Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy cnc

Bảng 2.3 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2 loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính.Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC 3 pha sử dụng TTHCX Hì

MỤC LỤC Trang

Mục lục……….……….i

Lời cam đoan:……… ………… … …iv

Lời cảm ơn:……….…… … v

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt……… ……… ….… vi

Mục lục hình vẽ ………….……….….ix

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁYCNC……… 41.

1 CẤU TẠO……… ….4

1.1.1 Phân loại……… ……… ………….4

1.1.2 Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐBKTV… 4

1.2 Nguyên lý làm việc……… 5

1.2.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng…… ,……… 7

1.2.2 Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ……….… 8

1.3 Phạm vi ứng dụng của ðộng cõ tuyến tính với các máy công cụCNC… 9

1.3.1 Máy tiện……… ……… …9

1.3.2 Máy phay ……….……… ……… 11

1.3.4 Máy mài……… ……….………… 16

1.4 Kết luận……… 22

CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC……… 23

2.1 So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐB-KTVC) ………… 23

2.1.2 Nguyên lý làm việc……….… 23

2.1.3 Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC……… 24

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha……… …… 25

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC………30

2.2.3 Mô hình toán học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT-ĐBKTVC)……….…33

2.2.4 Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối… 34

2.4 Kết luận chương 2………36

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA CHÍNH XÁC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH……… …38

3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác (phương pháp phi tuyến)……….… 38

3.2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác……….… 39

3.3 Tổng hợp các bộ điều khiển PI (Mạch vòng dòng điện, mạch vòng vận tốc) ……… ……44

3.3.1.Tổng hợp mạch vòng ĐC vector dòng điện……… … 44

3.3.2 Tổng hợp vòng ĐC vận tốc ……….…45

3.4 Kết luận chương 3……….…….….… 47

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KÊT LUẬN……… … 48

4.1 Sơ đồ và tham số mô phỏng……….……… ………… ….48

4.1.1.Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển TTHCX.……….…… 48

4.1.2 Sơ đồ simulink khối điều khiển TTHCX……….… 48

4.1.3 Các thông số mô phỏng:……… … ……… … 49

4.2 Kết quả mô phỏng…….……….….49

4.2.1 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển TTHCX và PI thường.………… 49

4.2.2 Nhận xét kết quả mô phỏng……… 57

4.3.1.Thiết bị thí nghiệm……… … 58

4.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển trong sơ đồ thí nghiệm………….…… 60

4.3.3 Kết quả thí nghiệm……….……… 66

4.4 Kết luận chương 4……… ….71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… ……….…….72

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……….…73

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Mạnh Tiến

Sinh ngày: 28 tháng 08 năm 1981

Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật côngnghiệp - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang côn tác tại: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Và Kinh Tế Công Nghiệp.Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêutrong luận văn là trung thực Những kết luận trong luận văn chưa từng được ai công

bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõnguồn gốc

Tác giả luận văn

Trần Mạnh Tiến

Trong thời gian thực hiện luận văn, tác giả đã nhận được sự quan tâm rất lớncủa nhà trường, các khoa, các phòng ban, các thầy cô giáo và đồng nghiệp.

Tác giả xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành nhất đến TS Cao Xuân Tuyển đã tậntình hướng dẫn trong quá trình thực hiện luận văn

Tác giả xin chân thành cảm ơn đến các thầy cô giáo ở Trung tâm Thí nghiệm,phòng thí nghiệm Khoa Điện - Trường Đại Học Kỹ thuật công nghiệp Thái Nguyên

đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thểluận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từcác thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩahơn trong thực tế

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

Lsd, Lsq H Điện cảm dọc trục và ngang trục của stato

m Kg Khối lượng của bộ phận sơ cấp (stator)

us ,is V, A Vector điện áp, dòng stator

Ω e, Ω m Rad/s Vận tốc góc điện, cơ

xp ,x mm Vị trí đỉnh cực, vị trí tương đối giữa phần

sơ cấp và thứ cấp của động cơ tuyến tính

Jm, Jl, Js, Jp Kgm2 Mômen quán tính của động cơ, tải, trục truyền chuyển động, trục vít vô tận

T fc Rad/s2 Hệ số ma sát Coulomb

B m ,Bl 1/s Hệ số ma sát nhớt của động cơ, tải

T trans(‰) Nm Mômen truyền từ động cơ đến tải

Tfcm,T fcl,T fcp Nm Mômen ma sát tại vị trí động cơ, tải, trục vít vô tận

Tpos(‰ m),T pos(‰ l) Nm Thành phầnmômen bất định gây ra đối với động cơ, tải

Fpos (x) N Nhiễu lực đẩy tác động lên động cơ

Ф g Wb Từ thông khe hở không khí

R A.vòng/Wb Từ trở khe hở không khí

Fabc(x,t) A.vòng Sức từ động của mỗi pha (phụ thuộc vị

trí và thời gian)

