Thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ cho truyền động bàn của máy bào giường

Nguyên lý làm việc Đồ thị tốc độ của bàn máy đợc trình bày ở hình vẽ trang bên: Giả sử ban đầu bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và đợc tăng tốc đến tốc độ V1 tôc độ vào dao cỡ 5 ữ 15

I Nhiệm vụ:

Thiết kế hệ thống điều khiển công nghệ cho truyền động bàn của máy bào giờng cho ở hình dới đây:

II Nhiệm vụ:

1.Thiết kế sơ đồ nguyên lý

2.Tính chọn thiết bị điều khiển với công suất truyền động P = 50KW 3.Thiết kế sơ đồ lắp ráp

III Thuyết minh và bản vẽ

1 Quyển thuyết minh

2 Bản vẽ kỹ thuật khổ A0

Họ tên sinh viên Phơng pháp thiết kế Phơng án mạch lực và

mạch điều khiển

Ma trận trạng thái Động cơ điện xoay

chiều roto dây quấn

Chơng 1 :

Giới thiệu về máy bào giờng

1 Giới thiệu chung

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

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

0

V

m

t

V1

V2

V3

t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10t11t12t13t14

V3

V1

t

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

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

- Máy cỡ nặng : Lb > 5m, Fk > 70 kN

Máy bào giờng có một bàn máy có thể chuyển động tịnh tiến qua lại Vật gia công đợc kẹp chặt trên đó Dao cắt đợc kẹp chặt trên bàn dao đứng vuông góc với bàn máy Bàn dao đợc đặt trên xà ngang cố định khi gia công Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo các chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngợc ở hành trình thuận, máy thực hiện gia công chi tiết nên gọi là hành trình cắt gọt ở hành trình ngợc, bàn máy chạy

về vị trí ban đầu, không cắt gọt gọi là hành trình không tải Cứ sau khi kết thúc một hành trình ngợc thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang 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 mỗi hành trình kép gọi là chuyển động ăn dao Chuyển động phụ là chuyển động nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải

2 Nguyên lý làm việc

Đồ thị tốc độ của bàn máy đợc trình bày ở hình vẽ trang bên:

Giả sử ban đầu bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và đợc tăng tốc đến tốc độ V1 (tôc độ vào dao cỡ 5 ữ 15 m/ph) trong khoảng thời gian t1 Sau khi chạy ổn định với tốc độ V1 trong khoảng thời gian t2 thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt dao hoặc chi tiết) Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tốc độ V1 cho tới hết thời gian t3 thì lại tăng tốc lên tốc độ V2 (tốc độ cắt gọt) Trong khoảng thời gian t5 bàn máy chuyển động với tốc độ V2

và thức hiện gia công chi tiết Gần hết hành trình thuận, bàn máy giảm tốc độ về V1, dao đợc ra khỏi chi tiết khi tốc độ của bàn là V1 sau đó bàn đổi chiều sang hành trình ngợc đến tốc độ V3, thực hiện hành trình không tải đa bàn máy về vị

tí ban đầu Từ vận tốc V1 thực hiện đảo chiều sang hành trình thuận, thực hiện một chu kỳ khác Bàn dao đợc di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy

đảo chiều từ hành trình ngợc sang hành trình thuận và kết thúc chuyển

tr-ớc khi dao cắt vào chi tiết

Tốc độ hành trình thuận đợc xác định tơng ứng bởi chế độ cắt Thờng V2

= 5 ữ 120 m/ph, tốc độ gia công lớn nhất có thể đạt Vmax = (75 ữ 120) m/ph Để tăng năng suất của máy, tốc độ hành trình ngợc thờng chọn lớn hơn hành trình thuận, V3 = k.V2 (k = 2 ữ 3)

Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian:

n th

CK t t T

n

+

=

trong đó :

TCK là thời gian của một chu kỳ làm việc của bàn máy, [s]

tth là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận, [s]

tn là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngợc, [s]

Nh vậy ta thấy khi đã chọn tốc độ cắt của máy thì năng suất của máy phụ thuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều tđc Khi tăng k thì năng suất tăng nhng khi k > 3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể vì lúc đó thời gian đảo chiều tăng Nếu chiều dài bàn Lb > 3m thì tđc ít ảnh hởng nhiều đến năng suất,

