nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động chính của máy tiện hitachi - seiki - 4ne - 600

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI KHOA ĐIỆN BỘ MƠN TỰ ĐỘNG HỐ XNCN ====o0o==== ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH CỦA MÁY TIỆN HITACHI - SEIKI - 4NE - 600 Trưởng môn : TS Trần Trọng Minh Giáo viên hướng dẫn : TS Đỗ Mạnh Cường Sinh viên thực : Nguyễn Quang Trung Lớp : TĐH2 – K47 MSSV : Hà nội, 07-2012 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HN - CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc ­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­ NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: Số hiệu sinh viên: Khóa Khoa/Viện Ngành Đầu đề thiết kế: Các số liệu ban đầu: Nội dung phần thuyết minh tính tốn: Các vẽ, đồ thị ( ghi rõ loại kích thước vẽ ): Họ tên cán hướng dẫn: Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành đồ án: Ngày tháng năm … Trưởng môn Cán hướng dẫn ( Ký, ghi rõ họ, tên) ( Ký, ghi rõ họ, tên) Sinh viên hoàn thành nộp đồ án tốt nghiệp ngày… tháng … năm 2012 Người duyệt Sinh viên ( Ký, ghi rõ họ, tên) ( Ký, ghi rõ họ, tên) LỜI CAM ĐOAN Em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động máy tiện HITACHI – SEIKI- 4NE – 600 em tự thiết kế hướng dẫn thầy giáo TS Đỗ Mạnh Cường Các số liệu kết hoàn toàn với thực tế Để hoàn thành đồ án em sử dụng tài liệu ghi danh mục tài liệu tham khảo không chép hay sử dụng tài liệu khác Nếu phát có chép em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm Hà Nội, ngày 06 tháng 08 năm 2012 Sinh viên thực Nguyễn Quang Trung MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH VẼ DANH MỤC BẢNG SỐ LIỆU Error! Bookmark not defined LỜI NÓI ĐẦU CHƯƠNG GIỚI THIỆU CHUNG VỀ MÁY TIỆN CNC HITACHI - SEIKI - 4NE - 600 1.1 Chức công dụng máy tiện 1.2 Phân loại máy tiện 1.3 Giới thiệu máy tiện CNC Hitachi seiki 4NE ­ 600 1.3.1 Giới thiệu máy gia công CNC 1.3.2 Tổng quan máy tiện CNC 1.3.3 Nguyên lý làm việc máy CNC sử dụn phần mềm điều khiển Siemens Sinumerik 802C base line 1.4 Các chuyển động máy tiện CNC 4NE­ 600 1.4.1 Chuyển động 1.4.2 Chuyển động ăn dao 1.4.3 Các chuyển động phụ 1.5 Các chế độ vận hành máy 1.5.1 Máy tiện CNC 4NE­ 600 điều khiển phần mềm SINUMERIK 802S SIEMENS 1.5.2 Các thông số kỹ thuật máy 1.6 CÁC YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CHÍNH 1.6.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ 1.6.2 Độ trơn điều chỉnh 1.6.3 Độ ổn định tốc độ làm việc 1.6.4 1.6.5 1.6.6 Yêu cầu tự động hạn chế phụ tải Yêu cầu hãm dừng xác Yêu cầu kinh tế CHƯƠNG 10 TÌM HIỂU HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN CNC HITACHI SEIKI - 4NE - 600 10 2.1 Tham số vận hành máy 10 2.1.1 Các cơng thức dùng q trình tính toán 10 2.1.2 Giới thiệu phần mềm lập trình SINUMERIK 802S SIEMENS 10 2.1.3 Quy trình thao tác tiện thân máy CNC HITACHI – SEIKI – 4NE – 600 10 2.1.4 Giới thiệu chương trình gia cơng thân động 7,5kW 11 2.2 Động truyền động 15 2.2.1 Giới thiệu số loại động điện chiều 15 2.2.2 Các Phương pháp điều chỉnh tốc độ động điện chiều 17 CHƯƠNG 22 NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ BỘ BIẾN ĐỔI ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CHÍNH 22 3.1 Sơ đồ cấu trúc biến đổi 22 3.1.1 Phân tích lựa chọn mạch lực 22 3.1.2 Tính chọn mạch động lực 23 3.2 Giới thiệu mạch điều khiển 27 3.2.1 Sơ đồ nguyên lý : 27 3.2.2 Nguyên tắc điều khiển : 27 3.2.2.1.Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : 27 3.2.2.2 Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arccos : 28 3.2.3 Các khâu mạch điều khiển : 29 3.2.3.1 Khâu đồng pha : 29 3.2.3.2 Khâu so sánh : 32 3.2.3.3 Khâu khếch đại : 34 3.2.4 Sơ đồ mạch điều khiển nguyên lý hoạt động 37 3.3.Tính tốn thơng số mạch điều khiển : 41 3.3.1 Tính biến áp xung : 41 3.3.2 Tính tầng khếch đại cuối : 42 3.3.3 Chọn cổng AND : 42 3.3.4 Chọn tụ C3 R9 : 43 3.3.5 Tính chọn tạo xung chùm : 43 3.3.6 Tính chọn khâu so sánh : 44 3.3.7 Tính chọn khâu đồng pha : 45 3.3.8 Tính nguồn ni 46 3.3.9 Tính tốn máy biến áp nguồn ni đồng pha 47 3.3.10 Tính chọn điơt cho chỉnh lưu nguồn ni 48 3.4 Tính chọn thiết bị bảo vệ mạch động lực 48 3.4.1 Sơ đồ mạch động lực có thiết bị bảo vệ 48 3.4.2 Bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn 50 3.4.3 Bảo vệ dòng cho van 50 3.4.4 Bảo vệ điện áp cho van 51 CHƯƠNG 53 TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU MATLAB – SIMULINK 53 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống 53 4.2 Xác định thông số động 55 4.3 Tìm hiểu tính tốn, thiết kế hệ điều khiển 56 4.3.1 Mạch vòng dòng điện : 57 4.3.2 Mạch vòng điều chỉnh tốc độ 59 KẾT LUẬN 63 TÀI LIỆU THAM KHẢO 64 Danh mục hình vẽ DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Sơ đồ khối máy tiện CNC Hình 1.2 : Sơ đồ khối CPU Hình 2.1 : Đồ thị phụ tải truyền động ăn dao 15 Hình 2.2 : Đặc tình điều chỉnh tốc độ động điện chiều 18 cách thay đổi điện trở phụ phần ứng 18 Hình 2.3: Đặc tính điều chỉnh tốc độ cách thay đổi từ thơng Φ 20 Hình :Đặc tính điều chỉnh tốc độ ĐMdl cách thay đổi Uư 21 Hình :Sơ đồ chỉnh lưu có đảo chiều truyền động 22 Hình 3­2 : Sơ đồ khối điều khiển thyristor 27 Hình 3­3 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng tuyến tính : 28 Hình 3­4 : Nguyên tắc điều khiển thẳng đứng arcoss 29 Hình 3­5 : Một số khâu đồng pha điển hình 31 Hình 3­6 : Giản đồ khâu đồng pha 32 Hình 3­7 : Các khâu so sánh thường gặp 33 Hình 3­8 : Sơ đồ so sánh hai tín hiệu khác dấu 34 Hình 3­9 : Sơ đồ khâu khếch đại phân phối xung : 35 Hình 3­10 : Sơ đồ phối hợp tạo xung chùm 36 Hình 3­11 : Đồ thị dạng sóng khâu tạo xung chùm 36 Hình 3­12 : Sơ đồ tạo xung chùm 37 Hình 3­13 : Sơ đồ nguyên lý kênh điều khiển 39 Hình 3­14 : Giản đồ đường cong mạch điều khiển 40 Hình 3­15 : Sơ đồ chân IC 4081 43 Hình 3­16 :Sơ đồ chân IC TL084 44 Hình 3­17 : Sơ đồ nguyên lý tạo nguồn nuôi ± 12 V 46 Danh mục hình vẽ Hình 3­18 : Mạch động lực có thiết bị bảo vệ 49 Hình 3­19 : Mạch R – C bảo vệ điện áp van chuyển mạch 52 Hình 3­20 : Mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới 52 Hình 4­1 : Sơ đồ cấu trúc động 54 Hình 4­2 : Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa 55 Hình 4­3 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dịng điện tốc độ 57 Hình ­ : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện 57 Hình ­ : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ 59 Hình ­ : Đồ thị tốc độ 61 Hình ­ : Đồ thị dòng điện 61 Lời nói đầu LỜI NĨI ĐẦU Trong cơng xây dựng đổi đất nước việc phát triển khoa học kỹ thuật ứng dụng vào lĩnh vực công nghiệp Ở nước ta nhập nhiều loại máy móc, thiết bị đại Do đòi hỏi trình giảng dạy cho học sinh, sinh viên phải trang bị kiến thức nguyên lý hoạt động nguyên tắc vận hành trang thiết bị nhằm nắm bắt kịp thời với thực tế xã hội năm tới Trong trình học tập trường em học môn học Trang Bị Điện, để củng cố kiến thức môn học Em nhận đề tài: “ Nghiên cứu thiết kế hệ thống truyền động máy tiện HITACHI – SEIKI- 4NE – 600 ” Thiết kế truyền động máy tiện việc làm tương đối khó, q trình thự đề tài, thiếu sót hạn chế khơng thể tránh khỏi, chúng em vô cảm ơn lời góp ý, phản biện thầy, hội đồng bảo vệ Đặc biệt thầy TS Đỗ Mạnh Cường, giáo viên trược tiếp hướng dẫn Đó nhận định mới, tầm nhìn cho chúng em phát triển đề tài Em xin chân thành cảm ơn ! Hà Nội, ngày 06 tháng 08 năm 2012 Sinh viên thực Nguyễn Quang Trung Lời nói đầu 3.4.2 Bảo vệ nhiệt cho van bán dẫn Khi làm việc với dòng điện chạy qua , van có sụt áp , có tổn hao công suất ∆P , tổn hao sinh nhiệt đốt nóng van bán dẫn Mặt khác van bán dẫn phép làm việc nhiệt độ cho phép TCP , nhiệt độ cho phép van bán dẫn bị phá hỏng Để van bán dẫn làm việc an toàn , không bị chọc thủng nhiệt , ta phải chọn thiết kế hệ thống tản nhiệt hợp lý Tính tốn cánh tản nhiệt : Tổn thất cơng suất thyristor ∆P = ∆U.Ilv = 2.95,84 = 191,68 W ; Diện tích bề mặt toả nhiệt Sm = P Km  ; Trong :∆P : Tổn hao công suất ( W ) ; τ : Độ chênh lệch nhiệt độ so với môi trường Km : Hệ số toả nhiệt đối lưu xạ Chọn Km = W/m2.0C Tlv , Tmt : Nhiệt độ làm việc nhiệt độ môi trường (0C) Chọn nhiệt độ môi trường Tmt = 400C Nhiệt độ làm việc cho phép thyristor Tcp = 125 0C Chọn nhiệt độ cánh tản nhiệt Tlv = 800C τ = Tlv ­ Tmt = 80 ­ 40 = 400C ; Vậy : Sm = 191,68 = 0,559 m ; 40 Chọn loại cánh tản nhiệt có 12 cánh , kích thước mổi cánh a × b = 16 × 16 (cm × cm ) Tổng diện tích cánh tản nhiệt S = 12 16 16 = 0,6144 m2 ; 3.4.3 Bảo vệ dịng cho van Aptomat dựng để đóng cắt mạch động lực , tự động bảo vệ tải ngắn mạch thyistor , ngắn mạch đầu biến đổi , ngắn mạch thứ cấp máy biến áp , ngắn mạch chế độ nghịch lưu ­ Chọn aptomat có :Idm = k.I = 1,1 I1 = 1,1 38,752 = 73,832 A ; Lời nói đầu Với I1 : dịng điện sơ cấp máy biến áp k : Hệ số an tồn Udm = 220 V ; Aptomat có ba tiếp điểm , cắt tay nam châm điện ­ Chỉnh định dòng ngắn mạch Inm = 2,5.I = 2,5 ­ Dòng tải Iqt = 1,5 I = 1,5 38,752 = 167,8 A ; 38,752 = 100,68 A ; ­ Chọn cầu dao có dịng định mức ICD = IdmAP = 73,832 A ; Cầu dao dựng để tạo khoảng cách an