THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC cho máy bào giường

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU 4 CHƯƠNG 1 5 TỔNG QUAN KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ 5 I.TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5 1.1Giới thiệu công nghệ 5 1.2 Cấu tạo của máy 6 1.3 Các truyền động của bàn 7 1.4Phân tích đồ thị của tốc độ máy bào giường 8 1.5 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động máy bào giường 11 1.5.1. Truyền động chính 11 1.5.2. Truyền động ăn dao 12 1.5.3 Đặc tính cơ Error Bookmark not defined. 1.6. Phân tích và lựa chọn phương án truyền động 13 1.6.1. Khảo sát các phương án truyền động 13 1.6.2. Hệ điều chỉnh công suất trượt động cơ 14 1.6.3. Hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB 17 1.6.4. Chọn phương pháp điều khiển 18 CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC 20 2.1 :Yêu cầu bài toán 22 2.2 Lựa chọn kết nối vàora 22 2.3 Mạch điều khiển 23 2.4 Mạch động lực 23 2.5 Lập trình cho PLC 24 2.6 Mô phỏng 26 2.7 Đánh giá khả năng ứng dụng 26 CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ 27 3.1. Tính chọn thiết bị trong mạch động lực 27 3.1.1 Chọn động cơ truyền động 31 3.2 Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển 32 3.2.1 Tính chọn cầu chì 32 3.2.2 Tính chọn cầu dao 33 3.2.3 Công tắc tơ 34 3.2.4 Chọn aptomat 35 3.2.5 Chọn rơ le 36 3.2.6 Chọn biến dòng 36 3.2.7 Chọn nút ấn 36 3.2.8 Chọn tiết diện dây dẫn 37 CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 37

Ý KIẾN NHẬN XÉT

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

………

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU 4

CHƯƠNG 1 5

TỔNG QUAN KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ 5

I.TÌM HIỂU CÔNG NGHỆ 5

1.1Giới thiệu công nghệ 5

1.2 Cấu tạo của máy 6

1.3 Các truyền động của bàn 7

1.4Phân tích đồ thị của tốc độ máy bào giường 8

1.5 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động máy bào giường 11

1.5.1 Truyền động chính 11

1.5.2 Truyền động ăn dao 12

1.5.3 Đặc tính cơ Error! Bookmark not defined 1.6 Phân tích và lựa chọn phương án truyền động 13

1.6.1 Khảo sát các phương án truyền động 13

1.6.2 Hệ điều chỉnh công suất trượt động cơ 14

1.6.3 Hệ điều chỉnh tần số động cơ KĐB 17

1.6.4 Chọn phương pháp điều khiển 18

CHƯƠNG 2

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN, MẠCH LỰC 20

2.1 :Yêu cầu bài toán 22

2.2 Lựa chọn kết nối vào/ra 22

2.3 Mạch điều khiển 23

2.4 Mạch động lực 23

2.5 Lập trình cho PLC 24

2.6 Mô phỏng 26

2.7 Đánh giá khả năng ứng dụng 26

CHƯƠNG 3: TÍNH CHỌN THIẾT BỊ 27

3.1 Tính chọn thiết bị trong mạch động lực 27

3.1.1 Chọn động cơ truyền động 31

3.2 Tính chọn các thiết bị mạch điều khiển 32

3.2.1 Tính chọn cầu chì 32

3.2.2 Tính chọn cầu dao 33

3.2.3 Công tắc tơ 34

3.2.4 Chọn aptomat 35

3.2.5 Chọn rơ le 36

3.2.6 Chọn biến dòng 36

3.2.7 Chọn nút ấn 36

3.2.8 Chọn tiết diện dây dẫn 37

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ, KẾT LUẬN 37

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của đất nước Để thực hiện được mục tiêu đó Đảng vànhà nước ta đang tiến hành sự nghiệp “Công nghiệp Hóa-Hiện đại hóa” trênphạm vi cả nước Công cuộc “Công nghiệp Hóa-Hiện đại hóa” thực chất đó làmột cuộc cách mạng khoa họa và kỹ thuật nhằm từng bước cải thiện trang thiết

bị Điện và điều kiện làm việc cho người lao động Từng bước thay thế lao độngthủ công bằng những dây chuyền máy móc hiện đại, nhằm mục đích cưới cùng

là tạo ra nhiều sản phẩm có chất lượng cao cho xã hội Để nâng cao năng suấtlao động yêu cầu tự động hóa các hệ thống công nghiệp ngày càng trở nên cầnthiết Lĩnh vực tự động hóa thừa hưởng những thành tựu của Điều khiển học,Tin học, công nghệ vật liệu mới… đã phát triển rất nhanh trong thời gian quatạo ra những công nghệ, dây chuyền sản xuất tự động với năng suất cao, chấtlượng tốt Máy bào giường là một trong những dây chuyền sản xuất như vậy,năng suất của dây chuyền phụ thuộc rất nhiều vào việc điều khiển

