phân tích các phương pháp điều khiển truyền động ăn dao và thiết kế bộ điều khiển truyền động ăn dao tự động cho máy tiện hệ t đ cho máy tiện

Với yêu cầu là phân tích các phương pháp điều khiển truyền động ăn dao và thiết kế bộ điều khiển truyền động ăn dao tự động cho máy tiện hệ T-Đ.. Lực ăn dao được xác định như sau: Các th

MỤC LỤC Trang

Lời mở đầu………2

Chương 1: Tổng quan về máy tiện………

1.1 Đặc điểm công nghệ ……… ……

1.1.1 Phân loại máy tiện………

1.2 Phụ tải của cơ cấu truyền động ăn dao.………

1.3 Những yêu cầu và đặc điểm chung của cơ cấu truyên động ăn

dao của máy tiện ……… ……

1.3.1 Các phương pháp điều khiển truyền động ăn dao…………

Chương 2: Thiết kế bộ điều khiển truyền động ăn dao tự động 2.1 Sơ đồ điều khiển truyền động ăn dao ………

2.1.1 Mạch động lực………

2.1.2 Mạch điều khiển………

2.1.3 Mạch nguyên lí………

2.1.4 Thiết kế tủ điều khiển………

2.1.5 Sơ đồ đấu dây………

2.2 Xây dựng mơ hình thay thế động cơ điện một chiều …………

2.3 Mô hình thay thế bộ biến đổi………

2.4 Mô hình thay thế máy phát tốc………

2.5 Thiết kế bộ PID cho truyền động ăn dao tự động………

2.5.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện………

2.5.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ:………

Chương 3: Sử dụng simulink khảo sát ổn định cho hệ thống 3.1 Lựa chọn thông số mô phỏng ……….

3.1.1.Tính chọn bộ điều khiển dòng điện và tốc độ………

3.2 Sử dụng simulink mơ phỏng hệ thống máy tiện………

3.2.1 Mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập………

3.2.2 Mô phỏng dòng điện và tốc độ sau khi thiết kế bộ PID……

Kêt luận………

Tài liệu tham khảo………

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 tiện 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 ăn dao

và thiết kế bộ điều khiển truyền động ăn dao tự động cho máy tiện hệ T-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 !

Chương1:

Tổng Quan Về Máy Tiện

1.1 Đặc điểm công nghệ

Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, Rơvonve,

máy tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện cụt,máy tiện đứng… Trên máy tiện có thể thực hiện nhiều công nghệ tiện khácnhautiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặt đầu, tiện côn, tiện định hình Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan và tiện ren,bằng các giao cắt, dao doa, taro ren… Kích thước gia công trên máy tiện

có thể cỡ hàng milimét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng)

ω ct là chuyển động chính, chuyển động di chuyển của dao 2 là chuyển động ăn

dao Chuyển động ăn dao có thể là ăn dao dọc, nếu dao di chuyển dọc theo chi tiết (tiện dọc) hoặc ăn dao ngang, nếu dao di chuyển ngang (hướng kính) chi tiết (tiện ngang) Chuyển động phụ gồm có xiết nới xà, di chuyển nhanh của dao, bơm nước,hút phoi …

1.1.1 Phân loại máy tiện:

Một số máy tiện tiêu biểu hiện nay trên thị trường như sau:

Hình 1-2 Máy tiện Việt chuẩn

Hình 1-4 Máy tiện với m 1239953967

Hình 1-5 Máy tiện DSC01180

Hình 1-6 Image – 2

Hình 1-8 Máy tiện Châu Âu

Hình 1-9 Máy tiện loại 2

Hình 1-10 Máy tiện kiểu đứng 1

Hình 1-11 Máy tiện ngang

Hình 1-12 Máy tiện bàn

Hình 1-13 Máy tiện vạn năng

Hình 1-14 Máy tiện CNC-ML 260

Hình 1-15 Máy tiện vạn năng –LA430

1.2 Phụ tải của cơ cấu truyền động ăn dao:

Trong hệ truyền động ăn dao,động cơ thực hiện di chuyển bàn dao hoặc chi tiết để đảm bảo quá trình cắt Động cơ truyền động ăn dao sẽ đảm bảo một lực cần thiết

