nghiên cứu khái quát về điều khiển máy tiện, thiết kế chương trình điều khiển truyền động chính hệ truyền động F- Đ

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Chương 1: TỔNG QUAN TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÁY TIỆN 1.1 1.2 1.2.1 1.2.2 1.2.3 1.3 1.3.1 1.3.2 Đặc điểm công nghệ máy tiện Phụ tải của cơ cấu các chuyển động điển hình của máy tiện Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt của máy tiện Phụ tải của cơ cấu truyền động chính Phụ tải của cơ cấu chuyển động ăn dao Những yêu cầu và đặc điểm chung đối với truyền động điện máy tiện Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động chính Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động ăn dao Chương 2: CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN 2.1 2.1.1 2.1.2 2.1.3 2.2 2.2.1 2.2.2 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống Xây dựng cấu trúc hệ truyền động F – Đ Mô tả đối tượng điều khiển trên miền thời gian Mô hình hóa hệ F - Đ Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện Tổng hợp mạch vòng tốc độ Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRÊN MATLAB – SIMULINK 3.1 3.2 3.3 Tính toán các thông số của bộ điều khiển Mô phỏng hệ thống điều chỉnh trên Simulink Khảo sát ổn định hệ thống và xác định tham số bộ điều khiển trên miền D KẾT LUẬN TÀI LIỆU THAM KHẢO Chương 1: TỔNG QUAN TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÁY TIỆN 1.1 Đặc điểm công nghệ máy tiện Hình 1.1 – Hình dạng bên ngoài máy tiện 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 v.v… Trên máy tiện có thể thực hiện được nhiều công nghệ tiện khác nhau: tiện 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 dao cắt, dao doa, taro ren… Kích thước gia công trên máy tiện có thể từ cỡ vài mili mét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng) 3 4 2 ? t 1 Fx Fy Fz 2 1 a) b) Hình 1.2 – Dạng bên ngoài (a) và dạng gia công (b) trên máy tiện Dạng bên ngoài của máy tiện như hình 1.2a Trên than máy 1 đặt ụ trước 2, trong đó có trục chính quay chi tiết Trên gờ trượt đặt bàn dao 3 và ụ sau 4 Bàn dao thực hiện sự di chuyển dao cắt dọc và cắt ngàn so với chi tiết Ở ụ sao đặt mũi chống tâm dùng để giữ chặt chi tiết dài trong quá trình gia công hoặc để 5 gá mũi khoan, mũi doa khi khoan, doa chi tiết Sơ đồ gia công tiện ở hình 1.2b Ở máy tiện: chuyển động quay chi tiết với tốc độ góc 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 (hướng kính) chi tiết (tiện ngang) Chuyển động phụ gồm có xiết nới xà, trụ, di chuyển nhanh của dao, bơn nước, hút phoi v.v… 1.2 Phụ tải của cơ cấu các chuyển động điển hình của máy tiện 1.2.1 Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt của máy tiện a Chiều sâu cắt, t Là chiều dày lớp kim loại được bóc đi sau một lần chạy dọc theo phương vuông góc với bề mặt gia công d d D D t t a) b) t c) t d) Hình 1.3 – Chiều sâu cắt khi tiện  Khi tiện mặt trụ ngoài hình (1.3a), chiều sâu cắt t bằng 1/2 hiệu giữa đường kính của phôi D với đường kính đã gia công d, nghĩa là: Trong đó: + D – đường kính phôi, [mm]; + d – đường khính mặt đã gia công, [mm];  Khi tiện lỗ (hình 1.3b), chiều sâu cắt t bằng 1/2 hiệu giữa đường kính đã gia công và đường lỗ trước khi gia công  Khi xén mặt đầu (hình 1.3c), chiều sâu cắt t bằng chiều dày được bóc đi sau một lần chạy dao đo theo phương vuông góc với mặt đầu của chi tiết gia công  Khi cắt đứt (hình 1.3d), chiều sâu cắt t bằng chiều rống rãnh cắt do dao tạo thành b Bước tiến S (lượng chạy dao) Là độ dịch chuyển của lưỡi