Qua một thời gian học tập tại trường cùng với sự nỗ lực của bản thân cùngvới sự giúp đỡ của các bạn và sự chỉ bảo nhiệt tình của các thầy, cô em đã hoàn

thành đồ án này Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Đăng Khang người

trực tiếp hướng dẫn đồ án của nhóm em, em cũng xin cảm ơn các thầy, cô trong khoa Điện những người đã giảng dạy trên lớp và đưa ra những chỉ bảo quý báu

để giúp em hoàn thành đồ án này Tuy nhiên kinh nghiệm thực tế, khả năng bản thân còn nhiều hạn chế, các tài liệu tham khảo có hạn nên không thể tránh khỏi những sai sót trong quá trình thiết kế Em rất mong được sự chỉ bảo, góp ý các thầy, cô giáo để đồ án của chúng em được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn !

Hà Nội, ngày 23 tháng 4 năm 2016 Sinh viên thực hiện

Vũ Văn Dũng-Nguyễn Tuấn Dương

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN KHÁI QUÁT CHUNG VỀ CÔNG NGHỆ

1.1 Giới thiệu công nghệ

Máy bào giường được sử dụng rộng rãi trong các máy cơ khí, nó dùng để giacông các chi tiết bằng kim loại lớn như : bệ máy, thân máy, máy bào, máytiện

Máy cắt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loại bằng cách cắtbớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia công chi tiết có hình dáng gần đúng yêucầu (gia công thô) hoặc thoả mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xácnhất định về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia côngtinh)

Tuỳ thuộc vào quá trình công nghệ đặc trưng bởi phương pháp gia công,dạng dao, đặc tính chuyển động , các máy cắt được chia thành các máy cơ bản:tiện, phay, bào, khoan – doa, mài và các nhóm máy khác như gia công răng,ren, vít

Do yêu cầu của đề bài là thiết kế cho máy bào giường nên dưới đây là nhữnggiới thiệu sơ qua về đặc điểm công nghệ của máy:

Máy bào giường là máy có thể gia công các chi tiết lớn, chiều dài bàn có thể

từ 1,5 đến 12m Tuỳ thuộc vào chiều dài bàn máy và lực kéo có thể phân máybào giường thành ba loại :

- Máy cỡ nhỏ : chiều dài bàn Lb<3m , lực kéo Fk=3050 Kn,

- Máy cỡ trung bình : chiều dài Lb=45m , Fk=5070 kN,

- Máy cỡ nặng : chiều dài Lb >5m , Fk >70k

1.2 Cấu tạo của máy

Hình 1 1 Hình dáng bên ngoài của máy bào giường Các bộ phạn chủ yếu của máy gồm có :

*Đế máy (thân máy)

Được làm bằng gang đúc để đỡ bàn và trụ máy để có khối thế tạo vững chắccho máy Đế được xẻ rãnh hình chữ nhật và chữ V để cho bàn máy chuyển độngdọc theo đế máy

*Bàn máy

Được làm bằng gang đúc dùng để mang chi tiết gia công Trên bàn máy có 5rãnh chữ T để gá lắp chi tiết cần gia công Bàn máy được kéo tịnh tiến trên đếmáy nhờ lực kéo của động cơ truyền động

Chuyển động lên xuống theo hai trụ, xà được kẹp chặt khi gia công

*Các bàn dao máy

Gồm hai bàn dao đứng và hai bàn dao hông, trục bàn có giá đỡ dao Giá máy

có thể dịch chuyển một góc nào đó để gia công chi tiết, khoảng dịch chuyển lớnnhất của các con trượt là 300 mm, góc quay giá đỡ là 600

*Bộ phận truyền động

Gồm các máy điện xoay chiều, một chiều chuyển động quay và qua các hộptruyền động truyền chuyển động cho các bộ phận của máy

Tóm lại: Máy bào giường được cấu tạo hoàn chỉnh sẽ có kết cấu chắc chắn, gọn,đảm bảo tính kỹ thuật, kinh tế, thẩm mỹ