để di chuyển tịnh tiến bàn dao Lực ăn dao được xác định như sau:

Các thành phần lực trên không xuất hiện đồng thời trong quá trình lm việc nn khi

xc định phụ tải của truyền động ăn dao, phân ra thành hai chế độ ; khởi động và ăn dao làm việc

Công suất ăn dao của máy tiện được xác định theo công thức :

Trong đó: s’ = s/ 2 π ,[mm/rad]

ω ct - tốc độ góc chi tiết, rad/s

s – lượng ăn dao, mm/vg

1.3 Những yêu cầu và đặc điểm chung của cơ cấu truyên động ăn dao của máy tiện

Phạm vi điều chỉnh của truyền động ăn dao thường là D = (50 ¿ 300)/1 với độtrơn điều chỉnh ư = 1,06 và 2,06 và mômen không đổi (M = const)

Ở chế độ làm việc xác lập ,độ sai lệch tĩnh yêu cầu nhỏ hơn 5% khi phụ tải thay đổi từ không đến định mức Động cơ cần khởi động và hm m Tốc độ di chuyển bàn dao của máy tiện đứng cần lien hệ với tốc độ quay chi tiết để đảm bảo giữ nguyên lượng ăn dao

Ở máy tiện cỡ nhỏ thường truyền động ăn dao được thực hiện từ động cơ truyền động trục chính, cịn ở nhũng my tiện nặng thì truyện động ăn dao được thực hiện

từ một động cơ riêng là động cơ một chiều cấp điện từ khuếch đại máy điện hoặc

bộ chỉnh lưu có điều khiển.Tuy nhiên trong đồ án này em nghiên cứu về máy tiện đứng 1540 nên sử dụng động cơ riêng cho bàn dao Do hệ thống này công suất không lớn và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng sủ dụng hệ thống T-Đ (bộ biến đơi dùng thyristor- động cơ điện một chiều)

Hình 2-2 Mô hình bộ biến đổi động cơ

Hình 1-16 Đồ thị phụ tải truyền động ăn dao

Đối với truyền động ăn dao mômen không đổi khi điều chỉnh tốc độ vùng tốc độ thấp lượng ăn dao s nhỏ lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn t Trong vùng này tốc độ ăn dao giảm lực ăn dao và mômen cũng giảm theo.Ở tốc độ cao Vz của truyenf động trục chính lớn nếu Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn Do đó cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này, mômen truyền động ăn dao cũng giảm theo

Lực và mômen phụ tải của truyền động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ Ở dải V1-V2 mômen phụ tải là hằng số, V < V1, V > V2 phụ tải thay đổi tuyến tính theo tốc độ

1.3.1 Các phương pháp điều khiển truyền động ăn dao:

Hình 1-17 Sơ đồ duy trì lượng ăn dao là hằng số

Yêu cầu đặc biệt với máy tiện là duy trì lượng ăn dao không đổi.Điện áp chủ đạo của hệ thống được lấy từ FT1 nối cứng với trục động cơ truyền động trục chính ĐCkhi đó Ucd = K1.ωD = K2.ω2 và ωD/ ωC = cte Chiết áp RD sẽ đặt lượng ăn dao.

Hình 1-18 Sơ đồ điều khiển duy trì tốc độ ăn dao là hằng số

Sơ đồ điều khiển duy trì tốc độ cắt là hằng số được thực hiện bang các Đattric đường kính và tốc độ kiểu không tiếp điểm Điện áp ra của X31 tỉ lệ với tốc độ dài

v Diện áp phản hồi được lấy từ FT cuộn dây kích từ phát tốc được cấp điện từ đattric X32 qua cầu chỉnh lưu CL2 tỉ lệ với đường kính của chi tiết Ucd= Uph= K2.ωct.dcr và thực hiện được luật điều khiển ωct.dcr = cte

Chương 2:

Thiết kế bộ điều khiển truyền động ăn dao tự động

2.1 Sơ đồ điều khiển truyền động ăn dao :

2.1.1 Mạch động lực:

Hình 2-1 Mạch động lực của truyền động ăn dao máy tiện

- Động cơ Đ1 là động cơ một chiều kích từ độc lập là động cơ truyền động chính cho truyền động ăn dao.Phần ứng của Đ1 được cung cấp từ

BBD dùng Tristor được cung cấp từ biến áp BA1

- FT1,FT2 l hai my phát tốc

- AT1 Aptomat cấp nguồn chính cho BA1 và cấp nguồn cho BBĐ

- CKD1 cuộn kích từ cho Đ1

- CKFT2 cuộn kích từ cho máy phát tốc 2

- Đ2 động cơ truyền động nhanh của ụ dao và bàn dao

- K là tiếp điểm chính của công tắc tơ K

- AT2 là aptomat cấp nguồn cho Đ2 chính cho Đ2.

2.1.2 Mạch điều khiển:

Hình 2-3 Mạch điều khiển của truyền động ăn dao máy tiện

- NC1- NC8 là các nam châm điện của các khớp li hợp điện từ

- R1- R9 là các role trung gian

- KC1,KC2 là hai bộ khống chế

- CD1-CD4 là các công tắc chuyển đổi

- ĐH1-ĐH4 là các đèn báo hiệu các chế độ di chuyển của bàn dao và ụ dao

Hình 2-4 Mạch nguyên lí của truyền động ăn dao máy tiện

*) Thuyết minh sơ đồ như sau :

Hệ thống truyện động ăn dao đảm bảo điều chỉnh tốc độ ăn dao làm việc trong phạm vi 0,059 ¿ 470 m/ph Hệ thống là hệ thống T-Đ không đảo chiều thực hiệntrong hệ thống kín có phẩn hồi ăm tốc độ nhờ máy FT2 Phạm vi điều chỉnh động

cơ là 200/1 bằng thay đôi điện áp phần ứng đảm bảo ( M = const )

Khi hoạt động ta lựa chọn chế độ di chyển của ụ dao và bàn dao được thực hiện nhờ các công tắc chuyển đổi Khi các công tắc chuyển đổi này có điện các rơle trung gian tương ứng có điện và đóng nguồn cho các nam châm điện của các khớp

li hợp điện từ

-Thực hiện chế độ di chuyển lên của ụ dao thì đóng CD1, R4 có điện, NC1 có điện

- Thực hiện chế độ di chuyển xuống của ụ dao thi đóng CD2, R5 có điện, NC2 có điện

- Thực hiện chế độ di chuyển tới tâm của bàn dao CD3 đóng, R6 có điện ,NC3 có điện

- Thực hiện chế độ di chuyển xa tâm của bàn dao CĐ4 đóng, rơle R7 có điện,NC4

có điện

- khi NC5, NC6 có điện thì các rơle từ R4 đến R7 mất điện ụ dao và bàn dao được hãm dừng nếu đặt KC2 ở vị trí 1 thì NC5, NC6 không có điện nhưng ụ dao và bàn dao vẫn có thể hãm được.

- Sơ đồ đảm bảo sự làm việc của truyền động ở cả 3 chế độ : Ăn dao làm việc, di chuyển nhanh và di chuyển chậm sử dụng bộ khống chế KC1 Ở chế độ làm việc KC1 đặt ở vị trí 0, muốn di chuyển nhanh ụ dao và bàn dao KC1 đặt ở vị trí 2, ấn nút M rơle R2 có điện và đóng công tắc tơ K, bàn dao sẽ được di chuyển nhanh nhờ động cơ Đ2.Nếu muốn di chuyển chậm bàn dao hoặc ụ dao thì KC1 đặt ở vị trí1,ấn nút M rơle R3 có điện điện áp chủ đạo được lấy trên RD1 qua tiếp điểm R3 cótrị số nhỏ tương ứng với tốc độ động cơ nhỏ

