Thiết kế trang bị điện - điện tử điều khiển cho máy hàn tự động

MỤC LỤC Mục lục………………………………………………………………………….1 Lời giới thiệu……………………………………………………………………3 Chương 1. Tổng quan về công nghệ hàn điện 1.1.Lịch sử phát triển của ngành hàn 1.1.1. Lịch sử phát triển của ngành hàn trên thế giới 4 1.1.2. Lịch sử phát triển ngành hàn của Việt Nam 4 1.2. Phân loại các phương pháp hàn hiện nay 1.2.1. Phân loại theo dạng năng lượng sử dụng .5 1.2.2. Phân loại theo trạng thái kim loại ở thời điểm hàn .5 1.2.3. Phân loại các liên kết hàn .5 1.3. Bản chất, đặc điểm và ứng dụng của hàn kim loại 1.3.1. Bản chất .6 1.3.2. Đặc điểm 6 1.3.3. Ứng dụng 7 Chương 2. Thiết kế trang bị điện - điện tử điều khiển cho máy hàn tự động 2.1. Khái niệm chung về hàn tự động 2.1.1. Khái niệm .8 2.1.2. Đặc điểm 8 2.1.3. Phân loại 8 2.2. Hàn tự động và bán tự động dưới thuốc 2.2.1. Phạm vi ứng dụng .9 2.2.2. Công nghệ hàn hồ quang dưới thuốc .9 2.3. Các yêu cầu chung với nguồn hàn hồ quang 12 2.4. Hệ số tiếp điện của nguồn hàn 12 2.5. Máy hàn hồ quang tự động .14 2.5.1. Hệ truyền động dịch điện cực dùng máy phát- động cơ 15 2.5.2. Hệ truyền động dịch điện cực dùng hệ bộ biến đổi T-Đ .16 2.6.Truyền động trong hệ thống truyền động vị trí các trục máy hàn tự động 2.6.1. Động cơ thực hiện truyền động máy hàn tự động .17 2.6.2. Bộ biến đổi ………………………………………………… .21 2.6.3. Các cảm biến .21 2.7. Các bộ điều chỉnh sử dụng trong máy hàn tự động 1 2.7.1. Bộ điều chỉnh tỷ lệ (P) .25 2.7.2. Bộ điều chỉnh tích phân (I)……………………………………26 2.7.3. Bộ điều chỉnh vi phân (D)…………………………………….26 2.7.4. Bộ điều chỉnh tích phân tỷ lệ (PI)…………………………….26 2.7.5. Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi phân (PD)…………………………… .27 2.7.6. Bộ điều chỉnh tỷ lệ vi tích phân (PID)……………………… 28 2.8. Mô phỏng hệ thống truyền động điện máy hàn bằng máy tính 2.8.1. Tổng hợp mạch vòng của hệ thống dưới dạng hàm truyền .28 2.8.4. Chương trình nội suy hai trục toạ độ trong hệ toạ độ phẳng .38 Chương 3. Chương trình điều khiển máy hàn tự động trong hệ toạ độ phẳng 3.1. Thiết kế phần cứng 3.1.1. Trình tự thiết kế mộ hệ thống tự động điều khiển 43 3.1.2. Cấu trúc phần cứng……………………………………………43 3.2. Thiết kế phần mềm 3.2.1. Chương trình trong Visual Basic ……………………………47 3.2.2. Chạy thử chương trình……………………………………… 49 Kết luận 51 Tài liệu tham khảo .52 2 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN ĐIỆN 1.1. Khái niệm chung về máy hàn điện Hiện nay hàn điện là một công nghệ được dùng rộng rãi trong công nghiệp, trong xây dựng và trong công nghiệp chế tạo máy *Ưu điểm của máy hàn điện : - Tiết kiệm được nguyên vật liệu so với các phương pháp gia công khác (so với tán đinh 5÷10%; so với phương pháp đúc 40%) - Có độ bền cơ khí cao, chất lượng mối hàn tốt - Giá thành hạ, năng suất cao - Công nghệ hàn