nghiên cứu khái quát về công nghệ mài. thiết kế điều khiển thích nghi chuyển động ụ trục chính

Lời mở đầu Sự bùng nổ tiến kỹ thuật lĩnh vực điện-điện tử-tin học năm gần đà dẫn đến thay đổi sâu sắc mặt lý thuyết lẫn thực tiễn lĩnh vực truyền động điện tự động.Đó đời ngày hoàn thiện biến đổi công suất,với kích thớc gọn nhẹ,độ tác động nhanh,dễ dàng ghép nối với mạch điều khiển dùng vi mạch ®iƯn tư,vi xư lý, …C¸c hƯ trun ®éng ®iƯn tù động ngày thờng sử dụng nguyên tắc điều khiển vectơ cho động xoay chiều.Phần lớn mạch ®iỊu khiĨn ®ã dïng kü tht sè víi phÇn mỊm linh hoạt,dễ dàng thay đổi cấu trúc,tham số nh luật điều khiển.Điều làm cho hệ truyền động điện tăng độ xác,làm cho việc chuẩn hoá chế tạo hệ truyền động điện đại có nhiều đặc tính làm việc khác nhau,dễ dàng ứng dụng theo yêu cầu công nghệ sản suất Do vậy,đồ án môn học Tổng hợp hệ điện giúp nắm kiến thức bản,những hệ thống trun ®éng ®iƯn kinh ®iĨn ®ång thêi nã cịng nh»m mơc ®Ých cho chóng ta tõng bíc tiÕp cËn víi thực tế,tiếp cận với hệ truyền động điện đại Nội dung đồ án đợc chia làm phần: Chơng I : Giới thiệu chung công nghệ máy mài hệ thống truyền động cho động quay chi tiết máy mài tròn Chơng II : Chọn phơng án truyền động Tính chọn công suất động mạch lực Chơng III : Xây dựng cấu trúc điều khiển tổng hợp hệ truyền động Chơng IV : Thiết kế mạch điều khiển Chơng V : Mô phỏng(Simulink) Để hoàn thành đợc đồ án này, bên cạnh cố gắng cá nhân em nh bạn nhóm nhờ có hớng dẫn bảo nhiệt tình thầy giáo hớng dẫn Tuy nhiên thời gian nghiên cứu ngắn trình độ thân hạn chế nên đồ án em không tránh khỏi thiếu sót Em mong thầy hớng dẫn bổ sung thêm để đồ án đợc hoàn chỉnh Em xin chân thành cám ơn ! Chơng I Giới thiệu công nghệ hệ thống truyền động cho động quay chi tiết máy mài tròn I.Đặc điểm công nghệ Trong ngành chế tạo khí đại, loại máy mài chiếm đơn vị quan trọng Là máy mài gia công dễ đạt độ xác cấp hai Máy mài chủ yếu dùng để gia công láng sau đà gia công máy tiện, phay, bào, lợng thừa gia công máy mài ít, phạm vi lợng thừa độ vài phần mời ly Ưu điểm lớn máy mài gia công đợc chi tiết mà nhiều máy khác không làm Dùng phơng pháp mài dễ đạt độ xác cao lực cắt gọt tơng đối lớn, đặc biệt độ dày lát mài mỏng, đó, công việc mài tiến hành lần mà cần phải qua nhiều lần cắt gọt II.Phân loại máy mài công nghiệp Máy mài công nghiệp Máy mài tròn Máy mài Máy mài tròn Máy mài cắt Máy mài mặt đầu Các loại khác Máy mài rÃnh Máy mài biên đá Máy mài tròn Máy mài vô tâm Máy mài phẳng Đá mài Chi tiết a Máy mài tròn b Máy mài tròn Sơ đồ gia công chi tiết máy mài tròn Máy mài tròn có chuyển động chuyển động quay đá mài, chuyển động ăn dao di chuyển tịnh tiến ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) di