Đồ án điện cơ máy mài tròn

thiết kế hệ truyền động quay tròn chi tiết cho máy mài tròn

Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 1 - MỤC LỤC Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 2 - LỜI NÓI ĐẦU Gia công mài là một trong năm nguyên công gia công cơ bản gồm: tiện, phay, khoan – doa, bào, mài, … Nguyên công mài làm tăng độ bóng, giảm độ nhám bề mặt chi tiết gia công. Đá mài có thể gọt một lớp kim loại rất mỏng nên khi mài có thể đạt đến độ chính xác rất cao. Nguyên công mài được thực hiện trên máy mài. Có nhiều loại máy mài, trong đó, có hai loại chính là máy mài tròn và máy mài phẳng. Ngoài ra, còn có các máy khác như máy mài vô tâm, máy mài rãnh, máy mài cắt, máy mài răng, v.v… Máy mài chiếm khoảng 25% trong số các loại máy cắt kim loại. Hiện nay, mài không những dùng ở các nguyên công gia công tinh mà còn dùng ở các nguyên công gia công thô khi cần có năng suất và hiệu quả kinh tế cao. Đồ án này sẽ đi sâu tìm hiểu công nghệ máy mài tròn và thiết kế hệ truyền động quay tròn chi tiết cho máy mài tròn. Đồ án gồm 5 phần chính: Phần 1: Công nghệ gia công cắt gọt kim loại và công nghệ mài. Phần 2: Tính chọn phương án truyền động. Phần 3: Xây dựng hệ thống điều khiển cho hệ truyền động Phần 4: Mô phỏng hệ thống Phần 5: Thực hiện bộ điều khiển bằng mạch điện tử. Do thời gian có hạn và hạn chế về kiến thức cũng như thực nghiệm nên đồ án không tránh khỏi còn nhiều thiếu sót. Em kính mong nhận được sự chỉ bảo, góp ý của các thầy cô và các bạn để mang đồ án hoàn thiện và sát thực tế hơn. Em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Minh Hà và các thầy cô trong bộ môn Tự Động Hóa Xí Nghiệp Công Nghiệp – Khoa Điện – Đại học Bách Khoa Hà Nội đã ân cần chỉ bảo và hướng dẫn em hoàn thành đồ án. Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 3 - CHƯƠNG 1: CÔNG NGHỆ GIA CÔNG CẮT GỌT KIM LOẠI VÀ CÔNG NGHỆ MÀI 1. Giới thiệu công nghệ gia công cắt gọt kim loại và công nghệ mài 1.1. Giới thiệu công nghệ gia công cắt gọt kim loại Gia công cắt gọt kim loại là công nghệ gia công bằng cách cắt bớt các lớp kim loại thừa, để sau khi gia công có hình dạng gần đúng yêu cầu (gia công thô) hoặc thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh). Các máy thực hiện việc gia công cắt gọt kim loại gọi chung là máy cắt kim loại. Trên quan điểm công nghệ, gia công cắt gọt kim loại có mấy loại cơ bản là tiện, phay, khoan – doa, bào, mài. Năm công nghệ được phân biệt nhau bởi 2 chuyển động: chuyển động chính và chuyển động ăn dao. Trong đó: - Chuyển động chính là chuyển động tạo ra lực cắt. - Chuyển động ăn dao là chuyển động cắt tạo ra phoi. Hình 1.1: Các dạng gia công trên máy cắt kim loại a) Tiện. b) Khoan. c) Phay. d) Mài. e) Bào Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 4 - - Gia công trên máy tiện (a): chi tiết quay tròn, dao chuyển động tịnh tiến. - Gia công trên máy khoan (b): chi tiết đứng yên, dao chuyển động quay tròn. - Gia công trên máy phay (c): chi tiết chuyển động tịnh tiến, dao chuyển động quay tròn. - Gia công mài (d): chi tiết chuyển động quay tròn, dao chuyển động quay tròn. - Gia công bào (e): chi tiết chuyển động tịnh tiến, dao chuyển động tịnh tiến. Sau đây, sẽ chỉ đi sâu giới thiệu công