đại lợng ảnh hởng chủ yếu là k Khi Lb bé, nhất là khi tốc độ thuận lớn thì tđc

ảnh hởng nhiều đến năng suất Vì vậy để tăng năng suất của máy thì phải giảm thời gian quá độ

Một trong các biện pháp là xác định tỉ số truyền tối u của cơ cấu truyền

động từ động cơ đến trục làm việc đảm bảo máy khởi động với gia tốc nhanh nhất

Tỉ số truyền đợc xác định băng công thức sau:

D

m u

t

J

J

i. =

với :

Jm – mô men quán tính cảu máy, kgm

JD – mô men quán tính của động cơ, kgm

It – tỉ số truyền tối u

Việc lựa chọn tỷ số truyền tối u ở máy bào giờng là khá quan trọng Thời gian quá trình quá độ phụ thuộc vào mô men quán tính của máy Mô men quán tính của máy tỉ lệ với chiều dài bàn máy

Tuy nhiên thời gian quá trình quá độ cũng không thể giảm quá nhỏ đợc

và bị hạn chế bởi:

- Lực phát động sinh trong hệ thống

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

3 Các yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện máy bào giờng

Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngợc) và tốc độ nhỏ nhất của bàn máy (tốc độ nhỏ nhất trong hành trình ngợc)

Tck

min

max

min

max

th

ng

V

V V

V

Trong đó:

Vng.max – tốc độ lớn nhất của bàn máy trong hành trình ngợc, thờng Vng.max = 75 ữ 120 m/ph

Vth.min – tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình ngợc, thờng Vth.min

= 4 ữ 6 m/ph

Nh vậy D = (12,5 ữ 30)/1

ở chế độ xác lập, độ ổn định tốc độ không lớn hơn 5% khi phụ tải thay

đổi từ không đến định mức

Quá trình quá độ khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va đập trong

bộ truyền với độ tác động cực đại

Chơng II

Thiết kế sơ đồ nguyên lý diều khiển

I Lựa chọn biến các biến đầu vào và biến đầu ra cho công nghệ

Ta lựa chọn các biến vào: a, b, c, d, e

Lựa chọn các biến ra: T, N, V1, V2, V3

Trong đó:

T: Biến ra cho phép động cơ chạy theo chiều thuận

N: Biến ra cho phép động cơ chạy theo chiều nghịch

V1: Biến ra cho phép động cơ làm việc theo tốc độ V1

V2: Biến ra cho phép động cơ làm việc theo tốc độ V2

V3: Biến ra cho phép động cơ làm việc theo tốc độ V3

a: biến vào là cảm biến vị trí cuối hành trình nghịch xác định cho quá trình chạy thuận với vận tốc V1

d: biến vào là cảm biến vị trí cuối hành trình thuận xác định cho quá trình chạy nghịch với vận tốc V3

T

N n

a

0

V

m

t

V1

V2

V3

t 1

t 2

t3 t4

b, c, e,: Là các biến vào xác định thời điểm chuyển trạng thái thay đổi vận tốc

Nh vậy, theo yêu cầu bài toán đa ra, ta chọn đợc 5 biến đầu vào là a, b, c,

d, e, và 5 biến đầu ra là T, N, V1, V2, V3 Nếu tổng hợp theo phơng pháp ma trận trạng thái bằng cách thành lập một ma trận thì khối lợng tính toán là quá lớn Vì vậy, để đơn giản hơn ta tách thành 2 vùng điều khiển tổng hợp riêng là:

vùng 1: Tổng hợp theo phơng pháp ma trận trạng thái với 4 biến vào a, b, c, d cho quá trình thuận tơng ứng với 4 biến ra là T, V1, V2 và N Hai biến a và d là 2 công tắc hành trình xác định vị trí đầu và cuối của hành trình Hai biến thời gian là b và c thay đổi trạng thái tốc độ của động cơ trong hành trình thuận Điểm

gốc xác định các biến thời gian này đợc xác lập bằng công tắc hành trình thuận a và sẽ đợc xoá bởi công tắc hành trình d

Vùng 2: Tổng hợp theo phơng pháp ma trận trạng thái với 3 biến vào d,

e, a cho quá trình nghịch tơng ứng với 4 biến ra là N, V3, , V1 và T Tơng tự trên biến thời gian là e thay đổi trạng thái tốc độ của động cơ trong hành trình nghịch Điểm gốc xác định các biến thời gian này đợc xác lập bằng công tắc hành trình nghịch d và sẽ đợc xoá bởi công tắc hành trình thuận a