toàn sửa chữa hệ truyền động Dựng dây chảy tác động nhanh để bảo vệ ngắn mạch thyristor , ngắn mạch đầu chỉnh lưu :Nhóm 1CC : ­ Dịng điện định mức dây chảy nhóm 1CC : I1CC = 1,1.I2 = 1,1 135,538 = 149,09 A ; Nhóm 2CC : ­ Dịng điện định mức dây chảy nhóm 2CC : I2CC = 1,1.IhdV = 1,1 95,84 = 105,424 A ; Nhóm 3CC : ­ Dịng điện định mức dây chảy nhóm 3CC : I3CC = 1,1.Idm = 1,1 166 = 182,6 A ; Vậy chọn cầu chảy nhóm : 1CC loại 150 A ; 2CC loại 120 A ; 3CC loại 200 A ; 3.4.4 Bảo vệ điện áp cho van Linh kiện bán dẫn nói chung linh kiện bán dẫn cơng suất nói riêng , nhạy cảm vói thay đổi điện áp Những yếu tố ảnh hưởng lớn tới van bán dẫn mà ta cần có phương thức bảo vệ : ­ Điện áp đặt vào van lớn thông số van ­ Xung điện áp chuyển mạch van ­ Xung điện áp từ phía lưới điện xoay chiều , nguyên nhân thường gặp cắt tải có điện cảm lớn đường dây ­ Xung điện áp cắt đột ngột máy biến áp non tải Lời nói đầu Để bảo vệ cho van làm việc dài hạn khơng bị q điện áp , ta phải chọn van bán dẫn theo điện áp ngược ­ Để bảo vệ điện áp xung điện áp trình cắt van thyristor thực cách mắc R – C song song với thyristor Khi có cố chuyển mạch , điên tích tích tụ lớp bán dẫn phóng ngồi tạo dịng điện ngược khoảng thời gian ngắn Sự biến thiên nhanh chóng dịng điên ngược gây sức điện động cảm ứng lớn điện cảm , làm cho điện áp giũa anôt catôt thyristor Khi có mạch R – C mắc song song với thyristor , tạo mạch vịng phóng điện tích q trình chuyển mạch nên thyristor khơng bị điện áp Theo kinh nghiệm R1 = ( ÷ 30 ) Ω ; C1 = ( 0,25 ÷ ) µF ; Ta chọn : R1 = 5,1 Ω ; C1 = 0,25 µF ; R1 C1 Hình 3­19 : Mạch R – C bảo vệ điện áp van chuyển mạch ­ Để bảo vệ cho xung điện áp lưới từ điện áp lưới , ta mắc song song với tải đầu vào mạch R – C nhằm lọc xung Khi xuất xung điện áp đường dây , nhờ có mạch lọc mà đỉnh xung gần nằm lại hồn tàon điện trở đường dây Trị số R , C phụ thuộc nhiều vào tải Theo kinh nghiệm R2 = ( ÷ 30 ) Ω ; C2 = µF ;Ta chọn : R1 = 12,5 Ω ; C1 = µF ; R2 C2 C2 R2 R2 C2 Hình 3­20 : Mạch R – C bảo vệ xung điện áp từ lưới Lời nói đầu CHƯƠNG TỔNG HỢP MẠCH VỊNG ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU MATLAB – SIMULINK 4.1 Sơ đồ cấu trúc hệ thống Từ yêu cầu hệ thống phải đảm bảo ổn định tốc độ tiến hành tiện với chi tiết khác Truyền động cho động tiện động điện chiều, để ổn định tiện với chi tiết khác ta phải tiến hành xây dựng hệ thống mạch vịng tồn hệ thống Tương tác qua dịng điện phần ứng từ thơng kích từ tạo nên mơmen điện từ có giá trị M  p '.N  I u  K  I u  a Do mômen điện từ kéo co phần ứng quay nên dây quấn phần ứng quét từ thông dây quấn cảm ứng sức điện động E p '.N    K    a Với động điện chiều ta có quan hệ tốc độ mômen : U  Ru I u R U   u Iu K  K K R U   u M K K  Mơ hình chung: U(p)=Rư.I­(p)+Lư.p.I­(p)+E(p) UK(p)=RkIk(p)+Nk.p.