chuyển tịnh tiến theo hớng ngang trục (ăn dao ngang trục) chuyển động quay chi tiết (ăn dao vòng) Chuyển động phụ di chuyển nhanh ụ đá chi tiết III.Truyền động điện máy mài 1.Truyền động Thông thờng truyền động máy mài không yêu cầu điều chỉnh tốc độ nên sử dụng động không đồng rotor lồng sóc máy mài cỡ nặng, để trì tốc độ cắt không đổi đá bị mòn hay kích thớc chi tiết gia công thay đổi, thờng sử dụng truyền động động có phạm vi điều chỉnh tốc độ D=(2 ữ 4):1 với cs không đổi Máy mài trung bình nhỏ v = 50 ữ 80 m/s nên đá mài có đờng kính lớn tốc độ quay đá khoảng 1000 vòng/phút máy có đờng kính nhỏ, tốc độ đá cao Động truyền động động đặc biệt có tốc độ 24000 ữ 48000 vòng/phút lên tới 150000 ữ 200000 vòng/phút, đá mài gắn trục động Nguồn động biến tần, máy phát tần số cao - biến tần quay biến tần tĩnh - biến tần thyristor Mômen cản tĩnh trục động thờng 15 ữ 20% mômen định mức.Mômen tính đá cấu truyền lực lớn 500 ữ 600% mômen quán tính động cơ, cần hÃm cỡng động quay đá không yêu cầu đảo chiều quay động Truyền động ăn dao Máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết dùng động không đồng nhiều cấp tốc độ (điều chỉnh số đôi cực p) với D = (2 ữ 4) : máy lớn dùng hệ thống biến đổi - động điện chiều (BBĐ - §M), hƯ K§T - §M cã D = 10 : với phơng pháp điều chỉnh tốc độ điều chỉnh điện áp phần ứng Truyền động ăn dao dọc bàn máy tròn cỡ lớn thực theo hệ BBĐ - ĐM với dải điều chỉnh tốc độ D = (20 ữ 25) : truyền động ăn dao ngang sử dụng thuỷ lực 3.Truyền động phụ Sử dụng động không đồng rotor lồng sóc 4.Đặc tính máy sản xuất Đặc tính máy sản xuất đa dạng Tuy biểu diễn dới dạng biểu thức tổng quát: M c = M co + ( M dm − M co )( ω α ) ω dm Trong ®ã : MC0 : Mômen ứng với tốc độ =0; Mđm : Mômen ứng với tốc độ định mức đm Mc : Mômen ứng với tốc độ : Số mũ phụ thuộc vào loại cấu sản xuất Với máy mài nói riêng máy cắt gọt kim loại nói chung, thờng nhận hai giá trị: =1 (ứng với truyền động M c = P = const) =0 (ứng với truyền động ăn dao Mc = Mđm = const) Trong thực tế, đặc tính cấu sản xuất không giữ đợc cố định theo quy luật toàn phạm vi ®iỊu chØnh tèc ®é mµ thay ®ỉi theo ®iỊu kiƯn công nghệ điều kiện tự nhiên Đối với truyền động máy mài tròn, nói chung công suất không ®ỉi (P = const) tèc ®é thay ®ỉi cßn mômen tỷ lệ ngợc với tốc độ M c = Nh vậy, tốc độ thấp, mômen lớn nên kích thớc phận khí phải chọn lớn lên, điều lợi Mặt khác, thực tế sản xuất cho thấy tốc độ thấp dùng cho chế độ làm việc nhẹ (Fz Pz nhỏ) Vì vậy, vùng tốc độ thấp, ngời ta giữ mômen không đổi công suất thay đổi theo quan hệ bậc với tốc độ Đối với truyền động ăn dao, nói chung mômen không đổi điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên, vùng tốc độ thấp, lợng ăn dao s nhỏ, lực cắt Fz bị hạn chế chiều sâu cắt tới hạn t Trong vùng này, tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao mômen ăn dao giảm theo vùng tốc độ cao, tơng ứng với tốc độ vz truyền động phải lớn, giữ Fad lớn nh cũ công suất truyền động lớn Do đó, cho phép giảm nhỏ lực ăn dao vùng này, mômen truyền động ăn dao giảm theo 5.