đơn giản - Cải thiện được điều kiện làm việc cho công nhân và dễ tự động hoá 1.1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện Phân loại một cách tổng quan về máy hàn điện như sau: Hình 1.1. Phân loại các phương pháp hàn điện 1.1.2. Các yêu cầu chung đối với nguồn hàn hồ quang 3 Hàn điện Hàn hồ quang Hàn tiếp xúc Hàn tay Hàn tự động Hàn nối Hàn đường Dưới lớp trợ dung Trong ga bảo vệ Một điểm hai mặt Hai điểm một mặt * Điện áp không tải đủ lớn để mồi hồ quang Khi nguồn hàn là một chiều với điện cực là : - Kim loại: U omin = (30÷40)V - Điện cực than U omin = (45÷55)V Khi nguồn hàn là xoay chiều : U omin = (50÷60)V * Đảm bảo an toàn lúc làm việc ở chế độ làm việc cũng như ở chế độ ngắn mạch làm việc. Bội số dòng điện ngắn mạch không được quá lớn 4,12,1 . ÷== dm mn I I I λ (1-1) Trong đó : I λ : Bội số dòng điện ngắn mạch I n.m : Dòng điện ngắn mạch [ ] A I dm : Dòng điện hàn định mức [ ] A * Nguồn hàn phải có công suất đủ lớn * Nguồn hàn phải có khả năng điều chỉnh được dòng hàn, vì như ta đã biết dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn. Dòng điện hàn được tính theo biểu thức sau : I h =(40÷60).d (1-2) Trong đó : I h : Dòng điện hàn [ ] A d : Đường kính que hàn [ ] mm * Đường đặc tính ngoài (hay còn gọi là đường đặc tính Vôn-Ampe) của nguồn hàn đáp ứng theo từng loại phương pháp hàn - Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang bằng tay phải có đường đặc tính ngoài dốc - Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động có đường đặc tính ngoài cứng 1.1.3. Hệ số tiếp điểm của nguồn hàn 4 Máy hàn là một thiết bị làm việc ở chế độ ngắn hạn lặp lại. Thời gian làm việc dài nhất của máy hàn là thời gian hết một que hàn (ζ 1 ). Thời gian nghỉ ngắn nhất là thời gian đủ để thay que hàn và mối được hàn hồ quang (ζ 2 ) Đối với nguồn hàn dùng cho máy hàn hồ quang tự động, thời gian làm việc dài nhất là thời gian hết một lô điện cực trên máy, còn thời gian nghỉ ngắn nhất là thời gian đủ để thay lô điện cực hàn và mồi được hồ quang Nguồn hàn hồ quang có tuổi thọ làm việc cao khi thoả mãn điều kiện Q 1 = Q 2 (1-3) Trong đó : Q 1 = 0,24I 2 Rζ 1 : Nhiệt lượng toả ra khi hàn với thời gian là ζ 1 Q 2 = k(ζ 1 +ζ 2 ) : Nhiệt lượng toả ra môi trường xung quanh trong một chu kì làm việc T ck = ζ 1 +ζ 2 k : Hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt của nguồn hàn Tính một cách gần đúng có thể coi hệ số k hầu như không đổi k = const. Từ biểu thức (1-3) ta có : 0,24I 2 Rζ 1 = k(ζ 1 +ζ 2 ) (1-4) == + R k I 24,0 21 1 2 ζζ ζ const (1-5) Trong đó : Tỉ số 21 1 ζζ ζ + được biểu diễn bằng hệ số TĐ% là hệ số tiếp điện tương đối của nguồn hàn hồ quang TĐ% = 21 1 ζζ ζ + . 100% (1-6) Vậy (1-5) trở thành : I 2 TĐ% = const (1-7) Do đó khi làm việc với chế độ ghi trên nhãn của nguồn hàn thì phải tính lại dòng điện hàn ứng với hệ số tiếp điện của nguồn hàn. Ví dụ : Trên nhãn nguồn hàn ghi chỉ số sau : I dm = 300A ; TĐ% = 70% Nếu cần dùng đối với I = 450A thì TĐ% là : I 2 TĐ% = I 2 TĐ%đm Vậy TĐ% = 70% %31 450 300 2 =       5 1.2. Các nguồn hàn hồ quang 1.2.1. Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều Nguồn hàn hồ quang thường dùng biến áp hàn vì có những ưu điểm nổi bật sau: - Dễ chế tạo, giá thành hạ - Có thể tạo ra dòng điện lớn Biến áp hàn phổ biến là biến áp hàn một pha, có khi là ba pha. Thông thường máy biến áp hàn ba pha dùng cho nhiều đầu hàn. Về cấu tạo, máy biến áp hàn thường chế tạo theo hai kiểu : + Máy biến áp hàn với từ thông tản bình thường : nó được chế tạo như hai thiết bị riêng lẻ, lắp ráp trong một vỏ hộp chung, gồm một biến áp hàn một cuộn kháng + Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường, được chế tạo theo các kiểu sau : - Có cuộn thứ cấp di động - Có sơn từ - Điều chỉnh theo cấp 1. Biến áp có cuộn kháng Biến áp hàn loại này, ngoài lõi thép chính của máy biến áp còn có một cơ cấu phụ gọi là cuộn kháng ngoài Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn có cuộn kháng ngoài Thay đổi khe hở trong mạch từ của cuộn kháng ngoài, có thể nhận được họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn 6 a W ck W 2 W 1 - Khi không tải : U 0 = U 2 (1-8) Trong đó : U 0 : Điện áp không tải [ ] V U 2 : Điện áp thứ cấp của máy biến áp [ ] V - Khi có tải : U 2 = U hq + U ck (1-9) Trong đó : U hq : Điện áp xoay chiều U ck : Điện áp rơi trên cuộn kháng U ck = I 2 .r ck + j.I 2 .x ck ≈ ω.L.I 2 (1-10) Vì r ck rất nhỏ nên có thể bỏ qua. Trong đó r ck là điện trở thuần của cuộn kháng, x ck là điện kháng của cuộn kháng. Trong quá trình làm việc, I 2 tăng làm cho U ck cũng tăng, điện áp hồ quang U hq giảm. Khi dòng I 2 tăng đến giá trị số I 2 =I n.m (I n.m : Dòng điện ngắn mạch) thì điện áp hồ quang bằng không (U hq =0) Khi đó : I 2 = I n.m = L U ω 2 (1-11) Như ta đã biết, từ trở mạch từ R m tỉ lệ nghịch với điện cảm L. Do vậy khi tăng khe hở mạch từ a, từ trở mạch từ R m tăng, điện cảm L giảm và dòng điện ngắn mạch I n.m tăng lên. Với cách lập luận trên ta có được họ đặc tính ngoài trên hình 1-3 Hình 1.3. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn có cuộn kháng 2. Biến áp hàn kiểu hỗn hợp 7 U U 0 a 3 a 2 a 1 I I nm3 I nm2 I nm1 a 1 < a 2 < a 3 Loại máy biến áp này, mạch từ của cuộn kháng có quan hệ trực tiếp với mạch từ chính Hình 1.4. Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp Điều chỉnh khe hở mạch từ a, ta nhận đựơc họ đặc tính ngoài như hình 1.4 - Khi không tải : U 0 = U 2 + U ck (1-12) Khi thay đổi khe hở mạch từ a, U ck thay đổi nên U 0 cũng thay đổi (U 0 =var) - Khi có tải, điện áp rơi trên cuộn kháng và cuộn thứ cấp của máy hàn bằng U r = I 2 (x 2 + x ck ) (1-13) Điện áp hồ quang bằng : U hq = U 2 + U ck – U r = U 2 + U ck – I 2 (x 2 + x ck ) (1-14) Khi dòng điện I 2 tăng đến trị số I 2 = I nm thì điện áp hồ quang bằng không (U hq = 0). Lúc này dòng điện ngắn mạch bằng : I nm = ck ck xx UU + + 2 2 (1-15) Tương ứng với các trị số khác nhau của khe hở mạch từ a, ta nhận được họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn như hình 1.5 8 a W ck W 2 W 1 Hình 1.5. Họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp 3. Máy biến áp hàn có shunt từ Hình 1.6. Máy biến áp hàn có shunt từ Shunt từ 4 được được lắp giữa cuộn dây sơ cấp và thứ cấp của máy biến áp hàn. Shunt từ có thể di chuyển vào hoặc kéo ra khỏi hai cuộn dây. Bằng cách di chuyển shunt từ ta có thể tạo ra họ đặc tính ngoài của máy biến áp hàn 1.2.2. Các nguồn hàn hồ quang một chiều Nguồn hàn hồ quang một chiều được dùng làm nguồn hàn cho máy hàn hồ quang tự động, bán tự động và hàn hồ quang bằng tay. Nguồn hàn hồ quang môt chiều có hai loại : - Bộ biến đổi quay (máy phát hàn một chiều) - Bộ biến đổi tĩnh ( bộ chỉnh lưu) Máy phát hàn một chiều được chia ra các loại như trên sơ đồ hình 1-7 Tuỳ thuộc vào kết cấu, cấu tạo của máy phát hàn một chiều sẽ có họ đặc 9 a 3 a 2 a 1 I I nm3 I nm2 I nm1 a 1 < a 2 < a 3 U U 01 U 02 U 03 3 1 4 2 1. Mạch từ 2. Cuộn sơ cấp 3. Cuộn thứ cấp 4. Shunt từ tính ngoài dốc, cứng hoặc hỗn hợp Máy phát hàn một chiều được sử dụng rộng rãi nhất là loại máy phát hàn một chiều có đường đặc tính ngoài dốc được chế tạo theo ba kiểu chính sau : 1) Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp 2) Máy phát hàn một chiều kích từ song song có cuộn khử từ nối tiếp 3) Máy phát hàn một chiều có cực từ rẽ Hình 1.7. Phân loại máy phát hàn điện một chiều 1. Máy phát hàn một chiều a. Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp (hình 1.8) Hình 1.8. Máy phát hàn một chiều kích từ độc lập có cuọon khử từ nối tiếp Máy phát hàn loại này có hai cuộn kích từ : cuộn kích từ độc lập W 1 được cấp điện từ nguồn một chiều độc lập có điều chỉnh dòng kích từ bằng chiết áp VR và cuộn khử từ nối tiếp W 2 đấu nối tiếp với phần ứng của máy phát. Từ thông Φ 1 sinh ra trong cuộn W 1 ngược chiều với từ thông Φ 2 sinh ra trong cuộn W 2 . Từ thông Φ 2 tỉ lệ với dòng điện hàn 10 Máy phát hàn một chiều Nhiều dầu hàn Đặt cố định Truyền động bằng động cơ điện Di động Lắp trong một vỏ Kích từ song song Kích từ độc lập Lắp trong hai vỏ Một dầu hàn Truyền động bằng động cơ đốt trong CM VR U W 2 W 1 1 2 F . mã hoá nhị phân hình (H.3.7) Mã nhị phân B1 B2 B3 0 0 0 0 1 0 0 1 2 0 1 0 3 0 1 1 4 1 0 0 5 1 0 1 6 1 1 0 7 1 1 1 Xét về mặt lí thuyết cảm biến tốc độ chính. biểu thức (1- 3) ta có : 0,24I 2 Rζ 1 = k(ζ 1 +ζ 2 ) (1- 4) == + R k I 24,0 21 1 2 ζζ ζ const (1- 5) Trong đó : Tỉ số 21 1 ζζ ζ + được biểu diễn bằng hệ số