nghiên cứu khái quát về điều khiển máy tiện. thiết kế chương trình điều khiển giám sát sự phối hợp truyền động chính và truyền động ăn dao cho máy tiện dùng f - đ

MỤC LỤC Trang Lời mở đầu…………………………………………………………2 Chương 1: Tổng quan công nghệ tiện……………………………………3 1.1. Đặc điểm công nghệ tiện…………………………… …… 3 1.2. Đặc điểm truyền động chính và truyền động ăn dao ……… 4 1.3. Những yêu cầu và đặc điểm đối với trang bị điện và truyền động điện máy tiện……………………………………… ….8 Chương 2: Mô hình hóa hệ truyền động hệ F-Đ……………… … 12 2.1. Mô hình hóa hệ F-Đ…………………… ……………… ….12 2.1.1. Mô hình hóa máy phát ………………………………… 12 2.1.2. Mô hình hóa động cơ 1 chiều…………………………… 12 2.1.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ………………………….15 2.1.4. Tổng hợp mạch vòng tốc độ …………………………… 17 2.2. Khảo sát ổn định hệ thống và khảo sát trên miền D……… 18 2.2.1. Tìm hiểu về miền D……………………………… …… 18 2.2.2. Khảo sát ổn định và xác định các tham số hệ thống…… 23 Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển và sơ đồ lắp ráp………32 3.1 Tính toán thiết kế cho các bộ PID,mạch điều khiển………… 32 3.2 Tổng hợp bộ điều khiển và sơ đồ lắp ráp………………… 39 Kêt luận…………………………………………………………………….42 Tài liệu tham khảo………………………………………………………….43 1 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 thiết kế bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ hệ máy phát động cơ. Qua thời gian học tập nghiên cứu và chỉ bảo tận tình của thấy TS. Hoàng Xuân Bình em đã thực hiện thành công đồ án này. Mặc dù đồ án đã hoàn thành đạt kết quả tốt 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 ! 2 Chương 1. TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN 1.1 Đặc điểm về công nghệ tiện Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, máy tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện đứng… 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, dao taro ren… Kích thước gia công trên máy tiện có thể từ cỡ vài mili đến hang chục mét. Hình 1.1.1 Máy tiện Dạng bên ngoài của máy tiện như hình. Trên thân 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 ngang so với chi tiết. Ở ụ sau đặt mũi 3 chống tâm dùng để dữ chi tiết dài trong quá trình gia công chi tiết, hoặc để mũi khoan, mũi doa khi khoan, doa chi tiết. Sơ đồ gia công tiện như hình. Ở máy tiện, chuyển động quay quanh chi tiết với tốc độ góc ct ω là chuyển động chính, chuyển động di chuyển của 2 dao là chuyển động ăn dao. Chuyển động ăn dao có thể là ăn dao dọc chi tiết, nếu dao di chuyển dọc chi tiết ( tiện dọc) hoặc ăn dao ngang, nếu dao di chuyển ngang(hướng kính) chi tiết. Chuyển động phụ gồm có xiết xá nới xà, trụ , di chuyển nhanh của dao, bơm nước, hút phôi. 1.2 Đặc điểm truyền động chính và truyền động ăn dao 1.2.1. Phụ tải truyền của cơ cấu truyền động chính Quá trình thực tiện trên máy tiện được thực hiện với các chế độ cắt khác nhau đặc trưng bởi các thong số: độ sâu cắt, lượng ăn dao và tốc độ cắt v. Tốc độ phụ thuộc vật liệu gia công, vật liệu dao, kích thước dao, dạng gia công, điều kiện làm mát v v theo công thức kinh nghiệm. VV yX m v stT C v = [m/ph] Với : t : chiều sâu cắt s : lượng ăn dao, là độ dịch chuyển của dao khi chi tiết quay được một vòng, mm/vg. T : độ bền dao, là thời gian làm việc của dao giữa 2 lần mài dao kế tiếp, ph. C V , x V ,y V , m là các hệ số mũ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo chi tiết, chế tạo dao và phương pháp gia công. Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trình gia công phải luôn đạt tốc độ cắt tối ưu, nó xác định bởi 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 dần để duy trì tốc độ cắt là hằng số, thì phải tăng liên tục tốc độ góc của trục chính theo quan hệ : 4 ctct dv ω .5.0 = Với : d ct : đường kính chi tiết,m Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa dao và chi tiết xuất hiện một lực F gồm 3 thành phần và lực cắt được xác định theo công thức: n y F F x FZ vstCF 81,9= [N] Quá trình xảy ra liên tục với công suất cắt (KW) là hằng số: P z = F z .v.10 -3 [KW] 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 V min ; còn lực cắt nhỏ nhất F min , xác định bởi t, s tương ứng với tốc độ cắt V max , nghĩa là tương đương với hệ thức: F max .V min = F min .V max Sự phụ thuộc của lực cắt vào tốc độ như hình sau: Hình 1.2.1 Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện Tuy nhiên như đã phân tích, dạng đồ thị phụ tải thực tế của truyền động chính máy tiện có dạng hai vùng F z = const và P z = const ( hình 1.2.4) 1.2.2 Phụ tải truyền động chính máy tiện đứng Truyền động máy tiện đứng có đặc thù riêng khác so với các máy tiện bình thường về cấu trúc và kích thước. Trên máy tiện đứng, chi tiết gia công có đường kính lớn và đước đặt trên mâm cặp nằm ngang, hay nói cách khác trục mâm cặp là theo phương thẳng đứng. Do trọng lượng mâm cặp, trọng lượng chi tiết lớn nên lực ma sát ở gờ trượt và hộp tốc độ khá lớn. Vì vậy phụ tải trên trục 5 động cơ động cơ truyền động chính máy tiện đứng là tổng các thành phần lực cắt, lực ma sát ở gờ trượt, lực ma sát ở hộp tốc độ. Hình 1.2.2 Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện đứng. Trên hình 1.2.2 là đồ thị biểu diễn các thành phần công suất của truyền động chính và sự phụ thuộc của chúng vào tốc độ mâm cặp : P 1 - công suất khắc phục lực ma sát ở gờ trượt ; P 3 và P 4 – công suất khắc phục lực ma sát ở hộp tốc độ tương ứng do lực cắt và quay quanh mâm cặp; P 5 – tổng công suất của truyền động chính. Thành phần lực ma sát phụ thuộc vào tốc độ ảnh hưởng lớn đến quá trình quá độ của truyền động chính. Do khối lượng của mâm cặp và chi tiết lớn và sự khác nhau của hệ số ma sát lúc đứng yên và chuyển động nên moomen cản tĩnh khi khởi động của truyền động có thể đạt tới 60-80% momen định mức. Vì momen quán tính tổng qui đổi trực tiếp về trục động cơ có thể đạt tới 8-9 lần momen quán tính của động cơ nên quá trình khởi động của hệ thống diễn ra chậm với momen cản tĩnh lớn. Theo mức độ gia tăng tốc độ của động cơ, momen cản tĩnh sẽ giảm nhanh và khi tốc độ tăng thì nó ít thay đổi. 1.2.3. Phụ tải truyền động ăn dao Lực ăn dao của truyền động ăn dao được xác định theo công thức: F ad = kF x + F ms + F d [N ] Công suất ăn dao của máy tiện được xác định bằng công thức: P ad = F ad .v ad . 