tìm hiểu về hệ thống bào.thiết kế chương trình giám sát điều khiển truyền động chính máy bào cho hệ

Page 1 Khoa đIện-điện tử tàu biển Bộ môn đIện tự động công nghiệp BàI tập lớn Môn trang bị đIện -đIện tử máy gia công kim loại đề tài Mô phỏng quá trình đIề khiển tốc độ của máy bào giờng Môn :trang bị đIện máy gia công kim loại Giáo viên hớng dẫn :ts. hoàng xuân bình Họ tên : đặng văn hợp Lớp : đtđ 43 HảI phòng : ngày tháng năm Page 2 Mục lục trang Lời mở đầu 3 1.Giới thiệu tổng quan về máy bào giờng 4 1.1.Đặc điểm công nghệ của máy bào 4 1.2,Phụ tải của truyền động chính 6 1.3.Chọn công suất động cơ cho truyền động chính 7 1.3.Các phơng trình của động cơ diện một chiều 8 2.Đi sâu mô phỏng sơ đồ đIều khiển máy bào giờng hệ T-Đ 8 2.1.Tổng hợp mạch vòng dòng điện 9 2.2.Tổng hợp mạch vòng tốc độ 10 2.3.Tính toán các thông số của bộ điều khiển 10 2.4.Đặt tốc độ và mô men cản 12 3.các đặc tính thu đợc sau mô phỏng bằng matlab 21 4.Nhận xét và đánh giá các kết quả mô phỏng 29 Tài liệu tham khảo 30 Page 3 Lời mở đầu Hiện nay chúng ta đang sống trong trong nền kinh tế thị trờng năng động luôn luôn vận đông và thay đổi không ngừng ,một nền kinh tế của tri thức khoa học. Do đặc điểm của nớc ta là nớc chịu nhiều ảnh hởng của nhiều năm chiến tranh cho nên trình độ khoa học còn thua kém các nớc trên thế giới một khoảng cách khá lởn . Đòi hỏi mỗi chúng ta phảI học tạp và nỗ lực không ngừng để góp phần xây dựng đất nớc theo con đờng công nghiệp hoá hiện đại hoá . Mà cơ sỏ của con đờng công nghiệp hoá hiện đại hoá đó là sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ mới và tự động hoá . Do là nớc đi sau cho nên chúng ta cần phảI lắm bắt đợc những kĩ thuật những phát minh thế giới đã có và có thể có những cảI tiến để phục vụ mọt cách hiệu quả nhất cho quá trình sản xuất . Trong nền công nghiệp của nớc ta thì lĩnh vực gia công kim loại la một khâu rất quan trọng . Chinh vì vậy để quá trình sản xuất có hiệu quả thì chúng ta cần phảI nghiên cứu và hiểu thấu đáo về các thiết bị máy móc . Vì vậy khi nhận bài tập lớn em đã chọn mô phỏng sự hoạt động của máy bào giờng đợc sự giúp đỡ của thầy giáo ho ng xuân bìnhã để có thể hiểu kĩ hơn đặc tính làm việc của máy cũng nh phơng pháp để tổng hợp bộ điều khiển phù hợp vói các yêu cằu công nghệ . Page 4 1.giới thiệu tổng quan về máy bào giờng : 1.1.đặc đIểm công nghệ của máy bào giờng : + Máy bào giờng là máy có thể gia công những chi tiết lớn . Chiều dài bàn có thể từ 1.5 đến 12 m . Tuỳ thuộc vào chiều dàI bàn máy và lực kéo có thê phân máy làm ba loại: - Máy cõ nhỏ có chiều dàI bàn: L b < 3m , lực kéo F k =30 ữ 50 kN - Máy cỡ trung bình : L b = 4 ữ 5m , lực kéo F k =50 ữ 70 kN - Máy cỡ nặng : L b >5m , lực kéo F k >70 kN + Chi tiết gia công đợc kẹp chặt trên bàn máy chuyển đông tịnh tiên qua lại . Dao căt đợc kẹp chặt trên bàn dao đứng . Bàn dao đợc đặt trên xà ngang cố định khi gia công . Trong quá trình làm việc bàn máy di chuyển qua lại theo chu kì lặp lại , mỗi chu kì gồm hai hành trinh thuận và nguợc . ở hành trình thuận thực hiện gia công chi tiết gọi là hành trình cắt gọt . Trong hành trình ngợc bàn máy chạy về vị trí ban đầu ,không cắt gọt cho nên gọi là hành trình không tảI . Cứ sau khi kết thúc hành trình nguợc thì bàn dao lại di chuyển một