1.3 CÁC TRUYỀN ĐỘNG CỦA MÁY BÀO GIƯỜNG

1 Truyền động chính của bàn máy

Truyền động của bàn là truyền động chính của máy, là truyền động cơ bảncủa máy, đặc điểm của truyền động này là có tính chu kỳ lặp lại mỗi chu kỳ cóhai hành trình

+ Hành trình thuận : là hành trình gia công chi tiết, gồm nhiều giai đoạn,khởi động, ăn dao, vào chi tiết, cắt gọt ổn định, dao ra khỏi chi tiết gia công ứngvới các tốc độ khác nhau

+ Hành trình ngược : là quá trình máy chạy không tải để đưa bàn máy khỏichi tiết về vị trí ban đầu để chuẩn bị cho một chu kì mới Tốc độ hành trìnhthuận thường nhỏ hơn tốc độ hành trình ngược để nâng cao

năng suất của máy

Chi tiết gia công được kẹp chặt trên bàn máy chuyển động tịnh tiến qualại Dao cắt được kẹp chặt trên bàn dao đứng Bàn dao đươch kẹp chặt trên xàngang cố định khi gia công Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lạitheo các chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược Ởhành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành trình cắt gọt Ởhành trình ngược bàn máy chạy về vị trí ban đầu ,không cắt gọt, nên gọi là hànhtrình không tải Cứ sau khi kết thúc hành trình ngược thì bàn dao lại chuyển theochiều ngang một khoảng gọi là lượng ăn dao s (mm/hành trình kép) Chuyểnđộng 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 trong hành trình không tải

1.4 Phân tích đồ thị của tốc độ máy bào giường

+ Giai đoạn 4 : đảo chiều chuyển động bàn máy, bàn máy từ tốc độ thuận

V1 đảo chiều chuyển động và tăng tới tốc độ ngược V3 trong khoảng thời giant4

+ Giai đoạn 5 : giảm tốc độ ngược từ V3 về V1 trong khoảng thời gian t5

+ Giai đoạn 6 : giảm tốc từ V1 về 0, trở lại vị trí ban đầu,kết thúc một hành trìnhlàm việc

Qua việc phân chia các giai đoạn hoạt động ta có thể mô tả công nghệ củamáy bào giường như sau :

Sau khi ấn nút khởi động, máy bào giường sẽ chuyển động theo hànhtrình thuận với tốc độ nhỏ V1, giai đoạn này kéo dài từ A tới B Kết thúc giaiđoạn này cần phải tăng tốc cho bàn máy chuyển động theo hành trình thuận vớitốc độ cắt gọt V2>V1, giai đoạn này kéo dài từ B tới C Đến C sau khi đã cắt gọtchi tiết xong bàn máy giảm tốc từ V2 xuống V1 chuẩn bị cho quá trình đảochiều, giai đoạn này kéo dài từ C tới D Trong quá trình đảo chiều để tăng năngsuất, ta điều khiển cho bàn máy chạy với tốc độ V3 >V2 >V1 Bàn máy chuyểnđộng ngược cho tới khi gặp A thì bắt đầu giảm tốc từ V3 xuống V1, tiếp đó tốc

độ giảm về 0 và bắt đầu một chu kì làm việc mới Khi có tín hiệu dừng máy, bànmáy sẽ dừng ở đầu hành trình thuận hoặc đầu hành trình ngược

Qua mô tả công nghệ như trên ta có thể thực hiện các yêu cầu công nghệnhư trên theo nguyên tắc hành trình Ta đặt tại A,B,C,D, các cảm biến vị trí(thực chất là công tắc tơ hành trình) Các tín hiệu cảm biến nhận từ các công tắc

tơ được sử dụng để điều khiển cho phù hợp với công nghệ yêu cầu

Đồ thị tốc độ của bàn máy được vẽ trên hình 1 Trong thực tế còn cónhiều dạng đơn giản hoặc phức tạp hơn Giả thiết bàn máy đang ở đầu hànhtrình thuận và được tăng tốc độ đến tốc độ V0 =5 15 m/ph ( tốc độ vào dao)trong khoảng thời gian t1 Sau khi chạy ổn định với tốc độ V0 trong khoảng thờigian t2 thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt daohoặc chi tiết ) Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tốc độ V0 cho đến hết thờigian t3 thì lại tăng tốc độ đến Vth (tốc độ cắt gọt ) Trong thời gian t5 bàn máychuyển động với tốc độ Vth và thực hiện gia công chi tiết Gần hết hành trìnhthuận bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến V0, dao được ra khỏi chi tiết khi tốc độ củabàn là V0 Sau đó bàn máy đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc độ Vng> Vththực hiện hành trình không tải, đưa bàn máy về vị trí ban đầu (khi đó dao đãđược đưa ra khỏi chi tiết ) Gần hết hành trình ngược bàn máy đảo sang hànhtrình thuận thực hiện một chu kỳ khác Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời

điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc

di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết

trong đó :

L=Lth+Lg.ht +Lh.th = Lng+Lg.ng +Lh.ng- chiều dài hành trình của bàn máy

th

ng V

V

k  - tỉ số giữa tốc độ hành trình thuận và hành trình ngược

tđc - thời gian đảo chiều của máy

Từ (1- 4) ta thấy khi đã chọn tốc độ cắt Vth thì năng suất của máy phụthuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều tđc Khi tăng K thì năng suất của máytăng nhưng khi k >3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể vì lúc đó thờigian đảo chiều lại tăng Nếu chiều dài bàn L>3m thì tđc ít ảnh hưởng đến năngsuất mà chủ yếu là k Khi Lb bé nhất là khi tốc độ thuận lớn Vth=(75120)m/phthì tđc ảnh huởng nhiều đến năng suất Vì vậy khi thiết kế máy bào giường phảilàm giảm thời gian quá trình quá độ

Một trong những biện pháp đó là xác định tỉ số truyền tối ưu của cơ cấutruyền động của động cơ đến trục làm việc, đảm bảo máy khởi động với gia tốccao nhất

Ta có tỷ số truyền tối ưu: it.ư=

Jd

Jm M

Mc M

Mc



 ( )2Trong đó:

M : Momen của động cơ lúc khởi động,Nm

Mc :Momen cản trên trục làm việc,Nm

Jm ,Jd :Momen quán tính của máy và động cơ,kgm

Nếu coi Mc= 0 thì: itu=

Jd Jm

Việc lựa chọn tỷ số truyền tối ưu ở máy bào giường là khá quan trọng Thời gian quá trình quá độ phụ thuộc vào mômen quán tính của máy Mômenquán tính của máy tỷ lệ với chiều dài của máy

Tuy nhiên thời gian quá trình quá độ không thể giảm nhỏ quá được vì bịhạn chế bởi:

-Lực động phát sinh trong hệ thống

-Thời gian quá trình quá độ phải đủ lớn để di chuyển đầu dao

1.5 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động máy bào giường

1.5.1 Truyền động chính

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất và

V



Trong đó :

Vngmax - tốc độ lớn nhất của bàn máy trong hành trình ngược

Vthmin - tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình thuận

Chọn Vthmin = 5m/ph

5

70V

trong đó z là số cấp tốc độ của máy đối với yêu cầu của đề thì ta có   1 41

- Hệ thống truyền động là hệ truyền động có đảo chiều quay và làm việc ởchế độ ngắn hạn lặp lại

- Do máy bào giường chỉ có nhiệm vụ gia công thô bề mặt chi tiết ,khôngcần độ bóng, nhẵn nên độ chính xác yêu cầu không cao  % < 5% Thườngchọn  % = 2%

- Độ ổn định tốc độ: Tốc độ cần được ổn định trong trường hợp gia côngchi tiết, tức là khi dao cắt cắt vào chi tiết để tránh làm sứt mẻ chi tiết hoặc daocắt.

- Quá trình quá độ khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va chạm trong bộtruyền với tác động cực đại

1.5.2 Truyền động ăn dao

Truyền động ăn dao làm vệc có tính chất chu kì, trong mỗi hành trình képlàm việc một lần

Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao D = ( 100  200)/1 Lượng ăn dao cựcđại có thể đạt tới (80  100) mm/hành trình kép

Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt tới 1000 lần/giờ

Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo hai chiều cả ở chế độ dichuyển làm việc và di chuyển nhanh

Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống cơ khí, điện khí,thuỷ lực, khí nén Thông thường sử dụng rộng rãi hệ thống điện cơ : động cơđiện và hệ thống truyền động trục vít - ecu hoặc bánh răng - thanh răng

1.5.3 Đặc tính cơ

1.6 Phân tích và lựa chọn phương án truyền động

Chọn phương án truyền động là dựa trên các yêu cầu công nghệ và kết quảtính chọn công suất động cơ, từ đó tìm ra một phương án khả thi đáp ứng được

cả yêu cầu về đặc tính kỹ thuật và kinh tế với công nghệ đặt ra Lựa chọn

phương án truyền động tức là phải xác định được loại động cơ truyền động làmột chiều hay xoay chiều, phương pháp điều chỉnh tốc độ phù hợp với đặc tínhtải, sơ đồ nối bộ biến đổi đảm bảo yêu cầu truyền động Do đề bài yêu cầu sửdụng động cơ KĐB nên em chỉ phân tích các đặc tính kinh tế kỹ thuật của cácphương pháp điều chỉnh động cơ xoay chiều không đồng bộ ba pha.

