Đồ án chuyên ngành thiết kế máy bào giường

Đồ án chuyên ngành thiết kế máy bào giường Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật hiện đại đã làm thay đổi sâu sắc trong lĩnh vực truyền động điện tự động. Sự hoàn thiện của các thiết bị điện tử công suất với kích thước gọn nhẹ, xử lý nhanh nhạy, chính xác, dễ dàng đáp ứng được những yêu cầu công nghệ khó khăn nhất mà thời điểm trước không làm được. Để cho chúng em dần tiếp cận được với khoa học hiện đại, kết hợp với lý thuyết về truyền động điện và điện tử công suất. Nhằm mục đích tìm hiểu sâu sắc môn học và nâng cao kiến thức thực tế, em đã được giao đề tài “ Thiết kế hệ truyền động điện một chiều cho bàn máy bào giường”. Do tầm hiểu biết còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để bản đồ án này hoàn thiện hơn. Em xin cảm ơn thầy hướng dẫn TS. Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình tìm hiểu và hoàn thiện đồ án này

VIỆN ĐIỆN

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Đề tài: THIẾT KẾ HỆ TRUYỀN ĐỘNG MỘT

GVHD : TS Nguyễn Mạnh Tiến

SVTH : Trần Văn Bắc – MSSV: 20121269 Lớp TĐH-03-K57

Hà Nội tháng 12 năm 2016

LỜI NÓI ĐẦU

Sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật hiện đại đã làm thay đổi sâu sắc trong lĩnh vực truyền động điện tự động Sự hoàn thiện của các thiết bị điện tử công suất với kích thước gọn nhẹ, xử lý nhanh nhạy, chính xác, dễ dàng đáp ứng được những yêu cầu công nghệ khó khăn nhất mà thời điểm trước không làm được

Để cho chúng em dần tiếp cận được với khoa học hiện đại, kết hợp với lý thuyết về truyền động điện và điện tử công suất Nhằm mục đích tìm hiểu sâu sắc môn học và nâng cao kiến thức thực

tế, em đã được giao đề tài “ Thiết kế hệ truyền động điện một chiều cho bàn máy bào giường”

Do tầm hiểu biết còn hạn chế nên không thể tránh khỏi những thiếu sót, em rất mong nhận được những ý kiến đóng góp của các thầy cô để bản đồ án này hoàn thiện hơn

Em xin cảm ơn thầy hướng dẫn TS Nguyễn Mạnh Tiến đã tận tình giúp đỡ em trong quá trình

tìm hiểu và hoàn thiện đồ án này

Sinh viên thực hiện

Trần Văn Bắc

MỤC LỤC

Trang

Trang bìa ……….1

Lời nói đầu ……… 2

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MÁY BÀO GIƯỜNG ……… ……… 4

1.1 Đặc điểm công nghệ và yêu cầu công nghệ ……… 4

1.2 Yêu cầu về truyền động ……… 7

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ TÍNH TOÁN MẠCH LỰC … 9

2.1 Tính chọn công suất động cơ ………11

2.2 Kiểm nghiệm động cơ đã chọn ……….12

2.3 Lựa chọn, tính toán mạch lực ………15

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ TỔNG HỢP THAM SỐ MẠCH ĐIỀU CHỈNH……… ……….…….23

3.1 Tổng hợp mạch vòng dòng điện ………24

3.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ ……… 25

3.3 Mô phỏng Matlab-Simulink……… ……… … 27

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN……… ……… 30

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU MÁY BÀO GIƯỜNG

1 Đặc điểm công nghệ và yêu cầu công nghệ

Máy bào giường là máy có thể gia công các chi tiết lớn Tuỳ thuộc vào chiều dài của bàn máy và lực kéo có thể phân máy bào giường thành 3 loại:

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

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

- Máy cỡ nặng: Lb> 5m, Fk > 70kN

Hình 1.1: Hình dáng bên ngoài máy bào giường

Chú thích: 1 Chi tiết gia công 2 Bàn máy 3 Dao cắt

4 Bàn dao đứng 5 Xà ngang

Chi tiết gia công 1 được kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiến qua 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 chuyển qua lại theo các theo các chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược Ở hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành 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 trình ngược thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi là lượng ăn dao s 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 trong hành trình không tải