nghệ mài tròn. 1.2. Giới thiệu công nghệ gia công mài tròn: Hình 1.2: Hình dạng chung của máy mài. Mài tròn có hai loại: mài tròn trong và mài tròn ngoài. Trên máy mài tròn, chuyển động chính là chuyển động quay của đá mài; chuyển động ăn dao là chuyển động tịnh tiến của ụ đá dọc trục (ăn dao dọc trục) hoặc di chuyển tịnh tiến theo hướng ngang (ăn dao ngang trục) hoặc chuyển động quay của chi tiết (ăn dao vòng). Chuyển động phụ là di chuyển nhanh ụ đá hoặc chi tiết. Hình 1.3: Mài tròn ngoài Hình 1.4: Mài tròn trong Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 5 - Có 2 phương pháp mài cơ bản: mài chạy dao dọc và mài chạy dao ngang: - Mài chạy dao dọc: chuyển động chạy dao hướng kính chỉ được thực hiện ở cuối hành trình sang trái hoặc sang phải sau một hành trình kép của bàn máy mang chi tiết Hình 1.5: Mài chạy dao dọc - Mài chạy dao ngang: là phương pháp có lượng chạy dao ngang, dùng để mài tròn các chi tiết có chiều dài ngắn hơn chiều rộng của đá Hình 1.6: Mài chạy dao ngang mài. Có hai chế độ mài: mài thô và mài tinh. Khi mài thô, làm thế nào trong thời gian ngắn nhất gọt được nhiều lớp kim loại thừa còn yêu cầu đối với chất lượng mặt ngoài và độ chính xác gia công thì tương đối thấp. Khi mài tinh, chiều sâu cắt rất nhỏ; khi mài hết lớp kim loại thừa trên vật gia công, không được dùng bước tiến ngang mà cứ tiếp tục mài cho đến khi không còn phát ra tia lửa mới thôi. Mài làm tăng độ bóng, độ chính xác (độ bóng đạt cấp 8 – 10, độ chính xác đạt đến cấp 2). Mài cũng có thể cắt được các loại thép tôi cứng các loại thép dụng cụ mà các gia công khác không làm được. 2. Phân tích đặc điểm, yêu cầu truyền động Ở đây chỉ phân tích yêu cầu truyền động cho truyền động quay chi tiết mài. Rõ ràng, việc gia công phải được thực hiện với những chi tiết khác nhau, tức là có các chế độ cắt khác nhau. Các chế độ cắt khác nhau được thực hiện bằng cách điều chỉnh tốc độ truyền động chính và truyền động ăn dao. Khi giải quyết vấn đề này, ta cần phải quan tâm đến các chỉ tiêu: phạm vi điều chỉnh tốc độ, độ trơn điều chỉnh, điều kiện phụ tải, chế độ làm việc, độ ổn định tốc độ và tính kinh tế của hệ thống truyền động. Sau đây sẽ lần lượt đề cập đến các yếu tố đó: - Phạm vi điều chỉnh tốc độ: trong máy mài tròn, dải điều chỉnh tốc độ được tính bởi tỉ số giữa tốc độ quay lớn nhất và tốc độ quay nhỏ nhất. Thường, các máy mài điều tốc theo cấp bằng cách điều chỉnh số đôi cực nên dải điều chỉnh bé. Có thể mở rộng dải điều chỉnh bằng Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 6 - cách dùng bộ biến tần để điều chỉnh trơn tốc độ cho động cơ quay chi tiết. Phạm vi điều tốc càng rộng càng có nhiều chế độ gia công. - Độ trơn điều chỉnh: như đã nói ở trên, độ trơn điều chỉnh phụ thuộc cách điều tốc cho truyền động ăn dao. Điều chỉnh càng trơn thì chất lượng bề mặt gia công càng tốt. - Điều kiện phụ tải: Đặc tính cơ phụ tải được cho bởi phương trình: () x đm cođmcoc MMMM ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ −+= ω ω . Trong đó:  M đm : Momen định mức của động cơ.  M co : Momen cản ở ω = 0 Æ động cơ không chuyển động.  ω đm : Tốc độ định mức của động cơ.  ω: Tốc độ đang xét.  x: Đặc trưng cho tải: x = 0 ứng với chuyển động ăn dao; x = -1 ứng với chuyển động chính. Như vậy, nói riêng trong truyền động ăn dao – truyền động quay tròn cho chi tiết, x = 0; suy ra phương trình đặc tính cơ trở thành: M c = M đm = const Từ đó, ta thấy nói chung momen tải là không đổi. Tuy nhiên, trong vùng tốc độ thấp, lượng ăn dao nhỏ, lực cắt bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn. Trong vùng này, tốc độ ăn dao giảm làm cho lực ăn dao và momen cũng giảm theo. Vùng tốc độ cao thì bị giới hạn bởi công suất của động cơ truyền động nên tại đó, momen cũng phải giảm để không làm công suất của truyền động quá lớn. Tóm lại, ta có đặc tính cơ phụ tải truyền động quay chi tiết như sau: Hình 1.7: Đặc tính cơ phụ tải của truyền động quay chi tiết. Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 7 - Như vậy, nhiệm vụ của truyền động động cơ là phải làm đặc tính điều chỉnh của nó giống đặc tính cơ của máy cắt. - Chế độ làm việc: Khi gia công mài, chi tiết quay liên tục còn đá mài di chuyển trên bề mặt vùng cần gia công. Do đó, chế độ làm việc của truyền động ăn dao là chế độ làm việc dài hạn và không yêu cầu đảo chiều. - Chế độ tải: Khi hệ thống làm việc, chi tiết được lắp trên trục của tang trống và quay với vận tốc tỉ lệ với tốc độ của trục động cơ. Do đó, động cơ mang tải ngay từ đầu. Do chế độ gia công khác nhau, các chi tiết khác nhau, nên không qui đổi momen quán tính của chi tiết về trục động cơ mà coi chi tiết như một tải có sẵn trên trục động cơ. - Độ ổn định tốc độ: Rõ ràng, tốc độ quay càng ổn định thì chất lượng gia công càng cao, bề mặt mài càng nhẵn, bóng. Yêu cầu đối với truyền động ăn dao máy mài: Δω% ≤ (5÷10)% - Tính kinh tế: Thiết bị cho hệ truyền động phải rẻ, nhưng vẫn đủ cung cấp hiệu quả cao nhất cho hệ. Đồng thời, thiết bị phải dễ kiếm và hoạt động tin cậy trong chế độ dài hạn. Đến đây, ta sẽ tạm tổng kết chương 1 để rút ra yêu cầu cụ thể cho việc thiết kế hệ thống điều khiển động cơ truyền động cho chi tiết. Căn cứ vào yêu cầu đề ra, ta phải thiết kế hệ thống đạt được những yêu cầu sau: - Dải điều chỉnh tốc độ: D = ω max : ω min = 480 : 48 = 10 : 1. - Điều chỉnh vô cấp tốc độ, không yêu cầu đảo chiều. - Điều chỉnh giữ mômen không đổi và bám theo momen tải. - Điều chỉnh giữ ổn định tốc độ. - Làm việc dài hạn, tin cậy. - Giá thành hạ. Phần sau sẽ đi sâu vào thực hiện kỹ thuật cho yêu cầu đề ra. Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 8 - CHƯƠNG 2: TÍNH CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG 1. Chọn phương án truyền động Như trên đã nói, chuyển động quay của chi tiết mài chính là chuyển động ăn dao. Đối với máy mài tròn, ở các máy cỡ nhỏ, truyền động quay chi tiết (truyền động ăn dao) thường dùng động cơ không đồng bộ nhiều cấp tốc độ, điều tốc bằng cách điều chỉnh số đôi cực. Ở các máy lớn thì dùng hệ thống bộ biến đổi - động cơ một chiều/động cơ đồng bộ. Công suất mà đề bài yêu cầu là nhỏ, do đó ở đây sẽ dùng động cơ không đồng bộ ba pha rotor lồng sóc để truyền động quay chi tiết. Trước đây, động cơ điện một chiều thường được ưa chuộng hơn, kể cả trong dải công suất nhỏ vì tính điều chính đơn giản và tuyến tính của nó. Tuy nhiên, ngày nay, công nghệ điện tử và vi điều khiển phát triển mạnh mẽ, việc điều khiển động cơ không đồng bộ không còn là khó khăn nữa, hơn nữa động cơ không đồng bộ ba pha lồng sóc rẻ hơn động cơ một chiều cùng công suất nhiều và rất phổ biến trên thị trường với dải công suất rộng, do đó, hoàn toàn phù hợp cho ứng dụng của chúng ta. Do yêu cầu điều chỉnh trơn tốc độ nên ta dùng bộ biến tần để cấp nguồn cho động cơ. Hơn nữa, việc dùng biến tần cho ta dễ dàng mở rộng dải điều chỉnh, dễ dàng áp đặt các kỹ thuật điều khiển hiện đại, áp đặt nhanh và chính xác momen, điều chỉnh trơn và ổn định tốc độ. Ngoài ra, biến tần hoạt động tin cậy và chắc chắn, dễ dàng cài đặt tham số điều khiển, có thể dùng 1 biến tần cho nhiều loại truyền động. Do đó, việc sử dụng biến tần đã trở thành một chuẩn công nghiệp. Có nhiều hãng lớn sản xuất biến tần rất nổi tiếng như ABB, Siemens, … với các sản phẩm rất nổi tiếng trên thị trường, tuy nhiên ở đây, ta sẽ thiết kế lại bộ biến tần để phục vụ cho bài toán yêu cầu mà không sử dụng biến tần sẵn có. Biến tần có 2 loại: biến tần trực tiếp và biến tần gián tiếp phân biệt nhau bởi khâu trung gian một chiều giữa bộ chỉnh lưu và bộ nghịch lưu. Sau đây sẽ phân tích ưu nhược điểm của từng loại để chọn ra loại biến tần thích hợp nhất với ứng dụng của ta. 1.1.Biến tần trực tiếp (Cycloconverter) Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 9 - Hình 2.1: Biến tần trực tiếp sơ đồ tia 3 pha. Ưu điểm: - Mạch chỉ cần dùng van Tiristor thông thường, quá trình chuyển mạch theo điện áp lưới. - Bộ biến tần không sử dụng khâu trung gian một chiều nên hiệu suất rất cao. - Có khả năng làm việc ở tần số thấp thậm chí ngay cả khi có sự cố. - Thường sử dụng cho dải công suất rất lớn đến vài chục MW. Nhược điểm: - Sử dụng nhiều van bán dẫn làm cho mạch điều khiển rất phức tạp. - Hệ số công suất thấp. Tóm lại, với ứng dụng là hệ truyền động cho máy mài, ta không dùng loại biến tần này. 1.2.Biến tần gián tiếp: Biến tần gián tiếp khác biến tần trực tiếp ở chỗ nó có khâu trung gian một chiều. Nhờ có khâu trung gian một chiều này mà khâu chỉnh lưu và khâu nghịch lưu là cách ly nhau và điều chỉnh độc lập với nhau. Tần số đầu ra nhờ đó có thể được điều chỉnh mà không phụ thuộc tần số đầu vào. Tùy thuộc vào khâu trung gian một chiều mà phân ra thành biến tần nguồn dòng và biến tần nguồn áp. 1.1.1. Biến tần nguồn dòng Nguyễn Duy Đỉnh – TĐH3 – K49 - 10 - Hình 2.2: Biến tần nguồn dòng Khâu trung gian một chiều là cuộn kháng L f , thực hiện chức năng nguồn dòng cho bộ nghịch lưu. Ưu điểm: - Có khả năng trả năng lượng về lưới. - Không sợ chế độ ngắn mạch vì dòng điện một chiều được giữ không đổi. - Phù hợp cho dải công suất lớn trên 100 kW Nhược điểm: - Hiệu suất kém ở dải công suất nhỏ. - Cồng kềnh vì có cuộn kháng. - Hệ số công suất thấp và phụ thuộc vào phụ tải nhất là khi tải nhỏ. Do đó, với ứng dụng máy mài với tải chỉ vào khoảng 2,2kW của ta, biến tần nguồn dòng rõ ràng là không phù hợp. 1.1.2. Biến tần nguồn áp: Hình 2.3: Biến tần nguồn áp. . được lắp trên trục của tang trống và quay với vận tốc tỉ lệ với tốc độ của trục động cơ. Do đó, động cơ mang tải ngay từ đầu. Do chế độ gia công khác nhau,. số, do đó, không bị ảnh hưởng bởi sai lệch do tham số của động cơ như các phương pháp khác. - Không phải thực hiện phép quay tọa độ do đó, thời gian tính