II Thành lập hàm điều khiển cho vùng điều khiển thuận

1 Graph trạng thái cho vùng 1:

2 Ma trận trạng thái M1 tơng ứng:

Tt

0000

d

0001 0011

c

0010 0110

d

0111 0101

b

0100 1100

d

1101 1111

c

1110 1010

d

1011 1001

a 1000

T V1 V2 N

3

3 Ma trận chuyển dịch trạng thái M2:

0000

d

0001 0011

c

0010 0110

d

0111 0101

b

0100 1100

d

1101 1111

c

1110 1010

d

1011 1001

a 1000

4 Số biến trung gian :

2 Smin≥ N Với N là số hàng của ma trận M2

N=1 ⇒ Smin = 0

Nh vậy ta không cần sử dụng biến trung gian

5 Lập các ma trận các nô cho biến đầu ra

Dựa vào ma trận M2 và trạng thái của các biến đầu ra ta lập đợc:

* Ma trận các nô cho biến đầu ra T

0000

d

0001 0011

c

0010 0110

d

0111 0101

b

0100 1100

d

1101 1111

c

1110 1010

d

1011 1001

a 1000

*Ma trận các nô cho biến đầu ra V1

0000

d

0001 0011

c

0010 0110

d

0111 0101

b

0100 1100

d

1101 1111

c

1110 1010

d

1011 1001

a 1000

*Ma trận các nô cho biến đầu ra V2

0000

d

0001 0011

c

0010 0110

d

0111 0101

b

0100 1100

d

1101 1111

c

1110 1010

d

1011 1001

a 1000

*Ma trận các nô cho biến đầu ra N

0000

d

0001 0011

c

0010 0110

d

0111 0101

b

0100 1100

d

1101 1111

c

1110 1010

d

1011 1001

a 1000

0 1 * 0 * * 0 * * * * 0

6 Các hàm điều khiển của các biến đầu ra:

Thực hiện dán cacnô các ma trận các nô của các biến đầu ra ta thu đợc: f(T) = d

f(V1) = c + b.c.d

f(V2) = b.c

f(N) = d

III Thành lập hàm điều khiển cho vùng điều khiển nghịch.

1 Grapgh trạng thái cho vùng 2:

Quá trình thuận

Quá trình nghịch

2 Ma trận trạng thái cho vùng 2:

tt

000

a

001 011 010

110

a

111 101

e 100

6

8

9 9 0 0 0 1

3 Ma trận trạng thái M2:

000 001 011 010 110 111 101 100

4 Số biến trung gian :

2 Smin≥ N Với N là số hàng của ma trận M2

N=1 ⇒ Smin = 0

Nh vậy ta không cần sử dụng biến trung gian

5 Lập các ma trận các nô cho biến đầu ra

Dựa vào ma trận M2 và trạng thái của các biến đầu ra ta lập đợc:

* Ma trận các nô cho biến đầu ra N

000

001 011

010 110 111 101 100

* Ma trận các nô cho biến đầu ra V3

000 001 011 010 110

111 101 100

* Ma trận các nô cho biến đầu ra V1

000

001 011 010 110

111

101 100

0 0 * * 1 * 0

* Ma trận các nô cho biến đầu ra T

000

a

001 011

f

010 010

a

111 101

e 100

6 Các hàm điều khiển của các biến đầu ra:

Thực hiện dán cacnô các ma trận các nô của các biến đầu ra ta thu đợc: f(N) = a

f(V3) = e a

f(V2) = e.f

f(V1) = f

f(T) = a

IV Tổng hợp hai vùng điều khiển

Từ các hàm điều khiển thành phần ta xây dựng đợc hàm điều khiển của các biến đầu ra theo các biến đầu vào cho cả quá trình công nghệ:

f(T) = a.d

f(V1) = c + b.c.d

f(V2) =b.c + e

f(V3) = e a

f(N) = a.d

V Sơ đồ nguyên lý điều khiển

Từ hàm điều khiển của các biến đầu ra nh trên ta có đợc sơ đồ nguyên lý

điều khiển nh hình vẽ:

n

V 1

N T

3

V

2

V c

a d

e

f

f

5

6 7

8 9

10 11

12 13

14 15

th1 R

th3

R R th4

R th2

n t

e

b

c

th1 R

th3 R

R th2

16

18

20

n

D

D

D

H

R

H

R

H

R

H

R

BA

Rs M

O AT

102 103

3

17 19

111 112 113

121 122 123 131

141

132

V3

V2

V1

Phân tích hoạt động của sơ đồ nguyên lý:

Từ hàm điều khiển của các biến ra ta xây dựng đợc sơ đồ điều khiển nh hình vẽ Nhng sơ đồ trên cha thực hiện đợc yêu cầu công nghệ bởi vì các biến

và a, d là các công tắc hành trình, tín hiệu nhận đợc là tín hiệu xung

Ta thực hiện hiệu chỉnh sơ đồ bằng cách thêm tiếp điểm duy trì t(1-3), tiếp điểm duy trì n(1-3) Thay thế nút ấn d(8-9) bằng tiếp điểm thờng đóng n(8-9) và nút ấn a(12-14) bằng tiếp điểm thờng đóng t(12-14)

Thực hiện xác lập các khoảng thời gian t1 cho biến vào b, t2 cho biến vào

c, t3 cho biến vào e Theo lập luận trên khi có tín hiệu a là điểm gốc tính thời gian t1 và t2 Tín hiệu b là mốc tính thời gian t3 và t4 Sử dụng các rơle thời gian Rth1, Rth2, Rth3, Rth4 có khoảng thời gian chỉnh định t1, t2, t3, t4 tơng ứng để xác lập thời điểm tác động của các biến vào b, c, e Kết hợp mạch lực và mạch điều khiển Trong trờng hợp dừng máy có sử dụng hãm động năng ta có toàn bộ sơ đồ công nghệ trên hình vẽ:

Thuyết minh nguyên lý hoạt động:

Giả sử hệ ở vị trí ban đầu chuẩn bị hành trình thuận Khi ấn nút mở máy M(3-7), d(7-4) nối mạch, điện đợc cấp cho cuận hút T, R1, R2(4-2) Tiếp điểm T trên mạch lực đóng lại, đồng thời các tiếp điểm b(1-11), c(11-10) và n(10-8)

đóng cấp điện cho cuận hút V1 tiếp điểm V1 đóng lại Động cơ đợc khởi động theo chiều thuận với tốc độ V1

Sau khoảng thời gian t1 tiếp điểm thờng mở đóng chậm Rth1(1-16) đóng lại cuận hút b(16-2) có điện làm tiếp điểm b(1-13) đóng lại, c(13-12) vẫn đóng cuận hút V2 có điện đồng thời tiếp điểm b(1-11) ngắt mạch cắt điện của cuận hút V1 động cơ chuyển chế độ làm việc từ V1sang V2

Sau khoảng thời gian t2 từ khi có tín hiệu ở công tắc hành trình a thiết lập mốc tính thời gian cho R1 và R2 Tiếp điểm Rth2 (1-18) đóng lại cấp điện cho cuận hút c(18-2) c(1-8) đóng lại cấp điện trở lại cho cuộn hút V1, đồng thời c(13-12) mở ngắt điện ở cuận hút V2 động cơ trở lại chế độ làm việc V1

Đến cuối hành trình thuận công tắc d bị tác động d(7-4) ngắt cuận hút thuận T d(1-9) xác lập cho cuận hút nghịch N(6-2) Các tiếp điểm e(1-17), f(17-19) và t(19-14) đóng cấp điện cho cuận hút V3 hệ làm việc với quá trình ngợc, tốc độ V3 Cùng lúc đó cuận hút R1, R2 mất điện R3, R4 đợc cấp điện tính thời gian

Sau khoảng thời gian t3 tơng ứng Rth3(1-20) đóng cấp điện cho cuận hút e(20-2), tiếp điểm e(1-17) cắt điện của cuộn hút V3 , đóng tiếp điểm e(1-15) cấp

điện cho cuận hút V2(12-2) động cơ làm việc ở chế độ nghịch chuyển từ cấp tốc độ V3 sang tốc độ V2

Sau khoảng thời gian t4 thiết lập từ khi công tắc hành trình d tác động tiếp

điểm thời gian Rth4(1-22) đóng cung cấp điện cho cuận hút f(22-2), tiếp điểm f(15-12) cắt điện của cuận hút V2(12-2) Đồng thời f(1-8) đóng, cấp điện cho cuận hút V1(8-2) động cơ chuyển cấp tốc độ từ V2 sang V1