Đồ thị đặc tính phụ tải máy mài F F z ad v v gh a Trun ®éng chÝnh vz v1 v2 v ad b Truyền động ăn dao Một hệ thống truyền động điện có điều chỉnh gọi tốt đặc tính điều chỉnh giống đặc tính máy Khi đó, động đợc sử dụng hợp lý tức làm việc đầy tải ë mäi tèc ®é Nhê ®ã, hƯ thèng trun ®éng đặt đợc tiêu lợng cao Nói cách khác, lựa chọn động có kích thớc nhỏ cho máy Một tiêu quan trọng để đánh giá chất lợng hệ thống truyền động điện độ ổn định tốc độ % Đờng đặc tính cứng độ ổn định tốc độ cao Nói chung, truyền động yêu cầu % (5 ữ 15)% truyền động ăn dao yêu cầu % (5 ữ 10)% Chơng II Chọn phơng án truyền động Tính chọn công suất động mạch lực I.Các phơng án truyền động Chọn phơng án truyền động dựa yêu cầu công nghệ kết tính chọn công suất động cơ, từ tìm loạt hệ truyền động thoả mÃn yêu cầu đặt Bằng việc phân tích, đánh giá tiêu kinh tế, kỹ thuật hệ truyền động này, kết hợp tính khả thi cụ thể mà ta lựa chọn đợc vài phơng án phơng án để thiết kế Từ phân tích đặc điểm công nghệ, yêu cầu truyền động máy mài tròn nhiƯm vơ thiÕt kÕ, ®Ĩ ®iỊu chØnh tèc ®é ®éng quay chi tiết máy mài tròn, ta phải điều chỉnh điện áp phần ứng động cơ, giữ từ thông không đổi Với phơng án điều chỉnh tốc độ điều chỉnh điện áp phần ứng giữ từ thông động không đổi ta có phơng án truyền động sau: +Hệ thống truyền động máy phát - động chiều (Hệ F-Đ) +Hệ thống truyền động chỉnh lu điều khiển thyristor- động chiều +Hệ thống điều chỉnh xung áp - động chiều ( Hệ XA-Đ) +Hệ thống truyền động điện động không đồng dùng phơng pháp điều chỉnh tần số (Hệ Biến tần - Động cơ) 1.Hệ thống truyền động máy phát - động chiều (F-Đ) Hệ thống máy phát - động (hệ F-Đ hay Ward-Léonard) hệ truyền động điện mà mạch phần ứng động điện chiều đợc cung cấp từ máy phát điện riêng có khả biến đổi sức điện phạm vi rộng - Đặc điểm hệ truyền động F - Đ + Đặc tính hệ F- Đ mềm đặc tính Đ có thêm Rf + Có thể làm việc bốn góc phần t + Điều chỉnh Uktf dẫn đến điều chỉnh tốc độ không tải động - ¦u ®iĨm: + DƠ ®iỊu chØnh, vïng ®iỊu chØnh réng 30:1 + Đảo chiều êm, tin cậy - Nhợc điểm + Công suất lắp đặt ba lần công suất vận hành + Kích thớc lắp đặt lớn + Vốn ®Çu t lín, ån 2.HƯ thèng trun ®éng chØnh lu điều khiển thyristor- động chiều Do điện đợc sản xuất phân phối chủ yếu dạng xoay chiều có tần số công nghiệp Để cung cấp cho động chiều từ lới điện xoay chiều, phải dùng