Hình 1.2 Đồ thị tốc độ bàn dao trong một chu kỳ

Tốc độ hành trình thuận được xác định tương ứng bởi chế độ cắt Thường thì tốc độ thuận là: Vth =5 đến (75120 ) m/ph; vận tốc gia công max, min: Vmax=75120 m/ph, Vmin=5 m/ph

- Để nâng cao năng suất của máy ta chọn:Vn > Vth(Vn = 2 đến 3 Vth)

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

ng th

ck t t T

n





Trong đó:

- T ck là thời gian làm việc trong 1 chu kỳ của bàn máy

- T th là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận

- T ng là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngược

Giả sử gia tốc của bàn máy lúc tang và giảm tốc độ là không đổi thì:

2 /

.

th

th h th g th

th th

V

L L

.

ng

ng h ng g ng

ng ng

V

L L

b dc

ng b th

V

L k t

V L V L

1/

- t đc là thời gian đảo chiều

 Năng suất của máy phụ thuộc vào k ( tỉ lệ thuận) và t đc Cụ thể:

+ Khi k tăng > 3năng suất tăng không đáng kể( do t đc tăng)

+ Khi Lb > 3 t đc ít ảnh hưởng năng suất phụ thuộc chủ yếu vào k

 Khi thiết kế truyền động chính cho MBG cần phấn đấu giảm thời gian quá trình quá độ

2 Yêu cầu công nghệ

2.1 Truyền động trục chính: Là chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy Đồng thời cũng

phải có điều chỉnh tốc độ trong cả 2 hành trình vì hành trình thuận là hành trình cắt gọt có tải tốc

độ nhỏ hơn hành trình ngược là hành trình không tải nhằm mục đích giảm thời gian chết không tải lâu

- Hệ thống truyền động là hệ truyền động có đảo chiều quay vì có 2 hành trình thuận và ngược

và làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại

- Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỷ số giữa tốc độ lớn nhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngược) và tốc độ nhỏ nhất của bàn máy (tốc độ thấp nhất trong hành trình thuận)

12 6

÷ 4

60

min max min

V D

- Ở chế độ xác lập: Khả năng giữ tốc độ khi phụ tải thay đổi Độ ổn đinh tốc độ 5% khi phụ tải thay đổi Đường đặc tính cơ càng cứng thì độ ổn định càng cao Thường chọn % 2%

- Quá trình quá độ, khởi động, hãm yêu cầu xảy ra êm, tránh va đập trong bộ truyền với tốc độ tác động cực đại

2.2 Truyền động ăn dao: Là chuyển động tịnh tiến theo phương vuông góc với chuyển động

chính, có tính rời rạc, xảy ra vào cuối hành trình thuận, đầu hành trình ngược

- Truyền động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trình kép làm việc một lần (từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc trước khi dao cắt vào chi tiết)

- Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là : D =(100  200)/1 Lượng ăn dao cực đại 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 1000lần/giờ

Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo 2 chiều ở cả chế độ làm việc và di chuyển nhanh

- Truyền động ăn dao thường được thực hiện bằng động cơ không đồng bộ rô to lồng sóc

và hộp tốc độ

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

Để thay đổi tốc độ trục làm việc, ta có thể dùng nguyên tắc tốc độ điều chỉnh tốc độ bản thân động cơ hoặc sử dụng hộp tốc độ nhiều cấp Nguyên tắc này tuy phức tạp hơn nguyên tắc trên nhưng có thể giữ được thời gian làm việc của truyền động như nhau vời các lượng ăn dao khác nhau

2.3 Truyền động phụ: Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao nâng đầu dao

trong hành trình ngược, nân hạ xà ngang, nới siết xà ngang trên trụ v.v…

Truyền động phụ đảm bảo các di chuyển nhanh bàn dao, sàn máy, nâng đầu ra trong hành trình ngược, được thực hiện bởi đông cơ không đồng bộ và nam châm điện

