NGHIÊN cứu và KHẢO sát hệ TRUYỀN ĐỘNG t đ ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA điện – điện tử TRƯỜNG đại học KTCN để điều KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG bàn máy GIA CÔNG TIA lửa điện CNC

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯƠNG THỊ NGUYỆT NGA NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG T- Đ Ở PHỊNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển tự động hố MÃ SỐ: 60520216 TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Thái Ngun, 2014 Cơng trình hồn thành tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP – ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Vỵ Phản biện 2: TS Trần Xuân Minh Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN Vào hồi 08 15, ngày 19 tháng năm 2014 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên - Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp MỞ ĐẦU Mục tiêu luận văn Hiện nhà máy, xí nghiệp cơng nghiệp sử dụng nhiều máy CNC có máy gia cơng tia lửa điện CNC Trên sở nghiên cứu máy gia công tia lửa điện CNC có điều khiển chuyển động bàn máy để từ đề xuất lựa chọn phương án tính tốn khảo sát hệ truyền động cho thích hợp Ngồi ra, bên cạnh nghiên cứu lý thuyết mục tiêu luận văn kết hợp với thực nghiệm hệ truyền động có phịng thí nghiệm nhà trường Với cách đặt vấn đề sau nghiên cứu yêu cầu chuyển động bàn máy gia cơng tia lửa điện CNC tìm hiểu hệ truyền động T- Đ phịng thí nghiệm, hệ truyền động ứng dụng để truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC Mục tiêu nghiên cứu - Tìm hiểu tổng quan máy gia cơng tia lửa điện CNC khảo sát kỹ hệ truyền động bàn để từ chọn phương án truyền động thích hợp phương án truyền động chọn phải kết hợp phương án truyền động có phịng thí nghiệm mà luận văn chọn hệ truyền động T-Đ - Khảo sát tổng hợp hệ truyền động T-Đ từ đề xuất ứng dụng cho truyền động bàn - Thí nghiệm thành cơng hệ T-Đ, đánh gía chất lượng từ so sánh với khảo sát lý thuyết để đề suất ứng dụng bàn máy gia công tia lửa điện CNC - Ứng dụng hệ T-Đ sau tính tốn lý thuyết kiểm nghiệm phịng thí nghiệm để điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện CNC kết khảo sát, tính tốn mơ để khẳng định chất lượng chuyển động hệ Nội dung luận văn Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm chương : Chương 1: Tổng quan máy gia công tia lửa điện CNC Chương 2: Khảo sát kiểm nghiệm hệ truyền động Thyristor - Động phịng thí nghiệm Điện – Điện tử trường Đại học KTCN Thái Nguyên Chương 3: Khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí cho bàn máy gia cơng tia lửa điện CNC Kết luận kiến nghị CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Một số máy CNC thường dùng công nghiệp Cùng với phát triển khơng ngừng máy tính, hệ thống điều khiển số ứng dụng nhiều lĩnh vực khác có máy cơng cụ máy phay CNC, máy tiện CNC, máy doa CNC, máy gia công tia lửa điện CNC… 1.2 Công dụng đặc điểm công nghệ máy gia công tia lửa điện CNC Trong nửa kỷ qua, nhu cầu vật liệu cứng, lâu mòn siêu cứng sử dụng cho tua bin máy điện, động máy bay, dụng cụ ,khuôn mẫu …tăng lên không ngừng nước công nghiệp phát triển Việc gia cơng vật liệu công nghệ cắt gọt thông thường (tiện, phay, mài…) vơ khó, đơi khơng thể thực Năm 1943, thông qua hàng loạt nghiên cứu tuổi bền thiết bị đóng điện, hai vợ chồng Lazarenko người Nga tìm cánh cửa dẫn tới công nghệ gia công tia lửa điện Họ bắt đầu sử dụng tia lửa điện để làm qúa trình hớt kim loại mà khơng phụ thuộc vào độ cứng vật liệu Khi tia lửa điện phóng ra, vật liệu mặt phơi hớt q trình nhiệt – điện thơng qua nóng chảy bốc kim loại, thay cho tác dụng học dụng cụ vào phôi Quá trình hớt kim loại nhiệt- điện phóng điện gọi “gia cơng tia lửa điện” * Đặc điểm gia công tia lửa điện Ba đặc điểm lớn công nghệ là: - Điện cực (đóng vai trị dụng cụ) lại có độ cứng thấp nhiều lần so với độ cứng phôi Nói nơm na lấy mềm để cắt cứng Điện cực đồng, graphit cịn phơi thép hợp kim cứng - Vật liệu dụng cụ phôi phải dẫn điện - Khi gia cơng phải sử dụng chất lỏng điện mơi, dung dịch không dẫn điện điều kiện bình thường Nguyên lý hớt vật liệu bắt buộc phải theo là: Vật liệu phải dẫn điện, 2.Sơ đồ máy xung định hình 1.2 Sơ đồ máy xung định hình Máy xung định hình có ba phần sau: - Phần khí - Hệ thống điện-điện tử - Cụm dung dịch điện mơi Phần khí bao gồm: + Khung máy tổng hợp + Thùng chất điện môi cho phôi + Bàn kép phôi + Hệ thống lắp điện cực điện cực + Các bàn trượt bàn quay để tạo chuyển động cần thiết - Hệ thống điện, điện tử bao gồm: + Máy phát xung Các máy gia công tia lửa điện cắt dây, ngun tắc có ba phần Tuy nhiên phần khí có số cấu khác biệt so với máy xung định hình, để phù hợp với việc bố trí điều khiển điện cực dây 1.3 Các máy gia công tia lửa điện hệ với động tuyến tính Trong năm đầu kỷ 21, hệ với máy gia công tia lửa điện bắt đầu xuất thị trường máy công cụ giới Đó máy gia cơng EDM có gắn động tuyến tính cho bàn trượt đầu điện cực 1.4 Các yêu cầu truyền động bàn máy CNC 1.4.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động ăn dao tỉ số lượng ăn dao lớn Smax lượng ăn dao nhỏ Smin Ds = Smax Smin Với loại máy lại có dải điều chỉnh tốc độ khác phù hợp với điều kiện phụ tải, nói chung Ds lớn khả chọn vùng tối ưu làm việc thuận lợi 1.4.2 Độ trơn điều chỉnh tốc độ Độ trơn điều chỉnh tốc độ tỉ số hai giá trị kề tốc độ: φ= ωi+1 ωi Trong ωi ωi+1 tốc độ thứ cấp i i+1 Thực tế  nhỏ tốt ta dễ dàng chọn điểm làm việc tối ưu theo yêu cầu công nghệ Do mong muốn  1 Khi hệ truyền động ăn dao coi điều chỉnh trơn hay điều chỉnh vô cấp Các giá trị chuẩn độ trơn điều chỉnh sử dụng truyền động máy CNC là: 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 1,58; 1,78; Nhưng thường sử dụng giá trị: 1,26; 1,41; 1,58 1.4.3 Độ ổn định tốc độ Đó khả giữ tốc độ ổn định phụ tải thay đổi dánh giá tỉ số sau: Δω%= ω0 -ωdm 100% ω0 Trong đó: 0 : tốc độ khơng tải lý tưởng đm: tốc độ định mức %: độ sụt tốc độ tương đối Thực tế % nhỏ độ ổn định tốc độ cao Với truyền động ăn dao yêu cầu %  5 15% 1.4.4 Đặc tính phụ tải Với truyền động ăn dao, nói chung momen không đổi điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên vùng tốc độ thấp lượng ăn dao nhỏ, lực cắt bị hạn chế chiều sâu cắt tới hạn Trong vùng tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao momen ăn dao giảm theo, giữ lực ăn dăn dao Fad lớn cũ cơng suất truyền động lớn Do cho phép giảm nhỏ lực ăn dao vùng này, momen truyền động ăn dao giảm theo Pc,Mc M P Vgh Vc Hình 1-9 Đồ thi đặc tính phụ tải máy cắt kim loại CNC Một hệ thống truyền động điện có đặc tính điều chỉnh tốt đặc tính trùng với đặc tính máy sản xuất Khi động sử dụng cách hợp lý nhất, tức làm việc đầy tải tốc độ Nhờ hệ thống đạt tiêu chất lượng cao 1.4.5 Độ xác vị trí Đặc biệt với máy có yêu cầu cao độ xác dừng máy máy khoan CNC, doa CNC, phay