thiết bị biến đổi Nguyên lý chung biến đổi đợc mô tả nh sau: Các van cho dòng điện qua phần chu kỳ gọi khoảng dẫn, ngắt mạch phần lại chu kỳ (khoảng đóng) Trong thực tế ngời ta sử dụng loại van có điều khiển thời điểm đầu khoảng thông nhng ngắt mạch dòng điện cha giảm không Đồ thị biều diễn dòng điện điện áp đờng cong phức tạp có chứa thành phần chiều xoay chiều Do thành phần xoay chiều có ảnh hờng xấu đến trình phát nóng chuyển mạch máy điện nên ta phải hạn chế - Đặc điểm hệ truyền động T- Đ + Hệ làm việc góc phần t thứ van không cho dòng điện chạy theo chiều ngợc lại + Đặc tính mềm đặc tính tự nhiên nhng cứng đặc tính hệ F - Đ - Để hệ làm việc bốn góc phần t trục, hệ truyền động T - Đ có đảo chiều đời: +Phơng pháp điều khiển đổi nối mạch phần ứng +Phơng pháp điều khiển mạch kích từ +Phơng pháp điều khiển chung Thyristo nối ngợc +Phơng pháp điều khiển chung Thyristo nối chéo +Phơng pháp điều khiển riêng - Ưu điểm: +Độ tác động nhanh cao +Không gây ồn +Dễ tự ®éng ho¸ c¸c van b¸n dÉn cã hƯ sè khuyếch đại công suất cao - Nhợc điểm: +Van bán dẫn nên thông số đầu có dạng phi tuyến cao +Dạng chỉnh lu có biên độ dập mạch cao gây tổn thất phụ máy điện +Hệ số công suất nói chung thấp 3.Hệ thống điều chỉnh xung áp - động chiều ( Hệ XA-Đ) Điều chỉnh điện áp động thực phơng pháp xung, ta đóng động vào nguồn cắt khỏi nguồn cách chu kỳ Khi đóng động vào nguồn, lợng đợc truyền qua động Phần chủ yếu lợng đợc truyền qua trục động vào máy sản xuất, phần lại đợc tích dạng động lợng điện từ Khi ngắt động khỏi nguồn, hệ thống truyền động làm việc nhờ lợng điện từ Đặc điểm: - Độ nhạy cao, tác động nhanh - Tần số đóng cắt lớn 4.Hệ thống điều chỉnh động không đồng ba pha sử dụng biến tần Biến đổi tần số phép biến đổi điện chiều xoay chiều có tần số cố định thành dòng điện xoay chiều có tần số biến đổi nhờ khoá điện tử Phơng pháp điều chỉnh tốc độ cách biến đổi tần số cho phép mở rộng phạm vi sử dụng truyền động điện không đồng nhiều ngành công nghiệp.Trớc hết chúng ứng dụng cho thiết bị cần thay đổi tốc độ nhiều động không đồng lúc nh động truyền động nhóm máy dệt, băng tải, băng lăn, Ph ơng pháp điều chỉnh đợc áp dụng thiết bị đơn lẻ, cấu yêu cầu tốc độ làm việc cao nh máy ly tâm, máy mài Bộ biến tần đợc nối vào lới có tần số f1,U1 không đổi Đầu f 2,U2 biến đổi theo Để biến đổi tần số, ngời ta dùng thiết bị máy điện bán dẫn với nguyên lý hoạt động cấu trúc khác hẳn Ưu điểm: + Là phơng pháp có nhiều triển vọng + Khi sử dụng biến tần thích hợp đạt đợc điều chỉnh trơn + Sử dụng với động không đồng nên giảm đợc chi phí máy điện Nhợc điểm: + Bộ biến tần tơng đối phức tạp nên giá thành chế tạo cao + Nếu sử dụng biến tần gián tiếp hiệu suất giảm so với biến tần