2.4 Chế độ làm việc: Chế độ làm việc ngắn hạn lăp lại, đảo chiều với tần số lớn., mô men khởi

động và hãm lớn Quá trình quá độ chiếm tỷ lệ đáng kể trong quá trình làm việc

2.5 Yêu cầu về nguồn: Hệ thống sử dụng nguồn, điện lưới công nghiệp xoay chiều 3 pha, điện

áp lưới 380V, tần số 50Hz

2.6 Yêu cầu về vận hành: An toàn cho người vận hành và thiết bị Cụ thể là có các biện pháp

bảo vệ chống quá tải, ngắn mạch, dừng khẩn cấp khi có sự cố

2.7 Tính kinh tế: Khi thiết kế phải quan tâm đến vốn đầu tư, chi phí vận hành, tổn hao năng

lượng trong quá trình làm việc ổn định và quá độ

2.8 Các yếu tố khác: Ngoài các yếu tố trên khi thiết kế hệ thống truyền động ta cần quan tâm

đến độ trơn điều chỉnh và khả năng tự động hóa hệ thống

CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN CÔNG SUẤT ĐỘNG CƠ VÀ LỰA CHỌN TÍNH TOÁN MẠCH LỰC

1 Tính chọn công suất động cơ cho máy bào giường

Phụ tải của chuyển động chính được xác định:

m s Z

,3184518

,184510

F F



- Ở chế độ không tải (hành trình ngược)

Ở hành trình không tải thì FZ  0nên:

m m  0,081.9,8500 600 873,18(N)

g F

Chọn động cơ

Công suất đầu trục động cơ khi cắt chi tiết ( công suất động cơ trong hành trình thuận)

)(38,1681,0.1000.60

25.10.845,31

60.18,873

1000

V F

Trong thực tế để động cơ làm việc an toàn, phải có 1 hệ số dự trữ an toàn K at 1,05÷1,3

)(09,513,39.3,1.3

,

P đc  tt  

Như vậy ta có thể chọn loại động cơ   91có các thông số:

287 A

I đm 

)(

220 A

U đm 

P số đôi cực bằng 2

)(

0029 , 0

s R

1500 55

0412 , 0 287 220

s rad V R

I U K

đm

u đm đm

04 , 0 33 , 1 ) (

.

2

M U

K

M R K

2 Kiểm nghiệm động cơ đã chọn

Việc tính chọn công suất động cơ ở trên là việc tính chọn sơ bộ, vì ở đó ta bỏ qua giai đoạn mở máy và hãm máy Để có được khẳng định chắc chắn động cơ với các thông số ở trên có đáp ứng được yêu cầu truyền động hay không ta cần tiến hành kiểm tra lại

- Kiểm tra điều kiện phát nóng

- Tổn hao không tải trong hành trình thuận:

81,9)

g G

dt th th

- Dòng điện không tải:

• Xác định thời gian của các khoảng làm việc:

- Thời gian quá trình quá độ :

• Mqđ, Iqđ: mômen và dòng điện trong quá trình quá độ

• Mc, Ic: mômen và dòng điện phụ tải động cơ

•   : tốc độ đầu và cuối của quá trình quá độ 1, 2

Các khoảng thời gian làm việc:

2

84, 08( )0

c o o

rad s rad s

c ng ng

rad s rad s

3

0,102( )4

+ Thời gian làm việc ổn định ở hành trình thuận:

ck

ck

I t I

• Xây dựng đồ thị phụ tải toàn phần

Từ các số liệu dòng điện trong quá trình quá độ và xác lập tương ứng ta có đồ thị dòng điện

Hình 2.2 Đồ thị phụ tải toàn phần

3 Lựa chọn, tính toán mạch lực

3.1 Hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi T-Đ điều khiển chung

Về tư tưởng thiết kế người ta cố gắng đưa hệ T-Đ đảo chiều tương tự như hệ máy phát động

buộc có cuộn kháng cân bằng Tuy khác nhau về cấu trúc nhưng vốn đầu tư hai mạch lực này tương đương nhau về lượng đồng, sắt và số Thyristor