CNC… phận làm việc bàn dao, bàn máy phải dừng vị trí yêu cầu để đảm bảo chất lượng gia công suất Ở thang máy, máy nâng hạ yêu cầu buồng máy phải dừng sàn tầng mặt lấy tải, tháo tải Độ xác dừng ảnh hưởng tới suất, chất lượng cơng việc mà cịn ảnh hưởng tới an toàn cho người máy Một hệ thống điều khiển giúp xác định xác vị trí dừng máy hệ thống điều khiển vị trí Để tìm hiểu kỹ ta xét chương Để đáp ứng yêu cầu đặt ra, máy công cụ CNC thường dùng hệ thống truyền động cho bàn máy trình bày 1.4.2 Các hệ truyền động bàn máy công cụ gia công tia lửa điện CNC - Hệ truyền động thuỷ lực - Hệ truyền động dùng động bước - Hệ truyền động dùng động tuyến tính - Hệ truyền động Thyristor- Động - Hệ truyền động dùng động servo chiều (DC servo motor) - Hệ truyền động dùng động AC servo ( AC servo motor) - Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp- động chiều (XA-Đ) 1.4.3 Các phương pháp điều khiển ổn định vị trí bàn máy Để chuyển động bàn máy, hệ điều khiển CNC cần có hệ dẫn động mà có khả điều khiển tốc độ vị trí trục máy cơng cụ Điều khiển trục máy CNC thực theo hai điều khiển: điều khiển kiểu vịng hở điều khiển kiểu vịng kín 1.4.3.1.Hệ điều khiển hở Hệ điều khiển hở hệ điều khiển khơng có mạch phản hồi kết hoạt động hệ thống điều khiển khơng kiểm sốt Hệ điều khiển hở máy CNC thường dùng động bước để chuyển động bàn máy 1.4.3.2 Hệ điều khiển kín 10 Qua phân tích hệ thống truyền động ta thấy hệ truyền động động tuyến tính, hệ T- Đ, hệ xung áp động điện chiều hệ truyền động biến tần động điện xoay chiều Các hệ thống ứng dụng để truyền động cho bàn máy gia công tia lửa điện Nhưng với yêu cầu đề tài nghiên cứu ứng dụng hệ T- Đ phịng thí nghiệm nhà trường để truyền động cho bàn máy Mặt khác hệ truyền động thí nghiệm thành cơng Vì vậy, tơi chọn hệ T-Đ để truyền động cho bàn máy gia công tia lửa điện 11 CHƯƠNG KHẢO SÁT VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG T- Đ Ở PHỊNG THÍ NGHIỆM ĐIỆN- ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2.1 Giới thiệu hệ truyền động T- Đ Sơ đồ nguyên lý Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý module chỉnh lưu cầu pha 12 Bố trí thiết bị module Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thiết bị modul chỉnh lưu cầu pha 13 2.2 Nguyên lý làm việc sơ đồ mạch điện Nguyên lý làm việc hệ thống tự động ổn định dòng điện ổn định tốc độ: Để ổn định dòng điện động làm việc vùng q tải mạch phản hồi âm dịng điện tác động để hạn chế tải Để ổn định tốc độ nhờ mạch phản hồi âm tốc độ Với sơ đồ nguyên lý hệ truyền động T- Đ phịng thí nghiệm ta có sơ đồ khối sau: T M U U Tom tat luan R NGA.rar van BI ~ M βI - MT X CR M LD1 - R LD1 - + LD3 MT LD2 X - -1 D C CR M LD2 F Hình 2-9 Sơ đồ sơ khối hệ truyền động T- Đ 2.3 Thực nghiệm Để đo kiểm nghiệm dùng máy sóng tia đo được: * Điện áp đồng hố mạch tạo xung 14 Hình 2-10 Điện áp khâu đồng hóa * Điện áp cưa kênh tạo xung Hình 2-11 Điện áp đầu khâu phát sóng cưa * Điện áp khâu sửa xung gửi xung Hình 2-12 Điện áp khâu sửa xung gửi xung 15 Thí nghiệm Q trình thí nghiệm tiến hành sau: - Thí nghiệm với hệ thống có tải khơng tải - Thí nghiệm với điều chỉnh tốc độ khâu P PI - Thí nghiệm đảo chiều *Thí nghiệm 1: Khi động quay theo chiều thuận với điều khiển P Hình 2-13 Động quay theo chiều thuận với điều khiển P *Thí nghiệm 2: Khi động quay theo chiều thuận với điều khiển PI Hình 2-14 Động quay theo chiều thuận với điều khiển