10 -3 [KW] 6 Công suất ăn dao thường nhỏ hơn công suất cắt 100 lần vì tốc độ ăn dao được xác định bởi lượng ăn dao và tốc độ góc chi tiết : v ad = s ’ . ct ω .10 -3 [m/s] nhỏ hơn tốc độ cắt nhiều lần, ở đây : π 2 ' s s = [mm/rad] Hình 1.2.3 Đồ thị phụ tải truyền động phụ tải ăn dao. Lực và momen phụ tải truyền động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ của nó, vì phụ tải truyền động ăn dao chỉ xác định bởi khối lượng của bộ phận di chuyển của máy và lực ma sát ở gờ trượt và ở hộp tốc độ. Trên đồ thị phụ tải truyền động ăn dao hình 1.2.3 ở dải tốc độ v 1 < v<v 2 momen phụ tải sẽ thay đổi tuyến tính theo tốc độ. Thời gian máy( thời gian gia công) của máy tiện được xác định: ad M v l t 3 10. = [s] Trong đó : l chiều dài gia công [mm] ct ω là tốc độ góc chi tiết [rad/s] s lượng ăn dao [mm/vg] Từ đó ta có công thức tính thời gian máy: t ct NM s l t . ω = [s] Như vậy để giảm thời gian gia công, ta phải giảm thời gian gia công, ta phải tăng tốc độ cắt và lượng ăn dao và năng suất sẽ tăng. 7 1.3. Những yêu cầu và đặc điểm đối với truyền động điện và trang bị điện máy tiện a, Những yêu cầu và đặc điểm chung *) Truyền động chính : Truyền động chính cần phải được đảo chiều quay để đảm bảo quay chi tiết cả 2 chiều, ví dụ khi tiện ren trái hoặc ren phải. Phạm vi điều chỉnh tốc độ trục chính D trong khoảng 40-125/1 với độ trơn điều chỉnh ϕ = 1.06 và 1,21 và công suất là hằng số ( P c = const). Ở chế độ xác lập, hệ thống truyền động điện cần đảm bảo độ cứng đặc tính cơ trong phạm vi điều chỉnh tốc độ với sai số tĩnh nhỏ hơn 10% khi phụ tải thay đổi từ không đến định mức. Quá trình khởi động, hãm yêu cầu phải trơn tránh va đập trong bộ truyền lực. Đối với máy tiện cỡ nặng và máy tiện đứng dùng gia công chi tiết có đường kính lớn, để đảm bảo tốc độ cắt tối ưu và không đổi v=const khi đường kính chi tiết thay đổi, thì phạm vi điều chỉnh tốc độ được xác định bởi phạm vi thay đổi tốc độ dài và phạm vi thay đổi đường kính: min max min max min max min max min max ct dxct ct D D v v v D D v D === ω ω Ở những máy tiện cỡ nhỏ và trung bình, hệ thống truyền động điện chính thường là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và hộp tốc độ có vài cấp tốc độ. Ở các máy tiện cỡ nặng, máy tiện đứng, hệ thống truyền động chính điều chỉnh 2 vùng, sử dụng bộ biến đổi động cơ điện 1 chiều ( BBĐ – Đ) và hộp tốc độ ; khi v< v gh đảm bảo M= const; khi v> v gh thì P = const. Bộ biến đổi có thể là máy phát một chiều hoặc bộ chỉnh lưu dùng Thyristor. *) Truyền động ăn dao : truyền động ăn dao cần phải đảo chiều quay để đảm bảo ăn dao 2 chiều. Đảo chiều bàn dao có thể thực hiện bằng đảo chiều động cơ điện dùng khớp ly hợp điện từ. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền động ăn dao thường là D = (50-300)/1 với độ trơn điều chỉnh ϕ = 1,06 và 1,21 và momen 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 hãm êm.Tốc độ di 8 chuyển bàn dao của máy tiện đứng cần liên hệ với tốc độ quay chi tiết để đảm bảo nguyên lượng ăn dao. Ở máy tiện cỡ nhỏ và thường truyền động ăn dao được thực hiện từ động cơ chính, còn ở những máy tiện nặng thì 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. *) Truyền động phụ: truyền động phụ của máy không yêu cầu điều chỉnh tốc độ và không yêu cầu gì đặc biệt nên thường sủ dụng động cơ không đồng bộ roto lồng sóc kết hợp với hộp tốc độ. *) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều : Từ phương trình của tốc độ : L a L a T k R T k R k U 2 0 2 )()( φ ω φ φ ω −=−= Từ phương trình đặc tính cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho, đó là các đại lượng: U-điện áp đặt vào phần ứng, R a -điện trở mạch phần ứng, và Φ-từ thông của động cơ. Từ đó dẫn đến 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều, xét một cách tổng quát. Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị ω 0 chứ không thay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phần ứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau. Thông thường, điện áp làm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do an toàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từ thông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng). 9 ω ω 0 1 ω ω 2 U O M U1 U2 U3 Hình 1.3.1 Đồ thị đặc tính khi thay đổi U Điện trở phần ứng chỉ có thể được tăng lên từ giá trị điện trở phần ứng tự nhiên (thêm điện trở vào mạch phần ứng). Khi thực hiện điều này, chỉ có độ lớn của độ dốc của đặc tính cơ là bị ảnh hưởng (tăng lên), do đó các đặc tính cơ sẽ có cùng giá trị ω 0 nhưng với độ dốc tăng dần khi điện trở phần ứng được tăng lên. M O 0 ω ω R a R1 R2 R3 Hình 1.3.2 Đồ thị đặc tính khi thay đổi R u Các động cơ nhỏ sử dụng nam châm vĩnh cửu không có khả năng điều chỉnh từ thông, nhưng các động cơ lớn hơn sử dụng dây quấn kích từ có thể thực hiện điều này. Tương tự như cách phân tích ở trên, trong trường hợp này cả giá trị ω 0 lẫn độ dốc của đặc tính cơ đều bị thay đổi. Thông thường từ thông định mức trong máy đã khá gần với giá trị từ thông bão hòa, do đó cách thay đổi khả dĩ là giảm từ thông trong máy, khi đó ω 0 sẽ tăng nhưng độ dốc còn tăng nhanh hơn. 10 [...]... 1.3.3 Đ thị đ c tính khi thay đ i từ thông 11 Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ TRUYỀN Đ NG ĐIỆN SỬ DỤNG HỆ F- Đ 2.1 Mô hình hóa hệ F- Đ 2.1.1 Mô hình hóa máy phát : + EF F= const - i KF - + U KF Hình 2.1.1 Sơ đ nguyên lí máy phát điện 1 chiều EF = Kφ F = KC k i k ω F U KF rKF (1 + pTKF ) I KF ( p) = J KF = L KF R KF Mô tả toán học như sau: UF KF (1+pT ) KF EF Trong đ : KF = K C K ω F rKF 2.1.2 Hàm truyền của đ ng. .. 0.17 s đ ng cơ đ t tốc đ đ nh mức và hầu như không có quá điều chỉnh Và khi xét đ n tự đ ng điều chỉnh tốc đ đ t đ tốc đ cắt không đ i Sơ đ trên Simulink: Hình 2.2.9 Sơ đ trên Simulink khi xét đ n tự đ ng điều chỉnh Uđ 30 Hình 2.2.10 Kết quả mô phỏng Nhận xét: Sau 2s khi bàn dao tác đ ng bộ điều tốc P thì có sự thay đ i của đ ờng kính chi tiết thì tốc đ đ ng cơ tăng tốc đ đ tương ứng với sự sụt... với sự sụt giảm đ ờng kính D 31 Chương 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN TỦ ĐIỀU KHIỂN- SƠ Đ LẮP RÁP 3.1 Tính toán thiết kế cho các bộ PID, mạch điều khiển Dựa vào việc sử dụng các mạch thực hiện chức năng của các khâu điều khiển P, I, D hay PI, PD, PID ta có thể dựa vào đ đ thiết lập các mạch thực cho hệ thống Các phần tử thực hiện chủ yếu ở đ y là khuếch đ i thuật toán, tụ điện, điện trở, biến... xét ổn đ nh và đi đ n kết luận cho cả miền 2.2.2 Khảo sát ổn đ nh hệ thống và xác đ nh các hệ số cho các cấu trúc Mô hình đ ng cơ một chiều là mô hình mà các tham