1.6.1 Khảo sát các phương án truyền động

a Hệ điều chỉnh điện áp động cơ

+ Nguyên lý:

Theo lý thuyết máy điện, ta có quan hệ giữa mô-men và điện áp đặt vào Stato

động cơ như sau:

s X s

' R R

' R U 3 M

2 m n

2 2 1 1

2

2 1 f

Thực tế, hầu hết các động cơ KĐB có tốc độ trượt tới hạn (ứng với đặc tính

cơ tự nhiên) nhỏ, khi dùng điều chỉnh tốc độ sẽ bị hạn chế vì dải điều chỉnh hẹp.Ngoài ra, khi giảm áp, mô-men động cơ còn bị giảm nhanh theo bình phương

điện áp Vì lý do này mà phương pháp này ít được dùng cho động cơ KĐB rotolồng sóc mà thường kết hợp với việc điều chỉnh mạch roto đối với động cơ KĐBroto dây quấn nhằm mở rộng dải điều chỉnh.

1.6.2 Hệ điều chỉnh công suất trượt động cơ

+ Nguyên lý điều chỉnh:

Theo kết quả nghiên cứu máy điện không đồng bộ thì công suất điện lấy ra

từ mạch roto, được gọi là công suất trượt, tỷ lệ với độ trượt s Theo cách tính tổnthất khi điều chỉnh thì công suất này bằng:

s P s M M

Trong thực tế việc thay đổi Ps có nhiều cách, đơn giản nhất là sử dụngđiện trở phụ đưa và mạch roto làm tăng tổn thất Việc này đối với các hệ thốngtruyền động công suất nhỏ thì không có vấn đề gì, nhưng với hệ truyền độngcông suất lớn thì các tổn hao là đáng kể Vì vậy để tận dụng công suất trượtngười ta dùng các sơ đồ nối tầng nhằm đưa công suất trượt trở lại lưới hoặc biếnthành cơ năng hữu ích quay trục động cơ nào đó, khi đó ta có hệ truyền động nốicấp đồng bộ Dưới đây xin giới thiệu một sơ đồ nguyên lý của một hệ nối cấp:

o o o

D 1 D 3 D 5

D 2

D 6

D 4

L

T 1 T 3

T 6 T 2

T 5

T 4

ÑK B

U 2

B A

C L

N L

độ cứng và mô men tới hạn của đặc tính tự nhiên

truyền động có mô-men tải không đổi (x=0) Thực tế, việc thay đổi điện trởroto dùng cấp điện trở ngày nay ít dùng, vì vừa có hiệu suất thấp, độ trơn điềuchỉnh kém, đặc tính điều chỉnh lại dốc Vì thế điều chỉnh xung điện trở rotodùng van bán dẫn với các mạch vòng điều chỉnh sẽ tạo được đặc tính điều chỉnhcứng và đủ rộng; mặt khác lại dễ tự động hoá việc điều chỉnh

Nguyên lý cơ bản của bộ điều chỉnh xung điện trở roto như sau:

Hình 1 3 Sơ đồ nguyên lý, hoạt động và các đặc tính điều chỉnh bằng

phương pháp xung điện trở

Hoạt động đóng cắt của khoá bán dẫn S tương tự như mạch điều chỉnhxung áp một chiều:

+ Khi S đóng: R0 bị loại ra khỏi mạch phần ứng, dòng roto tăng lên + Khi S ngắt: R0 được đưa vào mạch, dòng roto lại giảm

Với tần số đóng cắt nhất định, nhờ điện cảm L mà dòng roto coi như khôngđổi và ta có một giá trị điện trở tương đương Rtd trong mạch

0 0

T

t R t

t

t R R

ck

d ng

R.R

Như vậy, điều chỉnh chu kỳ đóng ngắt của S ta thay đổi được  và từ đóthay đổi được Rf Cho =0  1, ta dựng được họ các đặc tính cơ tương ứng quétgần như mặt phẳng giới hạn bởi đặc tính tự nhiên và đặc tính cơ có điện trở phụ

+ Từ đặc tính cơ ta thấy khi tần số tăng ( f > fđm), thì mô men tới hạn lại giảm

(với điện áp giữ không đổi), cụ thể là: 2