khoảng gọi là lợng ăn dao s (mm/ hành trình kép) .chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính . Dịch chuyển của bàn dao sau một hành trình kép đợc gọi là chuyển động ăn dao .Chuyển động phụ là chuyển động của xà , bàn dao , nâng đầu dao trong hành trình không tảI . + Đồ thị tốc độ của bàn có dạng nh hình () giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và đợc tăng tôc đến tốc độ v o =5 ữ 15 m/ph (tốc đồ vào dao) trong khoảng thơI gian t 1 . Sau khi chạy ổn định với tốc độ v o trong khoảng thời gian t 2 thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh mẻ dao hoặc chi tiết ) .Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tôc độ đó cho hết thời gian t 3 =thì tăng tốc đến tốc độ v th (tốc độ cắt gọt) trong thời gian t 5 bàn máy chyển động với tốc độ v th và thực hiện gia công chi tiết . Gần hết hành trình thuận bàn máy sơ bộ đợc giảm đến v o dao đuợc gia khỏi chi tiết khi tốc độ của bàn là 1 . Sau đô bàn máy đuợc đảo chiều sang hành trình ngợc đến tốc độ v ng thực hiện hành trình không tảI đa máy về vị trí ban đầu gần hết hành trình nguợc bàn máy bàn máy đợc giảm tốc sơ bộ đến v o đảo chiều sang hành trình thuận và thực hiện một hành trình khác . Bàn dao bắt đầu đuợc di chuyển từ thời đIúm bàn máy đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình nguợc và kết thúc di chuyển trớc khi dao cắt vào chi tiết . + Tốc độ hành trình thuận đợc xác định tơng ứng với chế độ căt , thờng v th =5 ữ (75 ữ 120) m/ph , tốc độ gia công lớn nhất có thể đạt v max =(75 ữ 120)m/ph ,đeẻ tăng năng suất của máy , tốc độ của hành trình nguợc thờng đợc lựa chọn lớn hơn tốc độ của hành trình ngợc, v max =k*v th Page 5 (k=2 ữ 3) + Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian : n=1/t ck =1/(t th +t ng ) trong đó : t ck - thời gian một chu kì làm việc của bàn máy (s); t th - thời gian bàn máy ở hành trình thuận (s); t ng - thời gian bàn máy ở hành trình ngợc (s); giả sử gia tốc của bàn máy lúc tăng hay giảm là không đổi thì : 2/ th thhthg th th th v LL v L t + += (1) 2/ ng nghngg ng ng ng v LL v L t + += (2) L th , L ng -chiều dàI của bàn máy ứng với tốc độ ổn định ở hành trinh thuận và hành trình ngợc: L g.th , L g.ng -chiều dàI bàn trong quá trính gia tốc (giảm tốc) trong hành trình thuận (hành trình ngợc) L h.th , L h.ng -chiều dàI hành trình thuận trong quá trính gia tốc (giảm tốc) trong hành trình thuận (hành trình ngợc) dcngdcngth tvLktvLvL n ++ + ++ = /*)1( 1 // 1 trong đó : L= L th + L g.th + L h.th = L ng + L g.ng + L h.ng - chiều dàI hành trình của bàn máy ; k= v ng / v th -tỉ số giữa tốc độ hành trình ngợc và hành trình thuận ; t dc -thời gian đảo chiều của bàn máy. + Có thể thấy răng k tăng thì năng suất của máy tăng nếu k>3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể do lúc đó thời gian đảo chiều lại tăng khi L b nhỏ thì thi t dc ảnh hởng ít đến năng suất Do đó cần chú ý thiết kế truyền động chính máy bào giờng để lâm giảm thời gian quá độ . + Một trong các biện pháp để làm giảm thời thời gian quá độ là xác định tỉ số tryền tối u của cơ cấu truyền đồng từ trục động cơ đến truyền động chính đảm bảo máy khởi động với gia tốc nhanh nhất. + Xuất phát từ phơng trình mô men trên trục động cơ : Page 6 dt d jijMiM m mdc *)*(* 2 += Trong đó : M- mô men động cơ lúc khởi động ,Nm; Mc-mô men cản trên trục làm việc ,Nm; j d - mô men quán tính của động cơ ,kgm; j m - mô men quán tính của máy ,kgm; m -tốc độ góc của trục làm việc ,rad/s; I - tỉ số truyền của bộ truyền . Ta có gia tốc của trục làm việc : md cm jij miM dt d + = 2 * * Lấy đạo hàm của gia tốc và cân bằng với không : 0= dt dt d m Tìm đợc tỉ số truyền tối u : d mcc tu j j M M M M i + += 2 -Việc lựa chọn tỉ số truyền tối u ở máy bào giờng là khá quan trọng . Thời gian quá độ phụ thuộc vào mô men quán tính của máy . mô men quán tính tỉ lệ với chiều dàí của bàn máy ta có thể tham khảo thêm trong [1] trang 43 . +Tuy nhiên thời gian quá độ cũng không thể giảm nhỏ quá vì nó bị hạn chế bởi : -Lực động phát sinh trong hệ thống . -Thời gian quá độ phảI đủ lớn để di chuyển đầu dao. 1.2.phụ taỉ của truyền động chính: Phụ tảI của truyền động chính đợc xác định bằng lực kéo tổng .Nó là tổng của hai thành phần lực cắt và lục ma sát : mszk FFF += Trong đó : F z lực cắt ,[N] ; F ms -thành phằn ma sát , [N] ; + Trong chế độ làm việc ( hành trình thuận ) lực ma sát đợc xác định bởi công thức : Page 7 ( ) [ ] bctyms mmgFF ++= ** à Trong đó : à = 0.05 ữ 0.08 hệ số ma sát ở gờ trờt ; y F =0.4* z F -thành phàn thẳng đứng của lực cắt ,N bct mm , -khối lợng của chi tiết và bàn , kg . + Trong chế độ không tảI (hành trình thuận ) do thành phần lực cắt bầng không cho nên lực ma sát băng : )(** bctms mmgF += à Lực kéo tổng là : )(** bctmsk mmgFF +== à + Quá trình bào chi tiết ở máy bào giờng đợc tiến hành với công suất gần nh không đổi , tức là lực căt lớn nhất tơng ứng với lực cắt nhỏ và ngợc lại . Tuy nhiên đồ thị phụ tảI có hai vùng : vùng : 0 < v < v gh lực kéo là hằng số ; vùng : v gh < v <v max công suất P k gần nh không đổi . 1.3.chọn công suât động cơ cho tryền động chính : +Đậc đỉểm chung của truyền động chính máy bào giờng là đào chiều với tần số lớn , mô men hãm và khơỉ động lớn . Quá trình quá độ chiếm thời gian khá lớn trong chu kì làm việc .Chiều dàI của bàn càng giảm thì ảnh hởng của của quá trình quá độ càng tăng . Cho len cần xét đến cả phụ tảI tĩnh và cả động +Các thông sô lựa chọn của động cơ truyền động chính kích từ độc lập là : P đm = 50 kW là công suất định mức của động cơ U đm = 440 V là đIện áp định mức của động cơ n đm = 1500 v/ph là tốc độ định mức của động cơ à = 90 % là hiệu suất định mức của động cơ u L = 0.01H là đIện cảm của phần ứng u T = u u R L (s) là hằng số thời gian của phần ứng động cơ +Các thông số của các cảm biến và của bộ chỉnh lu : T i = 0.002 s là hằng số thời gian của khâu phản hồi dòng T v = 0.0025 s là hằng số thời gian của các van bán dẫn T đk = 0.0001 s là hằng số thời gian của mạch đIều khiển T = 0.001 s là hằng số thời gian của máy phát tốc Page 8 1.4.các phơng trình của động cơ đIện một chiều : +Phơng trình phần ứng : u R = u E +( u R + f R ) u I +Phơng trình đặc tính cơ đIện : u fu u I K RR K U + = +Phơng trình đặc tính cơ : M K RR K U fu u 2 )( + = 2.