- Nếu dừng máy ta ấn nút D Trong sơ đồ có các bảo vệ sau bảo vệ dòng cực đại

và ngắn mạch nhờ aptomat AT1,AT2 bảo vệ giới hạn chuyển động của ụ và bàn dao nhờ các công tắc hành trunh cuối BK1 – BK5

- Sơ đồ chỉ làm việc khi truyền động chính đã làm việc: tiếp điểm RLĐ kín

- Động cơ bơm dầu đã làm việc: Tiếp điểm KT kín

- Xà máy đã được kẹp chặt : tiếp điểm RX kín

- Ụ dao được di chuyển khi ụ dao được nới ; Tiếp điểm RD1 kín

Ngoài ra còn có các đèn báo hiệu ĐH1- ĐH4 báo các chế độ di chuyển của ụ dao

và bàn dao tương ứng

2.1.4 Thiết kế tủ điều khiển:

Trên cơ sơ lựa chọn các thiết bị , ta bố trí các thiết bị trên bảng điều khiển theo một số nguyên tắc sau:

+ Dùng các đầu nối trung gian để nối các điểm trong và ngoài bảng điện với nhau

+ Bố trí các thiết bị có kích thước lớn và nặng ở phía dưới bảng điều khiển

VD như các công tắc tơ đóng cắt, các công tắc tơ gia tốc Còn các thiết bị nhẹ bố trí ở phía trên

+ Các phần tử phát nhiệt (nếu có, như rơ le nhiệt) thì phải bố trí xa các thiết bị

Hình 2-5 Tủ điều khiển

2.1.5 Sơ đồ đấu dây.

STT Tªn thiÕt bÞ §iÓm nèi

8 Rơle trung gian R2

10 Rơle trung gian R4 48 – 1DK

15 Rơle trung gian R9 58 – KC1(1)

17 Nót di chuyen nhanh

M

38 – 7DK 38’ – 1DK

Biến trở RD1

9 – CCL 9’ – BK4

10 – 11DK 10’ – BK3

15 – CCL

14 – 11DK

b – BBD

25

24

25

26

Đèn báo ĐH1 Đèn báo ĐH2 Đèn báo ĐH3 Đèn báo ĐH4 32 – 10 DK 32’–32R4 33 – 10 DK 33’–33R5 36 – 10 DK 36’–35R6 36 – 10 DK 36’–35R6 2.2 Xây dựng mơ hình thay thế động cơ điện một chiều :

Hình 2-6 Sơ đồ thay thế động cơ điện một chiều

Trong đó: +Ud – điện áp đặt vào động cơ

U = Rư.I(t) + Lư

di(t )

dt + E(t) ( 2.2 ) E(t) = KƯ ω (t) ( 2.3 )Phương trình điện mơmen:

M(t) - MC(t) = J

dω(t )

dt ( 2.4 ) M(t) = k.Φ.i(t) ( 2.5 )

* Chuyển các phương trình trên sang dạng toán tử Laplace:

U(p) = Rư.I(p) + Lư.I(p).p + E(p) ( 2.6 ) M(p) - MC(p) = J(p) ω (p).p (2.7)

E (p) = KƯ ω (p) ( 2.8 ) M(p) = k.Φ.I(p) ( 2.9 )

Ta thành lập được phương trình đặc tính cơ như sau:

+ x* - là giá trị chuyển sang đại lượng tương đối

Đối với hệ thống mô phỏng thì các đại lượng mô phỏng thường được chọn theotrang 19->25- [ 2 ] như sau:

J.p ω (p)/Mb = M*(p) - M*c(p)

=> J.p (ω (p)/Mb) ω *(p) = M*(p) - M*c(p)

Đặt J ω b /Mb = J*

=> J*.p ω *(p) = M*(p) - M*c(p)

Để thuận tiện khi biểu diễn các đại lượng mô phỏng ta bỏ các dấu (*) và khi đó hệ

ω *(p) =

1

J¿P (M*(p) - M*c(p)) (2.29) E(P) = ω (p).Φ(p) ( 2.30 )

M(p) = Φ(p).I(p) ( 2.31 )