cắt sau một vòng quay của vật vật gia công Bước tiến S được đo bằng mm (hình 1.4) Người ta chia ra thành ba loại bước tiến: - Bước tiến dọc: có hướng tiến dọc theo đường tâm của chi tiết gia công - Bước tiến ngang: có hướng vuông góc với đường tâm của chi tiết gia công - Bước tiến xiên: có hướng xiên so với đường tâm của chi tiết gia công với một góc bất kỳ (khi gia công mặt côn) Phôi S (mm/vg) Hình 1.4 – Lượng ăn dao khi tiện c Tốc độ cắt Là tốc độ chuyển động dài tương đối của chi tiết so với dao cắt tại điểm tiếp xúc giữa chi tiết và dao Nó được xác định theo chi tiết kinh nghiêm: Trong đó: + t – chiều sâu cắt, mm; + s – lượng ăn dao: là lượng dịch chuyển của dao khi chi tiết quay được một vòng, mm/vg; + T – là tuổi thọ (độ bền) của dao: là thời gian làm việc của dao giữa hai lần mài dao kế tiếp, ph; + CV, xV, yV, m – là hệ số và số mũ phụ thuộc vào vật liệu chi tiết, vật liệu dao và phương pháp gia công Một vài ví dụ về cá giá trị của các hệ số và số mũ: khi gia công gang và thép bằng dao hợp kim CV=40 – 260; dao cắt bằng thép gió CV=18 – 24 Đối với gia công thô t=3 – 30mm, s=0,4 – 2mm/vg; gia công tinh t=0,1 – 2mm; s=0,1 – 0,4mm/vg; T=60 – 180ph Các số mũ xV, yV, m thường lấy các giá trị xV=0,15÷0,2 ; yV=0,35÷0,8 ; m=0,1÷0,2 Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trình gia công phải luôn đạt tốc độ tối ưu, nó được xác định bời các thông số: độ sâu cắt t, lượng ăn dao S và tốc độ trục chính ứng với đường kính chi tiết xác định Khi tiện ngang chi tiết có đường kính lớn, trong quá trình gia công đường kính chi tiết giảm để duy trì tốc độ cắt (m/s) tối ưu là hằng số thì phải tăng liên tục tốc độ góc của chục chính theo quan hệ: Trong đó: + Dct – đường kính chi tiết, mm + ωct – tốc độ góc của chi tiết, rad/s d Lực cắt Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa chi tiết và dao có một lực tac dụng F, lực này được chia làm 3 thành phần: 1 3 Fx Fy Fz 2 4 Hình 1.5 – Các thành phần đặc trưng cho gia công tiện + Lực tiếp tuyến Fz (lực cắt): chống lại sự quay của chi tiết + Lực dọc trục Fx (lực ăn dao): chống lại sự di chuyển của bàn dao + Lực hướng kính Fy: chống lại sự tì của dao và chi tiết Để tính lực cắt ta sử dụng công thức kinh nghiệm sau: Trong đó:CF , xF , yF , n – hệ số và các số mũ phụ thuộc vào vật lieu chi tiết, vật liệu dao và các phương pháp gia công Các lực Fx, Fy cũng được xác định theo các công thưc tương tự như công thức(1–4) Khi tính toán sơ bộ có thể lấy Fx, Fy theo tỷ lệ sau: Fz : Fy : Fx = 1 : 0,4 : 0,25 Khi gia công thép bằng dao hợp kim cứng C F = 300 ; dao bằng thép gió CF = 208 Gia công gang xám tương ứng CF = 92 và CF = 118 ; xF = 1 ; yF = 0,75 ; n = 0 với dao bằng thép gió và n = -0,15 với dao bằng hợp kim cứng e Công suất cắt Là công suất yêu cầu của cơ cấu chuyển động chính Quá trình tiện xảy ra với công suất cắt(kW) là hằng số và được xác định: Bởi vì lực cắt lớn nhất F max sinh ra khi lượng ăn dao và độ sâu cắt lớn, tương ứng với tốc độ cắt nhỏ Vz min ; còn lực cắt nhỏ Fmin xác định bởi t, s tương ứng với tốc độ cắt Vz max nghĩa là tương ứng với hệ thức: Fmax Vz min = Fmin Vz max (1 – 7) Sự phụ thuộc của lực cắt vào tốc độ cắt như hình 1.4: Fz Hình 1.6 – Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện O V f.Thời gian máy Thời gian máy là thời gian dùng để gia công chi tiết Nó còn được goi là thời gian công nghệ, thời gian cơ bản hoặc thời gina hữu ích Để tính toán thời gian máy ta phải căn cứ vào các yếu tố của chế độ cắt gọt, phương pháp gia công: Trong