh tốc độ ở 2 vùng Tốc độ bò có được nhờ giảm từ thông, Hệ sử dụng trong truyền động máy là F-Đ hoặc T-Đ Phần ứng vói các động cơ truyền động tang kéo được mắc nối tiếp nhau

Trang 9

Hình 8 – 57 là một sơ đồ truyền động máy cán dây 7/550 dùng hệ T-Đ.

Các cuộn dây phôi được kéo tới các giá cơ khí và từ đó đầu dây được kéo qua đầu chuốt thứ nhất tới tang kéo đầu tiên Tang kéo này là một tang chứa, truyền động bằng một động cơ theo hệ T-Đ, đảm bảo điều chỉnh tốc độ trong một dải rộng Tang chứa này có 2 tầng, 2 đầu chuốt và động cơ kéo có công suất 125kW, 440V Tầng dưới có đường kính nhỏ, còn tầng trên cũng như cấc tang kéo khác.Năm tang kéo kế tiếp theo cũng được dẫn động bằng 5 động cơ riêng nhưng cácphần ứng mắc nối tiếp nhau trong một hệ T-Đ do bộ đổi thyristor 2T cấp nguồn Các cuộn kích từ được cấp điện riêng từ các bộ biến đổi thyristor TK

Tại đầu ra tốc độ làm việc ( tốc độ chuốt) là 28m/s, còn tốc độ bò ( tốc độ chỉnhmáy ) là 1m/s Dải điều chỉnh tốc độ thay đổi bằng điện áp phần ứng là 12:1, còn lại do thay đổi từ thông là 2,5 : 1 Đẻ duy trì sức căng dây giữa các tang kéo, trong mạch phần ứng các động cơ nối tiếp luôn có một dòng dừng cỡ 10-20$ dòng định mức Ở chế độ chỉnh máy (chạy nhắp ) dòng các phần ứng tăng từ giá trị dòng dừng đến dòng chạy nhắp cỡ 1-1,5 định mức

2kt

ÐK Ð?

ÐK 1t

Trang 10

Trước khi quấn vào rulô, dây tang vòng móc Tang vòng móc dùng để bù trừ các dao động sức căng Rulô quấn đưởctuyền động cũng bằng hệ T-Đ Tốc độ các động cơ được kiểm tra qua các máy phát tốc.

Khi rulô quấn đầy, máy tự động dừng để cắt dây và thay rulô mới

Hình 8-58 là sơ đồ chức năng hệ điều chỉnh tự động của máy cán dây 7/550 Máy có 2 bộ điều chỉnh : dòng và s.đ.đ Bộ điều chỉnh dòng RI có các tín hiệu tới

là : tín hiệu từ cảm biến dòng CBI tỉ lệ với dòng phần ứng các động cơ 2Đ-6Đ và tín hiệu là tín hiệu đặt ra của bộ điều chỉnh sc.đ.đ RE Hai tín hiệu này được so sánh với nhau và chọn ra tửI tín hiệu tới khâu xung – pha XP điều khiển bộ biến đổi thyristor T

Đầu vào của RE có 2 tín hiệu tới được so sánh với nhau là : tín hiệu đặt từ bộ đặt tốc độ Dhay từ bbộ đặt tín hiệu tốc độ chỉnh DN, qua bộ định gia tốc ĐG tới và tín hiệu phản hồi âm về s.đ.đ CBE tới Đo s.đ.đ nhờ cộng các tín hiệu tỉ lệ với điện áp phần ứng qua cảm biến CBU và tín hiệu tỉ lệ với dòng phần ứng qua cảm biến CBI

6Ð 5Ð 4Ð 3Ð 2Ð

CBV CBI

Trang 11

1.3 Các thiết bị đo lường và quan sát.

Trong dây truyền kéo đồng sử dụng nhiều động cơ, để kéo dây qua cáckhuôn Trong quá trình làm việc yêu cầu cần phải đảm bảo ổn định và đồng bộ tốc

độ Để giám sát và thực hiện điều khiển được cần tiến hành đo được các thông sốdòng điện , tốc độ, vị trí,… mỗi thông số được đưa về để thiết lập mạch vòng kín

để điều chỉnh động cơ truyền động và chúng có 1 cảm biến để đo riêng

a Đo dòng điện.

- Đo dòng điện 1 chiều:

Để thực hiện đo dòng 1 chiều ta có thể tiến hành mắc điện trở sun phânnhánh song song với cơ cấu chỉ thị Hình 2.6

ccct

Rs

Ict Is

Hình 2.6: Mắc điện trở sun phân nhánh song song với cơ cấu chỉ thị

- Đo dòng điện xoay chiều:

Để thực hiện đo dòng xoay chiều ta sử dụng biến dòng

Hình 2.7: a: Nguyên lý cấu tạo của biến dòng

b: Cách mắc Ampemet kết hợp với biến dòng

Trang 12

Biến dòng làm việc ở chế độ ngắn mạch vì điện trở của Ampemet rất nhỏ, tacó[2]:

I

k W

W I

I W I W

1

2 2

1 2 2 1

Trong đó: W1, W2 là số vòng dây trên 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp

I1, I2 là dòng điện trên 2 cuộn sơ cấp và thứ cấp

kI là hệ số biến dòng

Trong truyền động điện 1 chiều sử dụng bộ biến đổi tiristor ta có thể thựchiện đo dòng điện từ phía xoay chiều Có thể sử dụng 3 biến dòng lắp ở 3 pha nhưhình 2.8 rồi dùng cầu chỉnh lưu diode đưa về thành điện áp 1 chiều

Hình 2.8: Mắc biến dòng đo dòng điện xoay chiều

Hàm truyền của cơ cấu đo dòng điện như sau:

s

K W

I

I I

Trang 13

b Đo tốc độ.