trực tiếp Với đặc điểm hệ truyền động chiều xoay chiều đây, ta thấy phơng pháp ứng dụng vào truyền động động quay chi tiết máy mài tròn đây, ta chọn động không đồng với phơng pháp biến đổi tần số lý chủ yếu sau đây: + Đây loại máy điện có kết cấu đơn giản + Sử dụng rộng rÃi công nghiệp nh đời sống + Sử dụng điện áp xoay chiều tần số công nghiệp, dễ dàng cho việc lắp đặt, vận hành sử dụng + Biến tần thiết bị đại, tơng lai đợc sử dụng nhiều mà thiết bị bán dẫn với u ngày phát triền + Có khả lập trình, tiện lợi cho ghép nối máy tính, tảng cho phát triển sau + Và ci cïng lµ tÝnh kinh tÕ cđa sư dơng biÕn tần II.Tính toán thông số động theo giả thiết: Các thông số kỹ thuật hệ thống - Mômen cực đại (Mmax): 20 (Nm) - Tốc độ quay chi tiết (n): 40 ữ800 (Vòng/phút) - Tỷ số truyền (i): - Hiệu suất (): 0,85 - Mômen quán tính cấu (J): 0,006 (kg/s2) Để tính chọn công suất động trờng hợp truyền động có điều chỉnh tốc độ, ta cần xác định yêu cầu sau: ã Đặc tính phụ tải truyền động Pc(), Mc(): Phụ tải truyền động yêu cầu điều chỉnh tốc độ với M = const Khi đó, công suất yêu cầu cực đại Pmax = Mđm.max M c = const max M c Đặc tính phụ tải ã Phạm vi điều chỉnh tốc độ max ωmin n 2π 40.2.π ωmin = i ωcmin = i =2 = 8.38(rad/s) hay nmin= 80(vßng/phót) 60 60 n 2π 800.2.π ωmax = i ωcmax = i max =2 = 167.55(rad/s) hay nmax=1600(vòng/phút) 60 60 max Dải điều chỉnh tốc độ: =20:1 ã Phơng pháp điều chỉnh biến đổi hệ thống truyền động: Điều chỉnh điện áp phần ứng sử dụng biến tần nguồn áp điều chế độ rộng xung ã Loại động truyền động: động không đồng rôto lồng sóc Đặc điểm phụ tải truyền động động quay chi tiết máy mài tròn giữ M = const phạm vi điều chỉnh tốc độ Do đó, ta có yêu cầu công suất cực đại 1 900.2π ≅ 2216,5 (W) ≅ 2,2 (kW) M®m.ωmax = Mcmax.ωcmax = 20 0,85 60 η η Ngoµi cần phải chọn hệ số an toàn công suất trờng hợp tải, lấy hệ số an toàn k=1,5 (k=1,2 ữ 1,5) Ta chọn loại động nh sau: (Các đặc tính động truyền ®ång ®iƯn) MTM112_6 cã th«ng sè sau: Pmax = P®m = 3,5(kW) n®m = 900(vg/ph) M th = 2,3 M dm cosϕ®m=0,75 cosϕ0 = 0,13 rst=4,33(Ω) xst=1,67(Ω) Ist®m= 9,5(A) rr=0,725(Ω) J = 0,0675(kg/s2) Q= 88(kg) Ist0 = 7,25(A) Ir = 13,5(A) xr=0,595() ke = 2,02 Ta tính đợc hệ số trợt làm việc tốc độ định mức: sdm = n1 − n 1000 − 900 = = 0,1 n1 1000 Đồng thời mômen định mức tính nh sau: M dm = Pdm 3500*60 = = 37,15( Nm) ω dm 2* π *900 M dm > M lv ndm = nlv Sơ đồ thay động không đồng nh sau: 10 Tính toán giá trị: U pha = 2π U pha = Q= 2π ∫u pha π /3 E dθ = [2 ∫ ( N ) dθ + 2π 2π / ( EN ) dθ π /3 ∫ 3U pha 3.220 EN  EN = → = = 466, 7V 2 ωL 16,38 = = 0,97 R 16,89 π − Q π − , 97 a=e =e = 0,362 Dòng điện sở : E 466,7 I0 = N = = 27,63( A) R 16,89 3Q − a 3.0,97 − 0,362 A = 1− = 1− = 0,69 2π − a + a 2π − 0,362 + 0,362 TrÞ sè hiệu dụng dòng điện pha: 2 I A = 27,63.0,69 9( A) 3 Dòng điện trung bình tiêu thụ từ nguồn: A2 0,69 I d = 2I = 2.27,63 = 8,77( A) 3 a.