F(xt) A.vòng Sức từ động tổng được tạo bởi thành

phần sơ cấp trong máy điện

kωlνlν Hệ số dây quấn của sóng hài bậc ν

l* m Chiều dài của p bước cực

l/3 m Khoảng cách giữa trục dây quấn của 2

pha khác nhau

Lsa ,Фsa , H, Wb, Điện cảm tự cảm, từ thông móc vòng qua

ψsa ,Bsa Tesla 1 vòng dây, từ thông móc vòng qua 1

pha, mật độ từ thông do dòng điện chảy

qua pha a sinh ra

B,Bp Wb/m2 Mật độ từ thông nói chung, mật độ từ

(Tesla) thông do thành phần nam châm vĩnh cửu

của bộ phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra

Bsm , Bpm Wb/m2 Mật độ từ thông tại vị trí đạt giá trị lớn

TTHCX Tuyến tính hoá chính xácĐB-KTVC Đồng bộ - kích thích vĩnh cửuĐCD Điều chỉnh dòng

ĐC, ĐK Động cơ, điều khiển

T4R Tựa từ thông rotor

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Từ trường là nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp nhau

Hình 1.2 Mạch từ gồm 36 rãnh

Hình 1.3 Dây quấn động cơ

Hình 1.4 Chiều chuyển động của từ trường và của phần động

Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC

Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn

Hình 1.7 Vận tốc tối ýu cho ðộng cõ

Hình 1.8 Máy tiện TAKISAWA TNR200-CNC

Hình 1.9 Máy phay CNC

Hình 1.10 Máy bào giường

Hình 1.11 Nguyên lý máy bào giường

Hình 1.12 Đồ thị tốc độ cho một chu kỳ

Hình 1.13 Máy mài tròn ngoài

Hình 1.14 Máy mài tròn trong

Hình 1.15 Máy mài phẳng

Hình 1.16 Máy bào phẳng CNC

Hình 2.1 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha

Hình 2.2 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ 

Hình 2.3 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq

Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

Hình 2.5 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại KĐB.

Hình 2.6 (a Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối)

Bảng 2.1 So sánh phần chuyển động và cố định của động cơ (ĐB-KTVC) và (ĐCCT ĐB-KTVC)

Bảng 2.3 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2 loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính.

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC 3 pha sử dụng TTHCX

Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc vòng ĐC dòng điện

Hình 3.4 Sơ đồ hai vòng ĐC thay thế tương

Hình 4.22 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.23 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến2,2(s) với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.24 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến2,2(s) với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.25 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng là TTHCX và

Hình 4.40Hệ thống xác định vị trí ban đầu của động cơ

Hình 4.41 Hệ rơ le đầu ra của hệ vi điều khiển kết nối với PLC

Hình 4.42 Sơ đồ mạch điện của hệ thống thí nghiệm

Hình 4.43 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển trong hệ thống thí nghiệm Hình 4.44 Sơ đồ chi tiết của biến tần nguồn áp có dòng điều khiển được

Hình 4.45 Nguyên lý điều khiển Hystereris một pha.

Hình 4.46 Sơ đồ điều khiển Hystereris dòng một pha, i R là dòng điện đặt

Hình 4.47 Sơ đồ chức năng điều khiển trễ Hystereris dòng 3 pha.

Hình 4.48 Bộ so sánh của sơ đồ điều khiển trễ Hystereris

Hình 4.49 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1hZ

Hình 4.50 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt ở 1hZ

Hình 4.51 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt giảm từ 2hZ xuống 1Hz

Hình 4.52 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt từ 2Hz giảm về 0Hz

Hình 4.53 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1 Hz

Hình 4.54 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt ở 1Hz

Hình 4.55 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ 1Hz tăng lên 2 Hz

Hình 4.56 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ 2Hz giảm xuống 1Hz Hình 4.57 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ xuống 1Hz về 0

Hình 4.58 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1 Hz

Hình 4.59 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt 1 Hz

Hình 4.60 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 1Hz đến 2 Hz

Hình 4.61 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt giảm từ 2 Hz đến 1 Hz

Hình 4.62 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt giảm từ 1 Hz về 0