• Ưu điểm nổi bật của hệ T –Đ đảo chiều điều khiển chung là đảo chiều êm, tác động và chuyển trạng thái nhanh, làm việc an toàn, tin cậy.Vì vậy nó thường được ứng dụng cho hệ có tần số đảo chiều lớn( như hệ truyền động máy bào giường)

• Nhưng nhược điểm lớn của hệ này là kích thước cồng kềnh, vốn đầu tư lớn và hiệu suất truyền động không cao Chính xuất phát từ lí do này nên người ta đưa ra giải pháp chọn hệ T-Đ đảo chiều điều khiển riêng

3.2 Hệ T-Đ đảo chiều dùng hai bộ biến đổi điều khiển riêng

Sự khác biệt cơ bản là ở mạch điều khiển thay vì điều khiển phát xung cho cả hai bộ điều khiển người ta tách điều khiển phát xung độc lập cho hai bộ biến đổi Tức là khi một bộ biến đổi làm việc thì bộ kia sẽ bị khóa hoàn toàn Như vậy sẽ không tồn tại điện áp cân bằng và điều này dẫn đến mạch lực sẽ không còn cuộn kháng cân bằng làm cho kích thước nhỏ gọn và giá thành

hạ đáng kể (30-40%) Mạch nguyên lý của hệ sẽ được trình bày trên hình 2.2 Trong đó mạch lực gồm 6 cặp Thyristor nối song song ngược tạo nên hai bộ biến đổi một bộ làm việc theo chiều thuận một bộ làm việc theo chiều ngược

Hình 3.2 Sơ đồ điều khiển T-Đ điều khiển riêng

220 6

u

d nv nv

Với k nv : hệ số điện áp ngược van

k u :hệ số điện áp chỉnh lưu

Điện áp ngược lớn nhất van chịu được : U nvk dtU.U ng.max 1,8.230,39414,720(V)

Trong đó k dtU = 1,7 là hệ số dự trữ điện áp, với k dtU = (1,6 ÷ 2)

3

1

k I

Từ các thông số trên chọn van T568 N có :

- Dòng điện trung bình I tb = 568A

- U max = 200 ÷ 600 V

- Sụt áp trên van là ΔU = 1,76V

- Thời gian phục hồi t ph = 200 µs

- U đk = 1,4V ; I đk = 150 mA

Biến áp sơ cấp đấu tam giác, thứ cấp đấu sao

+) Tính các thông số cơ bản

• Điện áp sơ cấp: U1 = Ulưới= 380(V) do sơ cấp đấu ∆

• Điện áp pha thứ cấp : Udo.cosαmin = Uđm + 2∆Uv + ∆Uba

• α = αmin = 10𝑜 ( góc dự trữ khi có suy giảm điện lưới)

Từ phương trình cân bằng điện áp khi có tải ta có :

Với : + ΔU v = 1,76V - sụt áp trên mỗi thyristor

+ ∆U ba là sụt áp trên máy biến áp, chọn ∆U ba = 6% U đm = 13,2 V

34,2

37,24034,2

3802

34,2352

k

I I

ba







• Xác định công suất tối đa của tải: P dmax U d0.I d 240,37.28768,986(kW)

• Công suất biến áp nguồn cấp : S ba k s.P dmax 1,05.68,986 72,435(kVA)

+) Tính sơ bộ mạch từ :

Tiết diện trụ :

f m

S k

Thay số ta được 131,85( )

50.3

72435

10 380

.