(p) Iu  Ru U ( p )  E ( p )  pTu M ( )  M c ( p )  Jp  Tư=Lư/Rư Trong : J : Mơmen qn tính hệ quy đổi trục động Lời nói đầu Từ phương trình tren ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động hình vẽ Thấy sơ đồ cáu trúc phi tuyến mạnh tính tốn ứng dụng ta mơ hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc Chọn điểm làm việc ổn định tuyến tính hóa đặc tính từ hóa đặc tính mơmen tải sau KK  U  I ; B o ,Io M c  o ,M o Iu -E M  K -Mc K UK Hình 4­1 : Sơ đồ cấu trúc động Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng U0, dịng điệntải I0, tốc độ quay ωB, từ thơng θ0, mô men tải MB Các đại lượng biến thiên nhỏ xung quanh điểm làm việc U(p), I(p) (p), (p), Mc(p) Mach phần ứng : Uo+ U(p) = (Rư+Rkt)[Io+I(p)]+p(Lư+Lkt)[Io+I(p)]+K[ o+(p)].[B+] o+(p)=C[Io+I(p)] Lời nói đầu Phương trình chuyển động học: K[ o+(p)] [Io+I(p)]­[MB+Mc(p)]=J.p.[B+(p)] Bỏ qua vô bậc cao từ phương trình ta có U(p)­[K o(p)+K.B (p)]=R I(p).(1+Tư.p) (p)=C I(p) K.Io (p)+K.oI(p)­ Mc=J.p (p) Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa theo phương trình thu sau: B U Mc I K0 K0 KB KI0 UK  IK KK  Hình 4­2 : Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa 4.2 Xác định thông số động  Điện cảm phần ứng : ®m=  n dm 60 Lu  K.U dm 1,8.220   2.69(mH ) I dm ndm p 64.2.1150 Lời nói đầu K dm  U dm  I dm R  dm  220  64 0,833  1,384 1150 2 60  Mơ men qn tính: Quy đổi mơ men quán tính tải trục động   w V V = 0,4(m/s) dm  2. n 2.3,14.1150 120,3   120,3(rad / s)     300 60 60 0,4 31.103 = 2,14(kg.m2) Jm = 120,25 Mơ men qn tính quy đổi trục động lấy gần : 0,05Jđ Mơ men qn tính toàn hệ thống: J = Jm +Jbr + Jd = 2,14 +0,05.32,5+ 32,5 = 36,27 (kg.m 2)  Hằng số thời gian học : Tc  R J ( K )  L 0,833.36,25 0,829 10 3  0,106 (s); Tu    0,018( s ) (3,917) R 0,833  Phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập  Uu R 220 0,045 M M = 56,16 – 0.0029M   k (k) 3,917 (3, ,917)  Phương trình đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập:  Uu R 220 0,0447   Iu  I u = 56,16 – 0.0114Iư k k 3,917 3,917 4.3 Tìm hiểu tính toán, thiết kế hệ điều khiển Để đáp ứng tiêu công nghệ hệ điều khiển tự động truyền động hệ thống, ta phải tổng hợp hai mạch vịng điều khiển: Lời nói đầu ­ ­ Mạch vòng điều chỉnh dòng điện để ổn định mơ men động Mạch vịng tốc điều chỉnh tốc độ để ổn định tốc độcủa động S c u trúc: MC R I® RI I S0I S0  Hình 4­3 : Sơ đồ cấu trúc mạch vịng điều chỉnh dòng điện tốc độ 4.3.1 Mạch vòng dòng điện : Mạch điều chỉnh dòng điện (mạch vịng trong) mạch vịng có tính chất định tới chất lượng điều chỉnh hệ thống ví mạch vịng điều chỉnh dịng điện ảnh hưởng trực tiếp tới mômen kéo động cơ, gia tốc động cơ… chức bảo vệ hệ truyền động Ta thấy số thời gian học Tc = 0,284(s) lớn so với cố thời gian điện từ phần ứng động Tư = 0,0275(s) nên ta coi sức điện động động khơng ảnh hưởng tới q trình điều chỉnh mạch vòng dòng điện Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện : -E Uid RI I BBĐ Si Hình ­ : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện Hàm truyền biến đổi: Lời nói đầu WBD  Kcl Kcl   Tv0 p  Tdk p (1  Tv0 p)(1  Tdk p) Hằng số thời gian: Tđk= 0,001 (s) chọn Tvo=0,00167(s) Ti=0,001(s) Tư=0,018(s) Ts= Tđk+Tvo+Ti=0,001+0,00167+0,001=0,00367