số phụ thuộc vào các thuộc tính của đ ng cơ Các thuộc tính này là cố đ nh không thay đ i do đ không có bộ điều khiển nào đ cần điều chỉnh Mô hình mạch vòng dòng điện và mô hình mạch vòng tốc đ là những mô hình mà các tham số trong đ có... các đ ờng cong giới hạn chia miền D Tính các giá trị ∆ , ∆ δ , ∆ λ , λ , δ Cho ω = 0 đ n ω = +∞ vẽ đ ờng cong λ (δ ) theo ω đ tính 2- Vẽ các đ ờng thẳng đ c biệt có phương trình a0= 0, an =0 3- Gạch chéo các đ ờng cong giới hạn và đ ờng thẳng đ c biệt theo quy tắc đ trình bày 4- Xác đ nh miền ổn đ nh là miền đ ợc gạch chéo toàn vộ và nhiều lần nhất Thử lại bằng cách lấy một điểm trong miền đ rồi... cơ 1 chiều Mô hình đ ng cơ như sau: 12 Lu Ru + E I ik Ukt - Lk Rkt + Hình 2.1.2 Mô hình đ ng cơ điện 1 chiều U- E = IuRu(1+pTu) Với Tu = Lu Ru M = KφI u M − M C = Jpω E = Kφω Từ 4 phương trình cơ bản của đ ng cơ một chiều kích từ đ c lập ta có sơ đ cấu trúc đ ng cơ như sau: K mφ Ud + - 1 Ru (1+sTu ) Iu K mφ M + MC (-) 1 Jp ω Hình 2.1.3 Sơ đ khối đ ng cơ điện 1 chiều Từ đ ta có sơ đ mô phỏng trên... Sơ đ mô phỏng trên Simulink Với các tham số như sau: Pđm = 55KW Uđm = 220V N = 4000 vòng/ phút J = 0.5 Kg.m2 η đm = 0.9 Mô men đ nh mức : Mđm M đm Có : Ru = 0.5(1 − η ) ω đm =  Pđm 55.10 3 60 55.10 3 = = = 9.55 = 131( Nm) ω đm 4000 2π 4000 U dm I dm thay số vào ta có : U đm − Ru I đm (0.5 + 0.5η đm )U đm = Kφ đm Kφ đm Kφ đm = (0.5 + 0.5 x0.9)220 x9.55 = 0.5 4000 Dòng điện đ nh mức: I đm = M đm 131... đ có thể lựa chọn và thay đ i Do đ ta sẽ khảo sát hai bộ điều khiển này 2.2.2.1 Xét ổn đ nh và xác đ nh các tham số cho mạch vòng dòng điện Đ u ra của mạch vòng dòng điện là hàm theo tiêu chuẩn tối ưu modul có dạng: 23 G I ( p) = 1 2τ p + 2τp + 1 2 δ 2 2 Tuy nhiên do tốc đ biến thiên nhanh của dòng điện, và do hệ số τ δ quá nhỏ nên khi viết lại hàm truyền đ t ta rút gọn đ ợc hàm truyền mạch vòng dòng... 7812, 7912, 7824 tạo ra các nguồn ± 12V và nguồn 24 V Tụ C1 = C2 chọn = 1 ( F ) và C3 = C4 = C5 = C6 = 100 ( F ) là các tụ điện lọc nhiễu 3.1.6 Mạch tạo tín hiệu điều chỉnh tốc đ tự đ ng Sử dụng đ điều khiển tín hiệu đ t cho bộ điều chỉnh mạch vòng tốc đ tự đ ng tăng tín hiệu đ t khi đ ờng kính chi tiết giảm Mạch thực hiện như sau: 36 ... −∞ đ n ω = +∞ Không chứng minh nhưng có thể thấy tương ứng rằng, miền đ ợc gạch sọc nhiều lần nhất có thể là miền ổn đ nh Sau khi tìm đ ợc miền D trên hình vẽ, ta sẽ lấy một điểm bất kì ở trong D n đ xác đ nh trị số λ Sau đ lấy λ ấy đem thế vào phương trình đ c tính rồi dùng tiêu chuẩn đ xét ứng với λ đ hệ thống có thực là ổn đ nh hay không Nếu xét λ đ mà hệ thống ổn đ nh thì có thể khẳng đ nh . tăng tốc đ cắt và lượng ăn dao và năng suất sẽ tăng. 7 1.3. Những yêu cầu và đ c điểm đ i với truyền đ ng điện và trang bị điện máy tiện a, Những yêu cầu và đ c điểm chung *) Truyền đ ng chính. tốc đ tăng thì nó ít thay đ i. 1.2.3. Phụ tải truyền đ ng ăn dao Lực ăn dao của truyền đ ng ăn dao đ ợc xác đ nh theo công thức: F ad = kF x + F ms + F d [N ] Công suất ăn dao của máy tiện. chuyển nhanh của dao, bơm nước, hút phôi. 1.2 Đ c điểm truyền đ ng chính và truyền đ ng ăn dao 1.2.1. Phụ tải truyền của cơ cấu truyền đ ng chính Quá trình thực tiện trên máy tiện đ ợc thực hiện