đó: + L: chiều dài hành trình làm việc [mm] + n: tốc độ quay của chi tiết [vg/ph] Nếu thay vào (1 – 7) giá trị : Ta được: Trong đó: d – đường kính chi tiết gia công [mm] Từ (1 – 8) ta thấy muốn tăng năng suất máy (giảm t), phải tăng tốc độ cắt và lượng ăn dao Do đó người ta áp dụng phương pháp cắt cao tốc 1.2.2 Phụ tải của cơ cấu chuyển động chính Trong chuyển động chính của máy tiện, lực cắt là lực hữu ích của máy, nó phụ thuộc vào các chế độ cắt (t, s, v), vật liệu chi tiết và dao Chuyển động chính máy tiện là chuyển động quay được xác định theo công thức: Trong đó: + Fz – lực cắt, [N] + d – đường kính của chi tiết gia công (phôi), [m] Momen hữu ích trên trục động cơ là: i – tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục chính của máy Momen cản tĩnh trên trục động cơ: η – hiệu suất bộ truyền từ trục động cơ đến trục chính Với máy tiện đứng do có chuyển động ở bàn máy nên còn xuất hiện một lực ma sát phụ ở gờ trược của mâm cặp: Trong đó: FN – lực tổng tác dụng lên gờ trượt, được xác định bởi khối lượng mâm cặp hoặc bàn mb, khối lượng chi tiết mct đặt trên mâm cặp, thành phần lực cắt Fy Hệ số ma sát μ ở gờ trượt phụ thuộc vào tốc độ mâm cặp, nó có giá trị lớn khi khởi động máy Vì vậy ở những máy này, momen cản tĩnh khi khởi động đạt tới (60 ÷ 80)% momen định mức Ở tốc độ định mức thì μ = 0,05 ÷ 0,08 và là hằng số Ở chế độ xác lập, lực kéo của các chuyển động mâm cặp được xác định là các tổng các lực cắt và lực ma sát: Momen trên trục động cơ ứng cới chuyển động quay là: 1.2.3 Phụ tải của truyền động ăn dao Lực ăn dao của truyền động ăn dao được xác định theo công thức tổng quát: Trong đó: + Fx – thành phần lực cắt theo hương di chuyển của bàn dao; + k=1,2 ÷1,5 – hệ số dự trữ; + Fms – lực ma sat của bàn ở hướng gờ trượt; + Fd – lực dính;  Lực ma sát của bàn theo hướng gờ trượt được xác định bởi công thức: μ – hệ số ma sát của bàn theo hướng gờ trượt  Lực dính sinh ra khi khởi động bàn dao: S – diện tích bề mặt tiếp xúc ở gờ trượt của bàn dao, [cm2]; β – áp suất dính thường bằng 0,5N/cm2; Các thành phần lực ở (1 – 17) không đồng thời xuất hiện trong quá trình làm việc nên khi xác định phụ tải truyền động ăn dao phân ra làm hai chế độ làm việc: làm việc và ăn dao khởi động  Khi khởi động lực ăn dao xác định bởi hai lực ma sát do khối lượng của bộ phận di chuyển và lực dính: Với μ0 = 0,2 ÷ 0,3 – hệ số ma sát khi khởi động  Khi cơ cấu ăn dao làm việc, lực ăn dao được tính: Với μ = 0,05 ÷ 0,15 – hệ số ma sát khi làm việc Công suất ăn dao của máy tiện được xác đinh bởi công thức: + Fad – lực ăn dao, [N]; + Vad – tốc độ ăn dao, [m/s]; Thu gọn ta được sơ đồ như hình vẽ: Trong đó S 0i là hàm truyền của đối tượng Hình 2.6 Sơ đồ thu gọn của mạch vòng điện S 0i = K K i 1 / Ru (1 + Tkt p )(1 + Ti p )(1 + Tu p) ( 2.32 ) Vì Tkt ; Ti số thời gian rất nhỏ nên bỏ qua thành phần bậc cao là các hằng số ⇒ S 0i = K K i 1 / Ru [1 + (Tkt + Ti ) p ](1 + Tu p) Đặt: Tsi = Ti + Tkt ⇒ S 0i = KK i 1 / Ru (1 + Tsi p )(1 + Tu p ) ( 2.33 ) Áp dụng tiêu chuẩn môdul tối ưu ta có hàm truyền của hệ thống FMC = 1 2 1 + 2τ σ p + 2τ σ p 2 ( 2.34 ) RS i 0i Mà FK = FMC = 1 + R S i 0i ⇒ Ri = 1 − S 0i ( FMi1 − 1) ( 2.35 ) Thay vào ta có: Ri = Ru (1 + pTsi )(1 + pTu ) K K i 2τ σ p (1 + τ σ p ) Chọn τ σ = Tsi ta có bộ điều chỉnh dòng: Ri = Ru Tu 2 K K i Tsi  1  1 +   pTu    ⇒ Ri là khâu tỉ lệ tích phân PI ( 2.36 ) 2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ Từ kết quả vừa xác định ta có hàm truyền của mạch vòng dòng điện như sau FMC = 1 T