MỞ ĐẦU

Trong thực tế sản xuất hiện nay, chuyển động thẳng là dạng chuyển độngphổ biến, xuất hiện nhiều, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí Xuất phát từ côngnghiệp chế tạo máy với những dịch chuyển của bàn gá, mũi khoan, trongcác máy gia công cho đến sự ra đời của máy CNC đã dẫn đến nhu cầu đòi hỏitạo ra chuyển động thẳng có chất lượng cao Ngoài ra những chuyển độngthẳng này còn tồn tại nhiều trong các thiết bị khác như Robot công nghiệp haymáy móc phục vụ ngành công nghiệp bán dẫn,… và nó còn xuất hiện ở cảnhững lĩnh vực tưởng chừng xa lạ như ngành giao thông vận tải với tàu đệm

từ trường ở các nước phát triển (Đức, Nhật, )

Cho đến nay việc tạo ra các chuyển động thẳng hầu hết được thực hiệnmột cách gián tiếp thông qua các động cơ quay tròn với những ưu thế như bềnvững, không nhạy với nhiễu, độ tin cậy cao, Tuy nhiên đối với những hệthống này do phải bổ sung các cơ cấu chuyển đổi trung gian như hộp số, trụcvít, nên dẫn đến sự phức tạp về kết cấu cơ khí, tiềm ẩn bên trong nó nhữngdao động riêng, tổn hao năng lượng cũng như ảnh hưởng đến chất lượngchuyển động của hệ thống Việc sử dụng loại động cơ có khả năng tạo chuyểnđộng thẳng trực tiếp (động cơ tuyến tính) cho phép loại bỏ những nhược điểmnói trên và những nghiên cứu về loại động cơ này hy vọng sẽ phần nào khắcphục được những đặc điểm đó

Luận văn có nhiệm vụ đặt ra “Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC” với mục tiêu Thiết kế bộ điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính ứng

dụng trong các máy CNC

Điều khiển động cơ tuyến tính đóng vai trò là một thiết bị chấp hành được

sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp (đảm bảo chiếm ưu thế so với

hệ chuyển động thẳng gián tiếp) đạt được đáp ứng tốt về các mặt động học,động lực học

Luận văn còn có nhiệm vụ cho thấy khả năng vận dụng loại động cơ nàytrong công nghiệp Đây là công việc khó khăn bởi đó là loại động cơ khôngđược sử dụng phổ biến trong nền công nghiệp nước ta Trên thế giới, mặc dùĐCTT đã có từ rất lâu (năm 1895) nhưng phương án sử dụng nó trong hệthống chuyển động thẳng chỉ được quan tâm khi xuất hiện những phươngpháp điều khiển phi tuyến mới cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý,điện tử tạo điều kiện thuận lợi trong việc điều khiển loại động cơ này Thực tếsản xuất ở các nước phát triển đã cho thấy xu thế ĐCTT dần dần đóng vai tròquan trọng trong các máy công cụ đòi hỏi điều khiển nhiều chuyển độngthẳng.

Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trên đây, luận văn đã tập trung giảiquyết một số vấn đề Về lý thuyết, luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng cácphương pháp điều khiển phi tuyến vận dụng vào ĐCTT loại ĐB - KTVC vàđưa ra phương pháp chọn thời gian ngắn nhất ứng với khoảng dịch chuyển strên cơ sở tính chọn vận tốc tối ưu cho động cơ Về thực nghiệm, luận văn đãxây dựng được một mô hình thí nghiệm kiểm chứng những lý thuyết đã đềxuất

Bản luận văn có bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng

dụng của động cơ tuyến tính trong các máy CNC

Chương 2 Mô tả toán học động cơ tuyến tính.

Chương 3 Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác

thiết kế bộ điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính

Chương 4 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm và kết luận Toàn bộ các kết

quả mô phỏng MATLAB & Simulink Đặc biệt để thêm tính khách quan, môhình đối tượng động cơ, biến tần, lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một

bộ phần mềm thêm vào Simulink để mô phỏng các hệ thống điện và thựcnghiệm được trình bày trong chương này với những thuyết minh kèm theo.Cuối cùng là Kết luận và kiến nghị

Liên quan đến chủ đề ĐCTT còn nhiều vấn đề phức tạp, đòi hỏi nhiềucông sức với sự tham gia của nhiều người, trong nỗ lực đưa ĐCTT ứng dụngvào thực tế Đề tài nghiên cứu đã tạo ra cơ sở ban đầu cho những bước pháttriển tiếp theo sau này.

Bản luận văn được viết với sự cảm thông, giúp đỡ to lớn của gia đình.Tác giả luận văn cũng xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫntận tình cũng như sự động viên chân thành của thầy giáo hướng TS Cao XuânTuyển trong suốt quá trình, từ lúc hình thành ý tưởng đến các bước thực hiện

cụ thể của đề tài nghiên cứu này Xin cảm ơn Phòng sau đại học, phòng thínghiệm, khoa điện của Trường Đại Học KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁINGUYÊN đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài luận văn này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC

1.1 CẤU TẠO

1.1.1 Phân loại

Hiện nay động cơ chạy thẳng sử dụng phổ biến hai loại sau:

+ Động cơ chạy thẳng kiểu động cơ bước.