Từ các phương trình trên ta được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều như sau:

Hình 2-7 Mô hình động cơ một chiều

2.3 Mô hình thay thế bộ biến đổi

Đối với bộ biến đổi Thyristor có các thông số đặc trưng khi mô phỏng đó là: hệ sốkhuyếch đại bộ biến đổi chỉnh lưu kcl , hằng số thời gian bộ chỉnh lưu TV, hằng sốthời gian mạch điều khiển bộ chỉnh lưu Tđk Mô hình thay thế bộ chỉnh lưu là mộtkhâu quán tính bậc hai với các thông số khuyếch đại kcl , hai hằng số thời gian là

TV và Tđk :

2.4 Mô hình thay thế máy phát tốc:

Máy phát tốc được đặc trưng bởi hai thông số: hệ số khuyếch đại của máy phát tốc K ω , hằng số thời gian của máy phát tốc T ω Mô hình thay thế của máy

phát tốc là một khâu quán tính bậc nhất với hệ số khuyếch đại là K ω ,hằng số thời gian là T ω :

Sơ đồ cấu trúc chung của toàn bộ hệ thống như sau:

Hình 2-8 Sơ đồ cấu trúc của toàn hệ thống

2.5 Thiết kế bộ PID cho truyền động ăn dao tự động:

2.5.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện:

Khi bỏ qua sức điện động E như sau

Trong đó :

K cl

(1+T dkφ P)(1+T v P )

K cl : Hệ số khuếch đại chỉnh lưu.

T dkφ : Hằng số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu

T v : Hằng số thời gian của sự chuyển mạch chỉnh lưu

K i

1+T i p :Hàm truyền của cảm biến dòng điện

K i : hệ số khuếch đại của cảm biến dòng điện

T i : hằng số thời gian của cảm biến dòng điện

Thu gọn ta được sơ đồ như hình vẽ:

Trong đó S 0 i là hàm truyền của đối tượng

Hình 2-10 Sơ đồ thu gọn của mạch vòng điện

Hình 2-12 Sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độTrong đó:

3.1 Lựa chọn thông số mô phỏng:

-Hiệu suất động cơ : ηdm = 0.95

-Hằng số thời gian máy biến dòng: Ti = 0,002 (s)

-Hằng số thời gian của bộ chỉnh lưu: TV = 0,0025(s)

-Hằng số thời gian của mạch điều khiển:Tdk =0,0001(s)

-Hằng số thời gian của máy phát tốc: T = 0,001 (s)

-Mômen quán tính của động cơ: J = 2 (kg/m2)

3.1.1.Tính chọn bộ điều khiển dòng điện và tốc độ:

R u=0,5 (1−ηdm).U dm

I dm = 0,5.(1−0,95)

2206,8=0,8 ( Ω ) ( 3.4 )+ Hằng số thời gian phần ứng:

T u=L u

R u =

0,20,8=0,25(s) ( 3.5 )+ Hằng số thời gian cơ học của động cơ:

T c= JR u

2.0,8 1,42 =0,82(s) ( 3.6 )+ Hệ số khuyếch đại chỉnh lưu động cơ:

1,25 1+0 ,25 p ( 3.11 )

3.2 Sử dụng simulink mơ phỏng hệ thống máy tiện:

3.2.1 Mô phỏng động cơ điện một chiều kích từ độc lập:

Hình 3-1 Xây dựng trên simulink mô hình ĐCĐ 1 chiều

Hình 3-2 Kết quả mô phỏng dòng điện ĐCĐ 1 chiều

Nhận xét: Lúc đầu dòng tăng nhanh sau đó giăm dần và sau khoảng 3s động cơ đã

gần đạt dòng định mức và hầu như không có quá dao động

Hình 3-3 Kết quả mô phỏng tốc độ ĐCĐ 1 chiều

Nhận xét: Sau khoảng 2s động cơ đã gần đạt tốc độ định mức và hầu như không có

quá điều chỉnh

3.2.2 Mô phỏng dòng điện và tốc độ sau khi thiết kế bộ PID