Có rất nhiều loại cảm biến để đo tôc độ như: Máy phát tốc 1 chiều, xoaychiều, đo tốc độ bằng phương pháp đếm xung(cảm biến cảm ứng đô\o tốc độ, cảmbiến quang đo tốc độ), cảm biến điện từ đo vận tốc dài,… Trên thực tế hay dùngmáy phát tốc và phương pháp đo tốc độ bằng đếm xung Trong bài thiết kế sinhviên chọn đo tốc độ động cơ bằng phương pháp đếm xung(encoder)

Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, đĩa quay cóthể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc.Encoder gồm 2 loại: encoder tuyệt đối và encoder tương đối

Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục.Trên đĩa có các lỗ (rãnh) Người ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa Khi đĩaquay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ(rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, người ta đặtmột con mắt thu Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, người taghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ

có một lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận được tín hiệu đèn led, thì có nghĩa

là đĩa đã quay được một vòng

Hình 2.9: a) sơ đồ cảm biến quang tốc độ

b) sơ đồ nguyên lý transistor

Để làm tăng độ mịn: xác định được chính xác số vòng quay hoặc xác địnhchính xác đĩa quay được 1/2, 1/3, … 1/n vòng Người ta thực hiện tăng số lỗ hoặcrãnh trên đĩa mã hóa

Trang 14

Đỗi với encoder tương đối: gồm 2 vòng lỗ để có thể kết hợp xác định chiềuquay, 1 lỗ định vị để xác định đĩa quay được 1 vòng.

Hình 2.10: đĩa mã hóa của encoder tương đối.

b)Hình 2.11: xung ra trên cảm biến quang tốc độ

a) Xung A và B lệch nhau 900.b) Xác định chiều quay bằng lệch pha

Theo hình 2.11: nếu xung A vượt trước xung B thì chiều quay như hình bêncạnh, cà ngược lại

Thích hợp với trường hợp xác định khi động cơ quay nhiều vòng

Đối với encoder tuyệt đối người ta thực hiện khoét những rãnh như hình2.12

Trang 15

Hình 2.12: encoder tuyệt đối.

ở vòng trong cùng, có một rãnh rộng bằng 1/2 đĩa Vòng phía ngoài, sẽ có 2rãnh nằm đối diện nhau Như vậy, cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2đèn thu Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ hở,thì tín hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1 Và ở vòng lỗ thứ hai, thì ở vị tríkhông có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0 Và như vậy, với số

10, sẽ xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư nào, cũng có nghĩa là quản

lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng Trong ví dụ trên, nếu đèn LEDđọc được 10, thì vị trí của LED phải nằm trong góc phần tư thứ hai, phía trên, bêntrái Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến1/(2^10) tức là đến 1/1024 vòng Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là

1024 xung trên vòng Để nâng cao độ phân giải thì người ta sẽ chế tạo nhiều vònghơn,

Thường dùng encoder tuyệt đối cho những trường hợp góc quay nhỏ bởichúng cho độ chính xác cao

Trang 16

Xét về lý thuyết cảm biến tốc độ chính là 1 khối tỷ lệ, có hệ số khuếch đại K

= 1 Nhưng trên thực tế cảm biến này có bộ lọc, chuyển đổi tín hiệu, thời gian trễ

do quá trình đếm xung do đó mô hình toán của cảm biến tốc độ có dạng sau:

s T

c Cảm biến chiều dài.

Ta thực hiện đo chiều dài dây giữa hai tang kéo liên tiếp thông qua tốc độđộng cơ truyền động và 1 khâu tích phân Hàm truyền của khâu đo có dạng nhưsau[8]:

s T

(2 – 14)

Trang 17

Chương 2: Mô hình toán của hệ thống.

2.1 Các động cơ truyền động chính trong dây truyền cán.

2.1.1 Động cơ điện 1 chiều kích từ độc lập.

a Động cơ điện 1 chiều.

Trong nền sản xuất hiện đại động cơ điện 1 chiều vẫn được sử dụng rộng rãinhờ những ưu điểm của nó như đặc tính điều chỉnh tốc độ tốt, cấu trúc mạch độnglực đơn giản, Tuy nhiên vẫn có nhưng nhược điểm: Giá thành đắt, sử dụng nhiềukim loại mầu, chế tạo bảo quản cổ góp phức tạp,…

- Động cơ điện 1 chiều kích từ nối tiếp

Cuộn kích từ được mắc nối tiếp với phần ứng của động cơ

U

kt E

Hình 2.2: Động cơ 1 chiều kích từ nối tiếp

Trang 18

- Động cơ điện 1 chiều kích từ song song.

Cuộn kích từ được mắc song song với phần ứng của động cơ

U

kt E

Hình 2.3: Động cơ 1 chiều kích từ song song

- Động cơ điền 1 chiều kích từ hỗn hợp