+ Động cơ chạy thẳng kiểu ĐB-KTVC

Trong giới hạn của đề tài,luận văn tập trung nghiên cứu động cơ chạythẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu ba pha

1.1.2 Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCT-ĐBKTVC)

a Phần đứng yên: Nam châm vĩnh cửu gồm nhiều cực từ đặt liên tiếp nhau

    (1.1)

Z = 36 .360 6.360 0

60 36

p Z

    (1.2)

N S N S

Hình 1.3 Dây quấn động cơ

1.2 Nguyên lý làm việc.

Khi đặt hệ thống điện áp nguồn 3 pha đối xứng vào dây quấn ba pha của

động cơ đồng bộ tuyến tính, trong ba pha sẽ có các dòng điện iA, iB, iC

ds v

dt  (1.12)

Sức từ động tổng ba pha trong khe hở không khí giữa phần cố định vàphần chuyển động sẽ là:

.



 (1.16) W: Số vòng dây của một pha

Kdq : Hệ số dây quấn sóng cơ bản

Từ trường chuyển động tịnh tiến F sẽ tương tác với từ trường nam châmvĩnh cửu FNC , do nam châm vĩnh cửu được đặt ở phần cố định, phản lực sẽlàm phần động (gồm lõi thép và dây quấn) chuyển động tịnh tiến theo chiềungược với chiều chuyển động của từ trường F với tốc độ chuyển động là: dx

Chiều chuyển động của phần động

Về mặt năng lượng: Động cơ đã biến đổi điện năng thành cơ năng.

1.2.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng.

Hệ thống chuyển động thẳng có thể được thực hiện bằng hai cách trựctiếp hoặc gián tiếp, trong đó ĐCTT sẽ được sử dụng trong hệ chuyển độngthẳng trực tiếp (hình 1-5)còn hệ thống chuyển động thẳng gián tiếp được xâydựng dựa trên động cơ quay (hình 1.6)

Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC

Nam châm vĩnh cửu

Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn

1.2.2 Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ

Chọn thời gian ngăn nhất ứng với thời gian dịch chuyển s trên cơ sở

tính chọn vận tốc tối ưu cho động cơ

Hình 1.7 Vận tốc tối ưu cho động cơ

tg α = a (1.18)

amin ÷ amax (1.19)chọn amax từ biến tần ứng với αmax

S = v.t = SABCD (1.20)

S = am t12 + am t1t2(1.8) (1.21)Hàm mục tiêu: F = 2t1+ t2 → min (1.22)Ràng buộc: t1,t2 ≥ 0 (1.23)

S = am t12 + am t1t2 (*) (1.24)

S ≥ 0 (1.25)Giải bài toán tối ưu

Từ F = 2t1+ t2 suy ra t2 = F - 2t1 (1.26)

Thay vào (*) suy ra S = am t12 + am t1 (F - 2t1) (1.27)

S = am t12 + F am t1 - 2 am t12 (1.28) = F am t1 - am t12 (1.29)

2 1 1

2 1 2 2 2.

.

m m m

m

s

s a a

F t t

s a

S v t S  ABCD (1.37) 2

m

S a t at t

2 1 2

1

m

s a t t

+ Dao chuyển động tịnh tiến ngang, dọc, xiên để cắt gọt(trong trường hợpđặc biệt có thể ngược lại) Hướng tiến của dao gồm 5 hướng:

- Dao tiến vuông góc với đường tâm-> Tiện mặt đầu (a)

- Dao tiến song song với đường tâm -> Mặt trụ (b)

- Dao tiến một góc α so với đường tâm -> Tiện côn (c)

- Dao tiến lồi lõm so với đường tâm-> Tiện định hình (d)

- Dao tiến theo bước ren-> Tiện ren (e)

*Công dụng:

Máy tiện được dùng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo máy, máy tiệnren vit vạn năng gia công được mặt phẳng, mặt trụ(trong ngoài) mặt cônngoài, ren (trong, ngoài), mặt cầu, mặt định hình, ngoài ra trên máy tiện còngia công khoan, khoét, doa, taro