Khi tới cuối hành trình ngợc công tắc hành trình a tác động, T đựơc xác lập và N bị cắt Các rơle thời gian Rth1, Rth2 lại đợc reset tính mốc thời gian tác

động Quá trình tiếp tục diễn ra theo chiều thuận nh phân tích ở trên

Khi muốn dừng máy ta ấn D, mạch điều khiển bị ngắt điện, tất cả các tiếp điểm rơle T và N trên mạch đều mở ngắt điện khỏi động cơ Đồng thời rơle

RH có điện các tiếp điểm RH trên mạch động lực đóng lại và tính thời gian mở chậm Do động cơ vẫn quay điện áp một chiều đợc chỉnh lu và đa vào 2 cực của

động cơ Động cơ thực hiện hãm động năng trong thời gian rơle thời gian RH

mở chậm Quá trình hãm kết thúc khi tiếp điểm rơle RH ngắt

Nh vậy với sơ đồ điều khiển trên đã đáp ứng đợc yêu cầu công nghệ điều khiển máy bào giờng nh đề ra Các rơle thời gian có thể đợc chỉnh định thời gian tác động Công tắc hành trình có thể điều chỉnh đợc vị đặt để phù hợp với phôi liệu cần gia công

Chơng III :

Tính chọn các thiết bị trong hệ thống điều Chỉnh

tự động truyền động điện.

Dự định lựa chọn thiết bị lực có điện áp 380V, thiết bị điều khiển có điện

áp 220V Cụ thể nh sau:

1 Lựa chọn động cơ

Với yêu cầu công nghệ sử dụng động cơ không đồng bộ roto dây quấn với công suất P=70 kw Ta chọn động cơ rôto lồng sóc kiều bảo vệ do Liên Xô chế tạo với các thông số nh sau:

2 Lựa chọn khởi động từ:

Khởi động từ cần chọn phải đảm bảo Iđm ≥ Iđmđc Ucuận dây = Uđk

Chọn khởi động từ META-MEC của hãng LG, có rơle nhiệt bảo vệ quá tải dài hạn có các thông số nh sau:

Số tiếp điểm phụ có thể đợc bổ xung thêm theo yêu cầu sử dụng

4 Chọn 4 rơle trung gian b, c, e

Ta chọn ba rơle trung gian trên cùng loại của hãng OMRON chế tạo các thông số rơle nh dói bảng sau:

G2R

25.4 (1)H x 28.96 (1.14)L x 12.95 (.51)W

Chọn rơle R2G của OMRON có 2 tiếp điểm thờng mở và 2 tiếp điểm th-ờng đóng một cực, dòng điện tải 5A, điện áp cuận hút 220V AC Kích thớc 25.4 (1)H x 28.96 (1.14)L x 12.95 (.51)W

5 Chọn các rơle thời gian

Chọn rơle thời gian của hãng OMRON có các số liệu nh bảng:

Loại thụng dụng:

H3CR-A (6 chế độ)

H3CR-A8 (2 chế độ)

H3JA: Loại đơn giản giỏ

thấp

- 6 chế độ đặt thời gian cho

nhiều ứng dụng

- éốn chỉ thị nguồn, đầu ra

Dải thời gian : 0,05 giõy tới

300 giờ

éầu ra :

1 hoặc 2 bộ tiếp điểm: 5A, 250

VAC

Hở colectơ: 30 VDC, 100 mA

Nguồn : 24,100-240 VAC; 24,

48-125 VDC

- Loại bật trễ ON delay đơn giản, đặt bằng nỳm vặn

- éốn chỉ thị nguồn, đầu ra.

éầu ra rơle

Dải thời gian: 0,1 giõy tới 3

giờ (nhiều dải nhỏ tuỳ model) H3JA-8A: 7 A, 250 VAC, tải trở (1 bộ tiếp điểm)

H3JA-8C: 5 A, 250 VAC, tải trở (2 bộ tiếp điểm)

Nguồn : 24, 100-240 VAC;

12-24 VDC

Chọn rơle loại H3JA có thời gian chỉnh định từ 0,1 giây đến 3 giờ, tải trở dòng 5A điện áp cuận hút 250VAC phù hợp với công nghệ truyền động Kích thớc 36 H x 36 W x 60 D mm

6 Chọn công tắc hành trình.

Chọn công tắc hành trình của OMRON sản xuất có các thông số nh bảng sau: