Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Mục lục Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Đồ án thiết kế hệ thống điện tử Chương I Tổng quan thiết kế hệ thống dẫn động I Sơ lược trình thiết kế hệ thống dẫn động bàn máy X Y Tính chọn trục vít me Tính chọn trục vít me Chọn kiểu trục vít me xác(Precision Ballscrew) Q trình tính tốn hình vẽ sau: Hình 1.1 Sơ đồ tính chọn vít me bi Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Các thông số đầu vào: - Loại- Loại máy CNC : Phay - Chế độ cắt thử nghiệm tối đa SVT : + Phay mặt đầu + Dao có lưỡi (z=6), đường kính D= 80mm + Tiêu chuẩn quốc gia : JIS + Vật liệu S45C + Grade 4040 + Vận tốc : v= 100m/ph + Chiều sâu cắt : t= 1,2mm + Lượng chạy dao phút : F = 900mm/ph       Trọng lượng bàn gá trục x: Gx = 200kg , G y = 140kg Trọng lượng chi tiết gia công lơn nhất: Lực cản theo phương z: Vận tốc cắt có tải : Px = 700kg , Py = 700 kg Pz = 1000kg Vc = 10m / ph Vận tốc cắt không tải: Vck = 20m / ph Gia tốc hoạt động lớn hệ thống: a = 0.6 g = 6( m / s ) Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học  Thời gian hoạt động: Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Lt = 25000h N max = 2000rpm  Tốc độ vòng động cơ:  Hệ số ma sát trơn bề mặt:  Độ xác vị trí khơng tải : ±0,03/1000mm  Độ xác lặp : ±0,005mm  Độ lệch truyền động : ±0,02mm µ = 0.1 Chọn kiểu lắp đặt: đầu cố định đầu tự lựa (fixed- supported) Điều kiện làm việc: Lực dọc trục lớn nhất: gia công F1x max = max( Fa1 ; Fa ; Fa3 ; Fa ; Fa ; Fa ) = 312,52kgf Khi không gia công: F2 x max = 720kgf Tính tốn tải trọng Tải trọng tĩnh C0 = f s Fa max Trong Chọn fs fs : hệ số bền tĩnh:1,5-3 =1.5 ta được: C0 x = f s Fx max = 1,5.720 = 1080kgf tải trọng động: Cax = 9485,44(kgf) Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học tải trọng động: chọn kiểu bi: Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Cax = 9485,44(kgf) Độ cứng cần ưu tiên, hao phí chuyển động khơng q quan trọng ta chọn thơng số sau cho bi  ổ bi loại lưu chuyển bi bên  kiểu : FDWC  số mạch bi B=2 chọn bán kính trục vít n =α × 60λ 2π L2 ⇒ dr ≥ n × L2 × 10−7 f EIg dr = f × 107 γA L L=tổng chiều dài di chuyển max + bán kính bi + chiều dài vùng Lx = 550 + 100 + 200 = 850( mm) Ly = 400 + 100 + 200 = 700( mm) Kiểu lắp đặt fixed-supported nên f=15,1 Chiều dài dẫn ⇒ drx ≥ l = 10(mm) 2000 × 8502 × 10−7 = 9,57 mm 15,1 2000 × 7002 dry ≥ ×10−7 = 6, 49mm 15,1 Từ tính tốn chọn series sau: Loại trục vít me:32-10B2-FDWC Đường kính trục: 32mm Thanh dẫn: 10mm Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình.1.2.Các thơng số vít me kiểm tra sơ - Tuổi thọ:  Ca  Lt =  ÷ 10 60.N m  Fmx f w   9485, 44  = 106 ÷ 60.2000  548, 07.1,  = 25000h • n= f tốc độ quay cho phép: dr 32 10 = 15,1 .107 = 6687,89(vg / ph) > 2000 ⇒ 2 L 850 thỏa mãn Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh chọn động - Tốc độ vòng lớn 1500(vòng/phút) - Thời gian cần thiết để đạt tốc độ lớn 0,15s 2.1 Momen qn tính khối • Trục vít me: GDs = πρ π × 7,8 ×10 −3 × D4 × L = × × 130 = 101,9(kgf cm ) 8 • Phần dịch chuyển: GDw 2     =W  ÷ = (700 + 200) ×  ÷ = 22,8( kgf cm )  2π   2π  • Phần ghép nối: GDJ = 40( kgf cm ) • Tổng momen quán tính : GDL = GDs + GDw + GDJ = 164, 7(kgf cm ) 2.2 Momen phát động • Momen đặt trước: Fa = Fmax / = 408,91/ = 136,3(kgf ) k = 0,3 TP = k × Fa × l 136,3 × 1, = 0,3 × = 6,5( kgf cm) 2π 2π Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học • • Tb = • Tc = Momen lực ma sát: Phay cao tốc: Ta = • Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Fa × l 90 ×1 = = 15,9(kgf cm) 2π ×η 2π × 0,9 Phay tinh: 690 × 1, = 122,1( kgf cm) 2π × 0,9 Phay thơ: 1140 ×1, = 201, 7(kgf cm) 2π × 0,9 Momen phát động cần thiết tổng momen đặt trước momen cần thiết phay thô: TL = TP + Tc = 201, + 6,5 = 208, 2( kgf cm) 2.3 Chọn động Các thơng số u cầu: • • • Tốc độ quay lớn nhất: Momen ước lượng : N max ≥ 1500(rpm) TM > TL Momen khối lượng roto: JM ≥ JL / Ta chọn động có thông số sau: Model 1160E hãng ANILAM Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh AM 1160E Rated Voltage UN =287 V Rated Power Output Rated Speed PN =2,42 kW N =3000 rpm Rated Torque MN =7,7 Nm Rated Current IN =5,35 A Stall Torque MO =10 Nm Stall Current IO =6,8 A Maximum Torque Maximum speed Weight Mmax =41 Nm 5400 rpm m =12 kg Rotor Inertia J =15,00 kgcm2 2.4 Kiểm tra thời gian cần thiết để đạt vận tốc cực đại: ta = = J 2π N × ×f TM '− TL 60 (274,3 + 750) 2π × 1400 × ×1, = 0,122( s ) < 0,15s × 980 × (2 × 230 − (6,5 + 15,9)) 60 2.5 Tính tốn ứng suất tác dụng lên trục vít: σ= Fmax F 1140 × 9,8 × = = = 19, 44( N / mm ) 2 A π dr / π × 27, 05 π dr π 27, 054 J= = = 52562, 65( mm ) 32 32 Tmax = TL = 208, 2(kgf cm) = 20403, 22( N mm) Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học τ= Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh T × r 20403, 22 × 20 = = 7, 76( N / mm ) = 7, 76 × 106 ( N / m ) J 52561, 65 σ max = σ + τ = 20,93 ×106 ( N / m ) Tính chọn ray dẫn hướng 10 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học - - • Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Khối To Workspace đưa tín hiệu ghi liệu tín hiệu vào không gian làm việc MatLab Trong q trình mơ phỏng, khối ghi liệu vào vùng nhớ đệm bên Khi q trình mơ hồn thành dừng lại liệu ghi vào không gian làm việc biểu tượng khối thể tên mảng mà liệu ghi vào Để xác định tên biến không gian làm việc mà khối To Workspace ghi liệu dùng thông số “Variable name” Để xác định dạng liệu biến, sử dụng thông số “Save format ” Khối Derivative Khối Derivative xấp xỉ đạo hàm tín hiệu đầu vào u với mô theo thời gian t Ta có xấp xỉ ∆u ∆t II ∆u du dt cách tính tốn chênh lệch số ∆t Trong đó, thay đổi tín hiệu đầu vào, thay đổi thời gian kể từ mơ trước bước thời gian Mơ hình hóa bàn máy Sau xây dựng mơ hình 3D solidworks, xuất sang file xml ta mơ hình hóa hệ bàn máy gồm khối sau Hình 3.1 Mơ hình bàn máy suất mơi trường Matlab & Simulink Điều khiển bàn máy chuyển động theo quỹ đạo xác định Quỹ đạo chuyển động đường thẳng 46 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học - Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Các tín hiệu đầu vào: a = m/s Gia tốc: vmax = 20m / ph = 0.33m / s - ⇒ Vận tốc lớn nhất: Để quỹ đạo chuyển động bàn máy tạo hình thang tín hiệu vận tốc đưa vào bàn máy phải tỉ lệ Tín hiệu vận tốc có dạng hình thang Phương trình dốc hình thang v(t)=5t thời gian để bàn máy đạt vận tốc lớn 0.067s do_an2/Signal Builder : Group Signal 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (sec) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 2.1 Đồ thị vận tốc đặt vào bàn x y VD: Điều khiển bàn máy chuyển động từ điểm A(0,0) đến B(3,4) Ta có phương trình tham số đường thẳng qua điểm sau: Với A(0,0) B(3,4) phương trình tham số đường thẳng qua AB là: 47 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học  x = x1 + ( x2 − x1 ).t = 3t   y = y1 + ( y2 − y1 ).t = 4t Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh với t tham số Đồng thời thỏa mãn điều kiện vận tốc vị trí sau:  x0 = x A v =    xc = xB vc = Từ tọa độ điểm phương trình tham số đường thẳng ta tính tốn phương trình chuyển động bàn x y sau: Hình 3.2 Tính tốn quỹ đạo bàn x,y Để bàn máy dừng lại điểm kết thúc đoạn thẳng gia công ta thêm vào khối điều khiển sau: 48 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.3 điều khiển bàn máy chạy theo đoạn thẳng điểm Các khối có nhiệm vụ tính khoảng cách điểm AB khoảng cách từ A đến điểm gia công bàn máy Hiệu giá trị lấy làm điều kiện Ban đầu bàn máy chạy theo đường thẳng đến giá trị hiệu lớn khơng dừng lại, điểm dừng lại điểm cuối đoạn thẳng cần gia cơng Hình 3.4 Bộ điều khiển hoàn chỉnh bàn máy chạy theo đoạn thẳng 49 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.5 Quỹ đạo chuyển động bàn máy Hình 3.6 Đồ thị vị trí bàn x Hình 3.7 Đồ thị vị trí bàn y 50 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.8 Vận tốc bàn x y - Quỹ đạo chuyển động đường tròn Các tín hiệu đầu vào: a = m/s Gia tốc: Vận tốc lớn nhất: vmax = 20m / ph = 0.33m / s Đường gia công có dạng đường tròn có tâm điểm O(a;b) bán kình R Ta có phương trình đường tròn dạng tham số là:  x = a + R.cos(t )   y = b + R.sin(t ) với t tham số Và điều kiện vị trí vận tốc điểm đầu điểm cuối sau:  x0 = x A v =    xc = xB vc = 51 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Với đầu vào tọa độ tâm đường tròn bán kính tạo mạch tính tốn phương trình đường tròn: Hình 3.9 Mạch tính tốn phương trình đường tròn Để gia cơng đường tròn có tâm nằm điểm lệch gốc tọa độ cần đưa bàn máy đến điểm đường tròn rối bắt đầu gia cơng Ta có mạch điều khiển sau: 52 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.10 Mạch điều khiển bàn máy tới tọa độ cần gia cơng Hình 3.11 Mạch điều khiển hồn chỉnh Hình 3.12 Quỹ đạo chuyển động Với thơng số đầu vào ta điều khiển quỷ đạo chuyển động bàn máy hình 53 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.13 Đồ thị vận tốc bàn x bàn y 54 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.14 Đồ thị vị trí bàn x bàn y - Quỹ đạo gia cơng hình vng Các tín hiệu đầu vào: a = m/s Gia tốc: vmax = 20m / ph = 0.33m / s Vận tốc lớn nhất: Với điều kiện đầu vào ta đặt tín hiệu vận tốc cho bàn x bàn y sau: do_an2/Signal Builder1 : Group 0.4 Signal vuong 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (sec) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 3.15 tín hiệu vận tốc bàn x do_an2/Signal Builder : Group 0.4 Signal vuong 0.3 0.2 0.1 -0.1 -0.2 -0.3 -0.4 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 Time (sec) 0.6 0.7 0.8 0.9 Hình 3.16 tín hiệu vận tốc bàn y 55 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.17 Mơ hình điều khiển bàn m theo hình vng Hình 3.18 Quỹ đạo chuyển động Ví dụ: điều khiển bàn máy qua điểm A(0,0); B(4,0);C(4,3)và D(0,3) Ta điều khiển bàn máy chạy theo đường thẳng từu A đến B, B đến C, C đến D D A Dùng khối điều khiển bàn máy chạy theo đường thẳng xây dựng ta có khối điều khiển sau: 56 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.19 mô điều khiển bàn máy qua điểm Hình 3.20 Quỹ đạo chuyển động bàn máy 57 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.21 Vị trí bàn x y 58 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 3.22 đồ thị vận tốc bàn y Ví dụ : Gia công theo quý đạo tứ giác Hình 3.22.Các biên dạng gia cơng 59 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Tài liệu tham khảo PGS.TS Phạm Văn Hùng, PGS.TS Nguyễn Phương, 2007 Cơ sở máy công cụ NXB Khoa học & kĩ thuật Catalog hãng sản xuất ổ bi SKF Catalog hãng PMI Lý thuyết điều khiển tuyến tính 60 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 ... Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Đồ án thiết kế hệ thống điện tử Chương I Tổng quan thiết kế hệ thống dẫn động I Sơ lược trình thiết kế hệ thống. .. Nội Viện Cơ Khí Bộ mơn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh Hình 2.3 Đồ thị Bode hệ Nhận xét: Đường pha đường c −180o nên hệ kín ổn định Kiểm tra đáp ứng hệ với... dưới: Hình 1.4 Hệ số fs 12 Nguyễn Đức Long MSSV:20142671 Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Viện Cơ Khí Bộ môn Máy ma sát học Đồ án thiết kế hệ thống điện tử GVHD: TS.Bùi Tuấn Anh 3.5 .Hệ số tải động