Trong những bộ phận của máy tiện có bộ phận hộp bước tiến là cơ cấudùng để truyền chuyển động quay từ chục chính cho trục trơn và vít- me.Đồng thời thay đổi bước tiến của hộp xe dao cũng bằng cơ cấu này thànhchuyển động tịnh tiến của dao Đối với một hệ chuyển động thẳng gián tiếp,

do bổ sung cơ cấu trung gian nên nhược điểm đầu tiên cần kể đến là ảnhhưởng của khe hở trong khu vực ghép nối giữa động cơ – trục truyền hay tải –trục truyền, trong quá trình gia công dẫn đến nhiều sai lệch về cơ khí, độ dơcủa bánh răng ảnh hưởng đến độ chính xác của máy CNC Để khắc phụcnhược điểm này người ta tìm cách loại bỏ hệ thống bánh răng trục vít bằngcách sử dụng động cơ tuyến tính thay thế cho động cơ secvo và động cơbước.Như máy tiện CNC TAKISAWA TNR 200 ta quan sát hình khi dichuyển ăn dao thay bằng động cơ tuyến tính giảm bớt được thành phần trunggian như hộp số trục, trục vít Tổn thất tổng giảm đáng kể và đảm bảo độchính xác cao hơn, đặc biệt các sai số do hao mòn cùng với thời gian sử dụng

sẽ giảm đi Đạt được động học hệ thống tới mức cao nhất, đồng thời loạiđược các dao động riêng tiềm ẩn trong chuyển động xoắn của trục vít

MÁY TIỆN CNC TAKISAWA TNR 200

Hình 1.8 Máy tiện TAKISAWA TNR200-CNC

1.3.2 Máy phay

a Công dụng

Máy phay là máy công cụ dung để gia công một hay nhiều bề mặt chínhxác trên một sản phẩm hay một chi tiết gia công Chi tiết được cắt bởi mộthay nhiều dao tùy công nghệ Máy phay vạn năng có thể điều khiển, vận hànhthong dụng như các máy công cụ khác Máy phay không chỉ dung để phay cácmặt phẳng mà có thể gia công các bề mặt định hình phức tạp như mặt răng,cắt ren, mặt rãnh định hình…Ngoài phay, trên máy phay còn có thể khoankhoét, doa và xọc…Tính vạn năng của máy phay chứng tỏ không thể thiếutrong phân xưởng cơ khí

Hình 1.9 Máy phay CNC

b Nguyên lý hoạt động của máy phay vạn năng 676π

Để thực hiện quá trình tạo hình trên máy phay vạn năng cần có cácchuyển động sau:

- Chuyển động chính: Là chuyển động quay tròn của trục chính mang dao,đây là chuyển động cắt chính nhận được từ động cơ chính thong qua hộp sốtốc độ(iv) làm trục chính mang dao quay đều Chuyển động này nhằm tạo rađường sinh của bề mặt gia công Tốc độ của chuyển động chính là tốc độ cắt

- Chuyển động chạy dao: Đây là chuyển động tạo nên đường chuẩn trên

bề mặt gia công Nó là chuyển động cơ bản nhằm duy trì quá trình cắt gọt.Chuyển động chạy dao gồm 3 chuyển động tịnh tiến Sd, Sn, Sđ Các chuyểnđộng này thực hiện được nhờ chuyển động của động cơ chạy dao thông quahộp chạy dao đến các trục vít me dọc ngang và đứng

- Chuyển động chạy dao nhanh: Để giảm thời gian phụ nhằm tăng năngsuất gia công , thực hiện quá trình đó là bố trí xích chạy dao nhanh đi từ động

cơ chạy dao nhanh qua các cặp bánh răng đơn đến các vít me chạy dao màkhông cần đi qua phần điều chỉnh của hộp chạy dao

Các chuyển động phụ khác: Bao gồm các chuyển động quay của bàn máy,chuyển động quay của đầu dao, chuyển động phân độ…

- Phay có thể gia công được các mặt phẳng, mặt cong, với niều kiểu máy,kiểu dao và bằng nhiều phương pháp khác nhau Để đảm bảo độ chính xáckích thước và độ bóng đạt được khi phay cũng như tăng năng suất gia công, tathay thế hệ thống bánh răng, vit- me, bằng động cơ tuyến tính cho bộ phậnchạy dao Động cơ này chuyển động tịnh tiến trực tiếp cho chuyển động ăndao

Hình 1.10 Máy bào giường

Máy bào mặt phẳng hay còn gọi là máy bào giường hiện nay được sửdụng rộng rãi trong các loại máy cơ khí Nó dùng để gia công bề mặt các chitiết kim loại có biến dạnh lớn Ngoài ra máy bào giường dùng để xẻ dãnh hình

T, U, đuôi én Máy bào có thể gia công bề mặt các chi tiết ở mức độ thô hoặctinh khác nhau Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển độngtịnh tiến của bàn máy, bàn máy được kéo bằng một động cơ điện Chất lượng

và năng suất của máy bào mặt phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độbàn máy, lực cắt mô men cắt của dao…