đI sâu mô phỏng sơ đồ đIều khiển máy bào hệ t-đ : +Sơ đồ nguyên lí hinh 3-10 [1] trang 59 Động cơ truyền động chính là động cơ một chiều cóng suát 50 kW điện áp 440V cấp tù bộ biến đổi thisistor có đảo chiều với khuyếch đại từ trung gian . Đây là hệ điều khiển thực hiện phản hồi kín âm tốc độ ,tự động ổn định tốc độ động cơ có dảI điều chỉnh tốc độ D=20/1 .Kích từ độc lập bằng bộ chỉnh lu không đảo chiều . Điều chỉnh tôc độ đông cơ bằng cách thay đổi điện áp. + Trong sơ đồ điều khiên của em đã thay hệ thống đặt tín hiệu điều khiển : các xen xin + câu chỉnh lu v.v bằng tín hiệu đặt đợc viết trong M-file . Dùng hai mạch vòng : mạch vòng dòng điện và mạch vòng dòng điện . +Sơ đồ cấu trúc của hệ : Page 9 2.1.TổNG HợP MạCH VòNG DòNG ĐIệN : Ta có : -Hàm truyền của khâu chỉnh lu là : )1)(1( pTpT K vdk cl ++ -Hàm truyền của khâu phản hồi dòng là : )1( pT K i i + -Hàm truyền của khâu phản hồi tốc độ là : )1( pT K + -Ta có hàm truyền của đối tợng đIều khiển của bộ đIều chỉnh dòng là: )1)(1)(1( / )( )( pTpTpT RKK pU pU S udki uicl dk i oi +++ == -Trong đó : si T = i T + v T + dk T << u T bỏ qua các hệ số bậc cao ta có : )1)(1( / pTpT RKK S usi uicl oi ++ = -áp dụng tiêu chuẩn mô đun tối u ta có hàm truyền của hệ thông kín : 22 221 1 pp F oMi ++ = -Nh vậy ta sẽ có : oii oii oMi SpR SpR pF )(1 )( )( + = -Sau quá trình tính toán và chọn = si T ta có : - Hàm truyền của khâu đIều chỉnh dòng là : Page 10 ) 1 1( 2/2 1 )( usiicl uu usicli u i pTTKK TR RTKpK pT pR += + = -Là khâu tỉ lệ tích phân. 2.2.tổng hợp mạch vòng tốc độ: -Ta có hàm truyền của bộ đIều chỉnh tốc độ sau khi đã tổng hợp mạch vòng đIều chỉnh dòng là : )1()( pTTkK RK S sci u o + = s T =2 si T + T s T rất nhỏ. -Dùng tiêu chuẩn tối u đối xứng để tồng hợp mạch vòng tốc độ , sau khi tính toán và chọn = s T ta tìm đợc bộ đIều chỉnh tốc độ là khâu tỉ lệ tích phân : pT TKK KR pT pR s ci u s 2 8 )( 41 )( + = 2.3.Tính toán các thông số : dm =1500 / 9.55 = 157 rad/s e K =K/9.55 = 0.105K -Tinh mô men định mức : dm P = dm M * dm dm M = dm dm P = 157 50000 =118.47 Nm dm I = dm dm U P = 440 50000 = 113.64 A K = dm dm I M = 64.113 47.118 = 1.04 [...]... lu để làm cho quá trình điều khiển đợc trơn và tránh quá tải cỡng bức cho động cơ truyền động +Cần phải lắp thêm khâu hạn chế dòng trớc bộ chỉnh dòng để tránh quá dòng cho động cơ +Từ những kết quả thu đợc qua mô phỏng ta có thể thấy rằng tốc độ của động cơ truyền động chính là bám theo tốc độ đặt thoả mãn đựoc yêu cầu điều khiển của máy bào +Tuy nhiên điện áp ra của bộ chỉnh lu để cấp cho động cơ một... điện áp đặt cho bộ chỉnh lu : Page 23 +Dạng điện áp vào cho động cơ : Page 24 +Dạng dòng phần ứng của động cơ : Page 25 +Dạng mô men cản : Page 26 +Sai lệch tốc độ : Page 27 Đặc tính cơ của máy bào: Page 28 Đặc tính cơ của hệ thống với đáp ứng bớc nhảy: khi Mc=56 Nm Page 29 4.nhận xét và đánh giá kết quả mô phỏng: +Do hệ truyền động điện dùng bộ biến đổi cấp nguồn cho động cơ một chiều cho lên ta cần... động cơ một chiều truyền động chính còn dao động +Dòng phần ứng của động cơ còn dao động và có lúc tăng gấp hai lần dòng định mức nhng sự quá dòng đó chỉ trong những thời gian ngắn nh vậy quá trinh hoạt động của máy vẫn bình thờng +Sai lệch tốc độ là rất nhỏ chấp nhận đợc +Tốc độ động cơ trong quá trình ngợc gần đạt định mữc nh vậy thì sẽ thoả mãn đợc yêu càu tăng năng suất cho máy +Nh vậy ta có... là thời gian máy tăng tốc đến v0 ,động cơ làm việc không tảI t2- là thời gian động cơ làm việc không tảI và ổn định tốc độ ở v0 t3- là thời gian máy bắt đầu gia công chi tiết ,khi đó động cơ làm việc ổn định có tảI ở tốc độ v0 t4- là thời gian máy tăng tốc độ cắt gọt đến vth t5- là thời gian máy cắt gọt ổn định ở tốc độ vth t6- là thời gian máy giam tốc độ cẳt gọt đến v0 t7- là thời gian máy làm việc... thấy đợc đặc tính hoạt động ,quá trình biến đổi các thông số của máy bào nói riêng và các máy móc thiết bị nói chung, khi thiết lập đợc phơng trình toán học mô tả đối tợng Nhơ vậy đối vơI sinh vien cha có diều kiện thiết kế mô hình vật lí thì mô phòng trên máy tính là một công cụ rất hữu hiệu Page 30 Tài liệu tham khảo : [1] nguyễn mạnh tiến vũ quang hồi trang bị đIện -đIện tử máy gia công kim loại... chi tiết động cơ làm việc không tảI t9- là thời gian động cơ đảo chiều từ thuận sang ngợc t10- là thời gian động cơ đảo chiều từ thuận sang ngợc t11-là thời gian động cơ làm việc với tốc độ cc đại theo chiều ngợc t12-là thời gian động cơ giảm tốc độ theo chiều ngợc Page 17 t13-là thời gian động cơ quayvới tốc độ ổn định ngợc v0 t14 là thời gian động cơ đảo chiều sang thuận và bắt đầu một hành trình mới... sang thuận và bắt đầu một hành trình mới +Viết tín hiệu mô men cản cho máy bào giờng : -Nh đã nói ở trên thì khi động cơ truyền động chính cũng đã phảI nhận một mô men cản Mô men này tăng tuyến tính ở trong vùng tốc độ 0 < v < vgh nhng khi tốc độ thay đổi : vgh < v < vmax thì mô men cản nay lại giảm đi -Và mô men cản tăng lên khi dao bào ăn vào chi tiết : trong quá trinh mới ăn dao vào chi tiết và... số của bộ điều chỉnh tốc độ là : proportional = 40 , int egal = 0.00102 +NgoàI ra để hệ thống hoạt động ổn định và tin cậy thi ta cần đặt thêm khâu hạn chế dòng và khâu gia tốc: -Giá trị đặt cho khâu hạn ché dòng là : -giới hạn trên là :17 -giới hạn dới là -17 -Khâu hạn chế dòng là khâu quán tính bậc nhất : 1 1 + 0.01 * p 2.4.đặt tốc độ và mô men cản : +Tính toán tín hiệu đặt tôc độ cho máy bào giờng... m/ph vth=100 m/ph vng=150 m/ph Page 13 -Nh vậy ta sẽ tính đợc thời gian máy chạy thuận tth ,thời gian máy chạy ngợc tng ,va thời gian tổng hay cũng chính là chu kì làm việc của máy bào giờng : Tck=tth +tng Theo công thức (1)và(2) Ta tính ra đợc : tth = 0.1 ph tng = 0.6 ph Tck = 0.16 ph Từ đó ta tiến hành viết tín hiệu đặt cho máy tiện trong M-file nh sau : x=[],y=[]; x(1)=0,y(1)=0,k=1; dx=0.01,dy=0.01;... ) = Ru Tu 1 0.2 * 0.05 1 (1 + )= (1 + ) 2 K cl K iTsi pTu p * 0.05 2 * 44 * 0.052 * 4.6 *10 3 -Sau khi tính toán ta đợc các thông só cài đặt cho bộ PI: proportional = 0.48 , int egal = 0.104 Tc = jRu 1 * 0 2 = = 0.185s ( K ) 2 (1.04) 2 +Tìm các tham số cho bộ điều chỉnh tốc độ : - ta có : Ts =2 Tsi + T - với T =0.001 s , Tsi =0.0046 s Page 12 Ts = 0.01s -Với các thông số : Ts = 0.01s , Ru =0.2 , . thiệu tổng quan về máy bào giờng 4 1.1.Đặc điểm công nghệ của máy bào 4 1.2,Phụ tải của truyền động chính 6 1.3.Chọn công suất động cơ cho truyền động chính 7 1.3.Các phơng trình của động cơ diện. của máy cũng nh phơng pháp để tổng hợp bộ điều khiển phù hợp vói các yêu cằu công nghệ . Page 4 1.giới thiệu tổng quan về máy bào giờng : 1.1.đặc đIểm công nghệ của máy bào giờng : + Máy bào. . 1.3.chọn công suât động cơ cho tryền động chính : +Đậc đỉểm chung của truyền động chính máy bào giờng là đào chiều với tần số lớn , mô men hãm và khơỉ động lớn . Quá trình quá độ chiếm thời