Đối với mạch chỉnh lu: Coi sụt áp lọc Dòng điện đầu chỉnh lu Id=8,77 A Điện áp chỉnh lu: Ud= En=466,7 V Do mạch cầu ba pha nên dòng trung bình qua Thyristor Id/3=2,92 A Điện áp ngợc đặt lên Thyristor Ung=2,45*Ul Mặt khác ta có: Ud=2,34*Ul => Ul ≈200 V; ⇒ Ung = 490 V Chän lo¹i Thyristor C15 h·ng G.E cđa Mü chÕ tạo có thông số sau: Mà hiệu Ung Itb toff di/dt tiristor V A µs A/µs I pha = 13 C15 5,1 30 60 25ữ600 b.Đối với nghịch lu: Ta có dòng điện pha A: + = ÷ π/3 E  (1 + a)(2 − a ) −θ / Q  i A = N 1 − e  = 9,21[1 − 2,864e −1, 03θ ] 3R  1+ a  + θ = π/3 ÷ 2π/3 EN  (1 + a ) −θ / Q  −1, 03θ iA = ) 2 − + a e  = 9,21(2 − 1,771e 3R   + θ = 2π/3 ÷ π iA = E N  (1 + a )(2 − a ) −θ / Q  e  = 9,21(1 + 2,864e −1, 03θ ) 1 + 3R  1+ a Trong khoảng từ ữ /3 ứng với th× Ia=0 −1, 03θ1 ↔ 9,21(1 − 2,864 e ) =0 = 1,02rad Dòng điện trung bình qua Transistor sÏ lµ: itbt = 2π / π  π / −1, 03θ −1, 03θ 9,21(1 − 2,864e )dθ + ∫ 9,21( − 1,771e −1, 03θ )dθ + ∫ 9,21(1 + 2,864e )dθ  ∫ 2π  θ π /3 2π /  = 4,351(A) Điện áp ngợc đặt lên Transistor: U ng = E N K dt = 466,7.1,6 = 746,7(V ) Tõ ta chọn Transistor có thông số sau đây: M· hiÖu VCE VCE0 VCE,sat IC I tf V V V A A µs BUX 47A 1000 450 1,5 1,2 0,8 ton µs ts µs pm W 125 Trong khoảng ữ Thyr không dẫn, toàn dòng qua Diot, nh biểu thøc chän Diot nh sau: 14 θ −1, 03θ ∫ 9,21(1 − 2,864e )dθ = 7,259(A) 2π Do ta chọn loại Diôt B-10 Liên Xô(cũ) chế tạo có thông số sau: Itb = 10 (A) Ung= 100÷1000(V) ∆U = 0,7(V) I tbD = 2.TÝnh chọn lọc: Ta áp dụng công thức : LC = ε1 − ε2 ( nω) Trong ®ã: ε1 :Độ nhấp nhô điện áp đầu chỉnh lu = Ud /Ud0 = :Độ nhấp nhô điện áp mong muốn sau lọc 5% ữ 10% lÊy ε2 = 5% = 0,05 n :Sè lÇn ®Ëp m¹ch mét chu kú n = ;ω = 2πf = 314rad/s →LC = 0,95 ( 6.314 ) = 0,268.10 Tụ C đợc tính dựa trao đổi công suất phản kháng với động KĐB công thức: àI1M π/   C= sin    f m ε2 Ucdm   øng víi dòng điện khởi động lớn động ta cã : µ = 1; Ucdm = 600 V; ε2 = 0,05 ,fm = 2,5 ữ 50 KHz tơng øng víi cosϕ1 = 0,2 ÷ 0,3 chän cosϕ1 = 0,2 ⇒ ϕ1 = 780 Do ®ã C= I1M = 2,5 I dm 0  o 1.2,5 2.14  78 − 30  = 80.10− F = 80µF sin   2,5.103 0,05.600   0,268.10− ⇒L = = 3,35mH −6 80.10 15 3.Tính chọn thiết bị đo a.Máy phát tốc Máy phát tốc thiết bị đo tốc độ hệ truyền động Mạch nguyên lý đo tốc độ m¸y ph¸t tèc mét chiỊu Uω = Kω ω R C RT W Khi từ thông máy phát tốc không đổi điện áp đầu máy phát tốc Khi có lọc đầu hàm truyền máy phát tèc U ( p) Kω FFT ( p ) = ω = ωp 1+τ f p Trong ®ã: Kω hƯ số khuếch đại K= U/ U = 10V, =94,25 rad/s Kω =0,11 τf lµ h»ng sè thêi gian cđa bé läc vµ