Vì vậy việc điều khiển động cơ truyền động là hết sức quan trọng mà tacần nghiên cứu và giải quyết

a Phân loại

Máy bào mặt phẳng hiện nay có nhiều chủng loại, dựa vào số trụ đượcphân ra:

- Máy bào một trụ: ví dụ như 710: 71120:7116

- Máy bào hai trụ : ví dụ như máy 7210: 7212:7216

- Dựa vào chiều dài của bàn máy (Lb)và lực kéo (Fk)ta phân ra:

- + Máy cỡ nhỏ : Chiều dài bàn Lb < 3m, lực kéo Fk = 30÷50 (KN)

- + Máy cỡ trung bình: Chiều dài bàn Lb= 4÷5 m, lực kéo Fk = 50÷70(KN)

- + Máy cỡ nặng(lớn): Chiều dài bàn Lb= >5 m, lực kéo Fk >70 (KN)Kết cấu máy bào mặt phẳng

Máy bào giường được chế tạo từ nhiều chi tiết phức tạp, nhiều khối khácnhau Ở đây ta mô tả kết cấu bên ngoài và các bộ phận của máy

Hình 1.11 Nguyên lý máy bào giường

Chi tiết gia công 1 được kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiếnqua lại Dao cắt 3 được kẹp chặt trên bàn dao đứng 4 Bàn dao 4 được đặt trên

xà ngang 5 cố định khi gia công Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyểnqua lại theo các theo các chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trìnhthuận và ngược Ở hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi làhành trình cắt gọt Ở hành trình ngược, bàn máy chạy về vị trí ban đầu,không cắt gọt, nên gọi là hành trình không tải Cứ sau khi kết thúc hành trìnhngược thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi là lượng ăndao Chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính.Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi một hành trình kép là chuyển động ăn dao.Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao tronghành trình không tải

Hình 1.12 Đồ thị tốc độ cho một chu kỳ

Giả sử bàn đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc đến tốc đô V0 =

5 ÷ 15m/ph trong khoảng thời gian t1 Sau khi chạy ổn định với tốc đô V0trong khoảng thời gian t2, thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độthấp để tránh sứt dao hoặc chi tiết) Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tốc độV0 cho đến hết thời gian t22 thì tăng tốc đến tốc độ Vth (tốc độ cắt gọt).Trong thời gian t4, bàn máy chuyển động với tốc độ Vth và thực hiện giacông chi tiết Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc đến tốc độV0, dao được đưa ra khỏi chi tiết gia công Sau đó bàn máy đảo chiều quaysang hành trình ngựơc đến tốc độ Vng, thực hiện hành trình không tải , đưabàn về vị trí ban đầu Gần hết hành trình ngược, bàn máy giảm sơ bộ tốc độđến V0, đảo chiều sang hành trình thuận, thực hiện một chu kỳ khác Bàn daođược di chuyển bắt đầu thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngượcsang hành trình thuận và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết

Tốc độ hành trình thuận được xác định tương ứng bởi chế độ cắt; thườngvth = 5 ÷ 120m/ph; tốc độ gia công lớn nhất có thể đạt vmax = 75 ÷ 120m/ph.

Để tăng năng suất máy, tốc độ hành trình ngược thường chọn lớn hơn tốc độhành trình thuận

Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển động tịnh tiến củabàn máy, bàn máy được kéo bằng một động cơ điện Chất lượng và năng suấtcủa máy bào mặt phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ bàn máy, lựccắt, mô men cắt của dao…nâng cao chất lượng gia công tinh, gia công tinhmỏng thay thế động secvo trục vít bằng động cơ tuyến tính, trực tiếp chuyểnđộng tịnh tiến của bàn máy khi mang phôi và chuyển động tịnh tiến của đầudao

1.3.4 Máy mài

Hình 1.13 Máy mài tròn ngoài Hình 1.14 Máy mài tròn trong

Máy mài là nhóm máy đặc biệt sử dụng để gia công tinh các chi tiết bằng

dụng cụ chế tạo từ hạt mài Nó cho phép đạt độ chính xác cấp 5 đến cấp 6 Ởđiều kiện gia công bình thường dễ dàng đạt được độ nhám bề mặt Ra = 0,8đến 0,2 các thong số trên rất khó đạt được trên các loại máy khác

Đá mài quay tròn( chuyển động chính), chuyển động tịnh tiến

Phôi quay tròn và chuyển động tịnh tiến (trên máy mài tròn ngoài) hoặcphôi chuyển động tịnh tiến(trên máy mài phẳng)

Hình 1.15 Máy mài phẳng

a Phân loại máy mài: Có máy mài tròn trong, ngoài, máy mài dụng cụ, máy

mài phẳng…

b Cấu tạo cơ bản của máy mài phẳng:

Mặc dù kết cấu của các loại máy mài rất đa dạng nhưng tất cả chúng đều

có các bộ phận chính như: than máy, bàn máy, ụ trước, ụ sau, ụ đá, thiết bịthủy lực, hệ thống điện và bảng điều khiển

Ụ trước và ụ sau sử dụng trên các máy mài tròn vì chi tết được gá trên haimũi tâm, với máy mài lỗ chỉ có ụ trước Trên trục chính người ta lắp mâm cặphoặc đồ gá để gá kẹp chi tiết gia công Trên các máy mài phẳng ụ trước và ụsau được thay bằng bàn máy, vì vhi tiết gia công được gá trực tiếp lên bànmáy hoặc đồ gá Đồ gá gá trực tiếp lên bàn máy Ụtrước dung để tạo chuyểnđộng quay cho chi tết gia công.

Thân máy là chi tiết cơ sở của máy.Trên than máy người lắp tất cả cá cụmcòn lại, yêu cầu cơ bản với than máy là phải đảm bảo chính xác yêu cầu chotất cả các cụm lắp trên đó trong suốt thời gian dài làm việc Trên than máyngười ta lắp bàn máy có các dãnh chữ T và dẫn động tạo chuyển động tịnhtiến khứ hồi của bàn…

Bàn máy có hình dáng chữ nhật và chuyển động tịnh tiến khứ hồi Trêncác máy mài phẳng bàn máy dung để gá chi tiết gia công trực tiếp lên bànmáy hoặc đồ gá; đồ gá gá trực tiếp lên bàn máy Đối với máy mài tròn ngoài ụtrước ụ sau được gá trên bàn máy

Ụ đá gồm than ổ đỡ trục chính và dẫn động của nó Trục chính là một chitiết quan trọng bậc nhất của đá mài, độ chính xác kích thước và hình dáng củachi tết mài phụ thuộc vào trục chính và các ổ đỡ nó Trục chính có yêu cầu rấtcao về độ cứng vững, độ chống rung , độ bền, độ chịu mài mòn của các bềmặt làm việc

Bơm là cơ cấu cung cấp chất lỏng cho công tác cho hệ thống thủy lực

c Nguyên lý làm việc của máy bào phẳng

Đối với máy bào phẳng: khi đá mái quay theo chiều mũi tên, còn chi tiếtchuyển động tịnh tiến theo chiều mũi tên các hạt mài nằm trên mặt làm việccủa đá mài sẽ bóp đi một lớp kim loại mỏng tạo ra bề mặt gia công theo yêu

+ Trụcchính

Trục chính là thành phần có tính quyết định nhất trong máy công cụ Mộttrục ổn định sẽ hợp nhất với sự điều khiển của động cơ - quyết định độ cứngvững hệ thống, hệ thống bôi trơn và nguồn điện cung cấp, đảm bảo độ chínhxác và có thể đoán trước được năng suất của máy Như vậy, quá trình thiết kếtrục và tối ưu tốc độ quay của trục chính sẽ mang lại quá trình cắt gọt được tốtnhất và độ chính xác cao nhất cho máy.

+ Nguồn (năng lượng) Khi tìm hiểu để mua một máy công cụ cho xưởngsản xuất, thì việc nắm được cấu tạo của máy là một điều quan trọng để lựachọn một cách phù hợp loại máy đáp ứng được yêu cầu Đây là cách để bạnđảm bảo thực hiện một cách chính xác cho sự tối ưu hoá quá trình sản xuất

Và nếu xảy ra trục trặc, nhà cung cấp có thể nhanh chóng tìm ra căn nguyêncủa vấn đề, vì mọi thứ đã được tích hợp sẵn trong máy

1.4 Kết luận

Từ những nội dung đã trình bày ở trên cho thấy ưu thế của việc sử dụngĐCTT trong hệ chuyển động thẳng nói chung Với những hệ thống đòi hỏi độchính xác cao như robot công nghiệp, máy công cụ như máy tiện, máy phay,máy bào (CNC, ) thì sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC là phù hợp Để điềukhiển TTHCX điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC có đề cập đến những xử lýhiệu chỉnh ngược khi điện áp đi vào vùng giới hạn hay ưu thế khi vận hành ởchế độ phi tuyến Ngoài ra luận văn còn đề cập phương pháp chọn thời gianngắn nhất ứng với thời gian dịch chuyển s trên cơ sở tính chọn vận tốc tối ưucho động cơ

Về thực nghiệm, luận văn đã xây dựng được một mô hình thí nghiệm giúpxác định thời gian ngắn nhất và điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC đảm bảođạt được tốc độ cho phép và vận hành trong chế độ đảo chiều Việc xây dựng

hệ thí nghiệm giúp chứng minh cho khả năng hoàn toàn có thể tạo ra đượcmột biến tần điều khiển ĐCTT có sử dụng cấu trúc điều khiển được xây dựngtrong luận văn