PI *Thí nghiệm 3:Động quay theo chiều ngược với điều khiển P 16 Hình 2-15 Động quay theo chiều ngược với điều khiển P *Thí nghiệm 4: Động quay theo chiều ngược với điều khiển PI Hình 2-16 Động quay theo chiều ngược với điều khiển PI Kết luận Qua thí nghiệm với điều khiển P PI chế độ làm việc thuận đảo chiều chất lượng đầu hệ truyền động xác định thông số sau: -Bộ điều khiển P: + Thời gian độ: 3s + Sai lệch tĩnh: 3% + Độ điều chỉnh: -Bộ điều khiển PI: 17 + Thời gian độ: 3s + Sai lệch tĩnh: 5% + Độ điều chỉnh: Với kết cho thấy hệ truyền động T- Đ phịng thí nghiệm khoa Điện- Điện tử Trường ĐH KTCN đảm bảo chất lượng để ứng dụng hệ thống truyền động T-Đ phịng thí nghiệm cho chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện CNC 18 CHƯƠNG 3: KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ CHO BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC Trên sở khảo sát kiểm nghiệm hệ truyền động T-Đ Xây sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính hình vẽ: Bàn máy U * φ Uđk Rφ (-) Cảm biến vị trí Hệ truyền động điện ổn định tốc độ T-Đ Phản hồi vị trí Hình 3-3 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính Để ổn định bàn máy sản xuất phải xây dựng hệ truyền động điện ổn định tốc độ từ ta tạo mạch vịng vị trí R với mạch vịng vị trí tính tốn R thích hợp hệ điều khiển ổn định vị trí ổn định - Hệ truyền động điện ổn định tốc độ động T-Đ có sơ đồ khối hình 2-9 Hàm số truyền hệ ổn định tốc độ động ω(p) = U ω (p) × 1+4Tsω p Kω - Từ sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính thay hệ truyền động ổn định tốc độ động vào sơ đồ hình 3-3 ta có sơ đồ cấu trúc mạch vịng vị trí hình vẽ: 19 Ud(p) - ω(p) 1 = × Uω (p) 1+4Tsωp Kω R(p) (-) φ(p) R(p) Kr p Kφ + p Tφ Hình 3-6 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vịng vị trí Q trình tổng hợp hệ truyền động ta có hàm truyền điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : R φ (p)= Kφ K r K φ 2.Tφ (1+4Tsω p) RT(p) khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD) Sau tổng hợp điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển vị trí động điện chiều hình vẽ 3-7 Hình 3-7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí 20 3.3 Mơ hệ thống truyền động bàn matlab, Simulink 3.3.1 Tính tốn thơng số hệ điều chỉnh vị trí động chiều kích từ độc lập (Thực phần phụ lục 3) 3.3.2 Xây dựng sơ đồ mô matlab, Simulink Thay thơng số tính vào sơ đồ hình 3-7 dùng simulink ta có sơ đồ mơ hệ điều khiển hình 3-8 Hình 3.8 Sơ đồ mơ hệ điều khiển điều khiển PID Kết mô : Hình 3-9 Các tín hịệu vị trí đầu tương ứng với giá trị khác vị trí đặt đầu vào φ đặt = 10 (V) 21 Từ kết mô ta thấy chất lượng hệ truyền động có thơng số sau: - Thời gian độ bàn máy: 11s - Độ điều chỉnh bàn máy: 5% - Sai lệch tĩnh bàn máy: Nhận xét đánh giá: 1.So sánh với hệ truyền động T- Đ thí nghiệm với hệ truyền động T- Đ tính tốn: Để so sánh, đánh giá hệ truyền động T- Đ thí nghiệm với tính tốn mơ lấy từ thơng số hệ truyền động T- Đ kết thể bảng sau: Hệ truyền STT Thông số động động T- Đ thí nghiệm Hệ truyền động T- Đ tính tốn Thời gian độ (s) 11 Độ điều chỉnh(%) Sai lệch tĩnh (%) Kết thí nghiệm tính tốn cụ thể với tiêu thể bảng tương ứng cho thấy phương pháp tính tốn từ kết ta nhận thấy hệ truyền động T- Đ phịng thí nghiệm ứng dụng để truyền động cho bàn máy gia công tia lửa điện CNC Nhận xét đánh giá chuyển động bàn máy: - Thời gian độ bàn máy: 11s - Độ điều chỉnh bàn máy: 5% - Sai lệch tĩnh bàn máy: 22 Với kết hệ truyền động thoả mãn yêu cầu truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC Song tính tốn ta chọn khâu Rφ khâu tuyến tính thực tế khâu khâu phi tuyến nên thời gian độ 11s Để khắc phục tính phi tuyến của điều khiển PID điều khiển mờ lai, mờ thích nghi, mờ trượt….