63 ,

8 , 22 4

34 ,

6 , 85 4

4 2



3.5 Tính toán cuộn kháng lọc dòng điện

240,37

o th

th

do

U U

3.7 Tính toán các thiết bị bảo vệ

• Bảo vệ quá dòng cho van: Áp tô mát dùng để đóng cắt mạch động lực, tự động ngắt khi quá tải và ngắn mạch

- Ta lựa chọn áp tô mát có các thông số như sau:

I dm  1 , 1I lv  1 , 1 165 , 7  182 , 3 (A)

U dm 220 V( )

U qt  5I lv  828 , 5 (A)

• Bảo vệ quá điện áp cho van

Bảo vệ quá điện áp do quá trình đóng cắt tiristo được thực hiện bằng cách mắc RC song song với tiristo Khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các lớp bán dẫn phóng

ra ngoài tạo ra dòng điện ngược trong khoảng thời gian ngắn, sự biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngược gây ra sức điện động rất lớn trong các điện cảm làm cho quá điện áp Mạch RC trợ giúp chuyển mạch, nó hạn chế được đỉnh của điện áp cảm ứng trong quá trình dẫn ngược của Thyristor Khi thyristor mở tụ điện sẽ phóng điện qua thyristor Người ta có thể hạn chế u

t

ddbằng điện trở R

- Ta chọn chọn R = 5,1Ω; C= 0,25μF

CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG CẤU TRÚC HỆ THỐNG

ĐIỀU KHIỂN VÀ TỔNG HỢP THAM SỐ MẠCH ĐIỀU CHỈNH

Để xây dựng bộ điều chỉnh ta cần xây dựng sơ đồ cấu trúc cho toàn hệ thống Hệ thống điều khiển gồm có 2 mạch vòng điều khiển với mạch vòng phía trong là mạch vòng dòng điện còn

Hình 3.1 Sơ đồ khối của mạch vòng dòng điện

Trong đó :

• Si – sensor dòng điện ; Ri – bộ điều chỉnh dòng điện; BĐ- Bộ chỉnh lưu cầu 3 pha

• Tđk, Tvo, Tư, Ti – các hằng số thời gian của mạch điều khiển chỉnh lưu, sự chuyển mạch chỉnh lưu, phần ứng và xenxơ dòng điện

• Rư – điện trở mạch phần ứng và KCL và Ki là hệ số khuếch đại chỉnh lưu và sensor dòng điện

Hình 3.2 Sơ đồ thu gọn của mạch vòng dòng điện

) 1 )(

1 (

1

) (

) ( ) (

p T p T R

K K p U

p I p

S

u si

u

i cl đk

Ta có:

) ( 67 , 1 50 6 2

1 2

1

ms mf

) ( 10

U U

U

U K

0, 0029

0, 0704

0, 0412

u u

1)

(

p p

) ( ).

( 1

) ( ).

( )

(

0

0

p S p R

p S p R p F

i i

i i OMi  

Từ đó ta tìm được hàm truyền của bộ điều chỉnh dòng điện có dạng khâu PI:

p p

T a R

K K

p T p

R

si u

i cl

u i

116 , 0

0704 , 0 1

.

1 )

Chọn a=2,  T si

Cuối cùng hàm truyền của mạch vòng dòng sẽ là :

p p

T K

p T p T K

p T p T K p U

p

I

si i

si si

i si

si i

1

014 , 0

1 2

1

1 1 2

2 1

1

1 1 ) 1 ( 2

1

1 ) (

) (

1.).21(

1)

(

0

p T

K p T K

R K

p T p

S

c

u i

1

.)

(

0

p T p T K K

K R p

S

s c

T 

)//(064,007,157

10

s rad V

U K

,1

94,5.0412,0)

J R

288

41

41)

(

p p

p

p p

(1

)()

()

(

0

0

p S p R

p S p R p

T T K K

K R

p T p

R

s c i

u

s

0374,0

17,52951,1.8

41)

T

W

s hc

04136,01

1

41

3.2 Mô phỏng hệ thống

Hình 3.3.1 Mô phỏng hệ thống trên Matlab-Simulink

Hình 3.3.2 Đồ thị tốc độ chuyển động của bàn máy

Nhận xét: Tại khoảng thời gian chạy với tốc độ không tải, tại thời điểm bàn dao cắt vào tải

ta thấy tốc độ bị giảm đi 1 ít lý do là khi cắt vào chi tiết mô men cản tăng nên tốc độ giảm Để tránh cho độ sụt tốc độ khi cắt vào chi tiết ta cần điểu chỉnh bộ điều khiển cho phù hợp sao cho

độ sụt tốc độ càng nhỏ càng tốt