Chương 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 2.1 SO SÁNH GIỮA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (ĐB-KTVC) VÀ ĐỘNG CƠ CHẠY THẲNG KIỂU ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (ĐCCT ĐB-KTVC)

Mạch từ và dây quấn 3pha trải phẳng, chuyểnđộng tịnh tiến(chuyểnđộng thẳng)

Phần cố

định

Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn,trong có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha

Nam châm vĩnh cửugồm nhiều cực từ đặtliên tiếp nhau, cực tínhluân phiên nhau

Lực do tương tác giữa từ trường nam châm và

….trong các cuộn dây của động cơ

2.1.3 Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC

Hệ tọa độ quay quanh một tâm o cố

định

Theo tài liệu (Luận văn tiến sĩ – tácgiả Đào Phương Nam) hệ tọa độ cótâm o chuyển động tịnh tiến gắn với

bộ phận chuyển động của động cơ.Kết luận: Trên cơ sở các phương trình toán học ĐC ĐB-KTVC ta sẽ suy

ra các phương trình toán học mô tả ĐCCT-ĐBKTVC, với việc thay thế cácđại lượng vật lý như sau:

Tất cả các vector cóchung 1 gốc

Bảng 2.3 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2

loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính.

Theo [6], p được định nghía như hình vẽ sau:

Hình 2.1 Định nghĩa tham số P

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha

Trên cơ sở mô hình toán học, đối tượng là động cơ chạy thẳng kiểu KTVC Vì động cơ chạy thẳng KTVC có cấu trúc tương tự như động cơ đồng

ĐB-bộ KTVC, do đó trước hết luận văn sẽ trình bày mô hình toán học của động

cơ ĐB-KTVC sau đó chuyển về động cơ chạy thẳng KTVC

Với các loại máy điện xoay chiều ba pha nói chung, MĐKĐBNK nóiriêng ta đều có ba dòng điện hình sin cùng biên độ, tần số, lệch pha nhau 120o

điện chảy vào stator qua ba cực tương ứng với pha u, v, w Gọi ba dòng đó là

tọa độ phức có trục thực đi qua trục cuộn dây pha u Trên hệ tọa độ đó, ta

định nghĩa một vector không gian dòng stator như sau (hình 2.1):

o

j120e

o

j240e

2 3

e

i (t)

o

j120 sv

2

Re Im

u v

w

s

i (t)

Hình 2.2 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha

is(t) là một vector có module không đổi quay trên mặt phẳng phức (cơhọc) với tốc độ góc s  2  f s và tạo với trục thực một góc pha   s t với f s

là tần số mạch stator

Dễ dàng chứng minh được rằng dòng điện của từng pha là hình chiếu củavector dòng stator lên trục của cuộn dây pha tương ứng Đối với các đại lượngstator khác của máy điện như điện áp stator, từ thông stator ta đều có thể xâydựng các vector không gian tương ứng như đối với dòng điện stator kể trên

Tổng quát thì một đại lượng stator bất kỳ x xác định một vector không gian

thành phần của vector dòng stator trên 2 trục tọa độ là i s và i s

Dễ dàng chứng minh được rằng hai thành phần dòng i s và i s được xácđịnh từ ba dòng pha nhờ công thức 2.4 Ngược lại, các dòng pha stator củamáy điện được xác định từ các thành phần dòng i s và i s theo công thức(2.5):

Cuén d©y pha V

Cuén d©y pha W

Hình 2.3 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa

độ 

Với MĐĐB - KTVC, ta xây dựng một hệ trục tọa độ quay dq có hướngcủa trục thực d trùng với trục của từ thông cực và gốc tọa độ trùng với gốctọa độ của hệ Hệ tọa độ này quay quanh điểm gốc với tốc độ góc  là tốc độ

cơ học của rotor, cũng chính là tốc độ ωlνs

 s

s

u

Cuén d©y pha U

Cuén d©y pha V

Cuén d©y pha W

Rotor

Trôc Rotor

Hình 2.4 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq

Gọi i sd và i sq là hai thành phần trên hai trục tọa độ d, q của vector dòng

stator Vector i t s( ) có thể được viết cho hai hệ tọa độ như sau:

Các chỉ số phía trên bên phải “s” và “f” để chỉ hệ tọa độ  và dq.

Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian:

Xét một hệ tọa độ tổng quát xy Ngoài ra ta hình dung thêm một hệ tọa độ

thứ 2 với các trục x y* * có chung điểm gốc và nằm lệch đi một góc *