để nâng cao chất lượng hệ thống Một số cơng trình ứng dụng điều khiển phi tuyến cho kết tốt Vì nội dung luậnvawn có nhiều vấn đề phức tạp cần giải phần thí nghiệm thực chiếm nhiều thời gian Vì phần kiến nghị luận án đề cập đến vấn đề phần 23 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Với đề tài nghiên cứu khảo sát hệ truyền động T- Đ phịng thí nghiệm khoa Điện – Điện tử Trường Đại Học kỹ thuật Công Nghiệp để điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện CNC Bản luận văn tập trung giải cho kết sau: Đã tìm hiểu, nghiên cứu yêu cầu chuyển động chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện CNC từ dó giúp cho việc nghiên cứu hệ truyền động T- Đ phịng thí nghiệm ứng dụng điều khiển chuyển động bàn máy Đã nghiên cứu ứng dụng thành công hệ truyền động T- Đ với chế độ làm việc khác Đã tính tốn hệ truyền động T- Đ theo lý thuyết dựa thơng số thiết bị phịng thí nghiệm Kết cho thấy tiêu chất lượng hệ phù hợp với thí nghiệm Kết cho thấy phương pháp nghiên cứu đắn Nội dung luận án kết hợp chặt chẽ lý thuyết thực nghiệm Điều cho thấy khả tính thực tế luận văn cao Tuy luận án cịn số thiếu xót tính tốn, trình bày đặc biệt khâu điều khiển vị trí phi tuyến chưa giải cụ thể Kiến nghị: - Nghiên cứu khâu điều khiển vị trí khâu phi tuyến - Tiếp tục nghiên cứu đề tài để ứng dụng vào thực tế 24 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Trần Thọ, Võ Quang Lạp (2004), Cơ sở điều khiển tự động truyền động điện , NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Phạm Quốc Hải, Dương Văn Nghi (2006), Điều chỉnh tự động truyền động điện, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3].Vũ Hồi Ân (2007), Gia cơng tia lửa điện CNC, NXB khoa học kỹ thuật [4] Nguyễn Phùng Quang (2006), Matlab/Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [5] Nguyễn Trọng Thuần (2002), Điều khiển logic ứng dụng, NXB Khoa học Kỹ thuật, Hà Nội [6] Trương Hữu Trí, Võ Thị Ry (2007), Cơ điện tử thành phần bản, NXB khoa học kỹ thuật [7] Bùi Quý Lực (2005), Hệ thống điều khiển số công nghiệp, NXB khoa học kỹ thuật [8] Trịnh đình Đề (1983), Phân tích tổng hợp hệ thống điều khiển truyền động điện, NXB khoa học kỹ thuật, Hà Nội [9] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Lý thuyết điều khiển mờ, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội ... LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ K? ?t luận Với đ? ?? t? ?i nghiên cứu khảo s? ?t hệ truyền đ? ??ng T- Đ phịng thí nghiệm khoa Điện – Điện t? ?? Trường Đ? ??i Học kỹ thu? ?t Công Nghiệp đ? ?? điều khiển chuyển đ? ??ng bàn máy gia công tia. .. hệ truyền đ? ??ng T- Đ thí nghiệm với hệ truyền đ? ??ng T- Đ t? ?nh t? ??n: Đ? ?? so sánh, đ? ?nh giá hệ truyền đ? ??ng T- Đ thí nghiệm với t? ?nh t? ??n mơ lấy t? ?? thơng số hệ truyền đ? ??ng T- Đ k? ?t thể bảng sau: Hệ truyền. .. nghiệm, hệ truyền đ? ??ng ứng dụng đ? ?? truyền đ? ??ng bàn máy gia công tia lửa điện CNC Mục tiêu nghiên cứu - T? ?m hiểu t? ??ng quan máy gia công tia lửa điện CNC khảo s? ?t kỹ hệ truyền đ? ??ng bàn đ? ?? t? ?? chọn