Thiết kế mạch điều khiển

4. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

2.2. Thiết kế mạch điều khiển

2.2.1. Phân tích chọn loại động cơ a. Các chỉ tiêu khi chọn động cơ

* Chỉ tiêu kỹ thuật

- Động cơ đƣợc chọn phải thích ứng với môi trƣờng làm việc:

Tuỳ theo môi trƣờng: Khô - ƣớt, sạch - bẩn, nóng - lạnh, hoá chất ăn mòn, dễ nổ, ... mà chọn các động cơ kiểu: Hở - kín, chống nƣớc, chống hoá chất, chống nổ, nhiệt đới hoá...

- Động cơ đƣợc chọn phải thoả mãn điều kiện phát nóng khi làm việc b ình thƣờng cũng nhƣ khi quá tải (đây là điều kiện cơ bản).

- Động cơ đƣợc chọn phải đảm bảo tốc độ yêu cầu: Tốc độ định mức, có điều chỉnh tốc độ hay không, phạm vi điều chỉnh tốc độ, điều chỉnh trơn hay điều chỉnh có cấp. - Chọn loại động cơ thông dụng hay động cơ có điều chỉnh tốc độ. Chọn loại động cơ xoay chiều hay động cơ một chiều ...

Người vẽ Kiểm tra

Nguyễn Hải Duy

Trường Đại học bách khoa Hà Nội

CƠ CẤU DẪN HƯỚNG DÂY HÀN

1:1 Bùi Văn Hạnh

ĐỒNG

Bu lông

- Động cơ đƣợc chọn phải đảm bảo khởi động, hãm, đảo chiều tốt.

* Chỉ tiêu kinh tế

- Động cơ đƣợc chọn phải làm việc với hiệu suất kinh tế cao, vốn đầu tƣ bé, chi phí vận hành ít, bảo quản và sửa chữa thấp, sử dụng hết công suất...

b. Một số động cơ sử dụng hiện nay

* Động cơ một chiều

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 2.4: Sơ đồ cấu tạo của động cơ 1 chiều 1. Rotor 2. Stator

Sơ đồ cấu tạo của động cơ một chiều nhƣ hình 2.4, stator của động cơ một chiều thƣờng là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hay nam châm điện. Rotor có các cuộn dây cuốn và đƣợc nối với nguồn điện một chiều, một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lƣu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thƣờng bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và có một chổi than tiếp xúc cổ góp.

- Ưu, nhược điểm của động cơ một chiều:

+ Mô men mở máy lớn do vậy kéo đƣợc tải nặng. + Điều chỉnh tốc độ đơn giản.

+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.

+ Khoảng nhảy cấp độ nhỏ phù hợp với hệ thống điều khiển cần thay đổi mịn tốc độ.

+ Giá thành đầu tƣ không cao lắm.

Bên cạnh những ƣu điểm nổi bật trên thì động cơ mini một chiều cũng còn tồn tại một số nhƣợc điểm sau:

+ Động cơ diện một chiều có bộ phận cổ góp nên khi hoạt động dễ sinh tia lửa điện nên phải lƣu ý môi trƣờng dễ cháy nổ.

+ Thƣờng xuyên phải bảo dƣỡng bộ phận này nếu tải nặng. * Động cơ xoay chiều (1 pha)

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 2.5: Sơ đồ cấu tạo của động cơ xoay chiều

Sơ đồ cấu tạo của động cơ xoay chiều nhƣ hình 2.5, động cơ gồm có hai phần chính là stator và rotor. Stator gồm các cuộn dây của ba pha điện quấn trên các lõi sắt bố trí trên một vành tròn để tạo ra từ trƣờng quay.

Khi mắc động cơ vào mạng điện xoay chiều, từ trƣờng quay do stator gây ra làm cho rotor quay trên trục. Chuyển động quay của rotor đƣợc trục máy truyền ra ngoài và đƣợc sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.

- Ưu nhược điểm của động cơ xoay chiều:

+ Có cấu tạo đơn giản hoạt động tin cậy.

+ Không có bộ phận cổ góp nên không phát sinh tia lửa điện. + Giá thành đầu tƣ ban đầu thấp, khi vận hành ít phải bảo dƣỡng. + Khó điều chỉnh tốc độ.

+ Muốn điều chỉnh tốc độ chính xác phải có bộ phận biến tần.

Phần cảm (Rotor) Phần ứng (Stator)

* Động cơ servo

- Sơ đồ cấu tạo:

Hình 2.6: Động cơ servo

Sơ đồ cấu tạo của động cơ servo nhƣ hình 2.6, động cơ servo đƣợc thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Tín hiệu ra của động cơ đƣợc nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ đƣợc hồi tiếp về mạch điều khiển này.

Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chƣa đạt đƣợc vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt đƣợc điểm chính xác.

Động cơ servo có nhiều kiểu dáng và kích thƣớc, đƣợc sử dụng trong nhiều máy khác nhau, từ máy tiện điều khiển bằng máy tính cho đến các mô hình máy bay và xe hơi. Ứng dụng mới nhất của động cơ servo là trong các robot, cùng loại với các động cơ dùng trong mô hình máy bay và xe hơi.

- Ưu nhược điểm của động cơ servo:

+ Nếu đặt tải vào động cơ tăng, bộ điều khiển sẽ tăng dòng tới cuộn dây giúp động cơ tiếp tục quay tránh đƣợc hiện tƣợng trƣợt bƣớc.

+ Hoạt động đƣợc ở tốc độ cao. + Nhiễu và rung động ít.

+ Khi dừng lại động cơ servo thƣờng dao động tại vị trí dừng nên gây ra hiện tƣợng rung, lắc và giá thành đầu tƣ ban đầu cao.

+ Mạch driver phức tạp, thƣờng phải đặt mua của nhà sản xuất nên phụ thuộc.

Từ những ưu, nhược điểm đã phân tích ở trên tác giả thấy động cơ một chiều là phù hợp nhất để sử dụng cho cơ cấu cấp dây tự động của mỏ hàn TIG.

Tác giả chọn loại động cơ một chiều 24V, dòng 7,6A, công suất 110W. Đây là loại động cơ đang đƣợc sử dụng khá rộng rãi trên thị trƣờng.

Để điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều ngƣời ta thƣờng dùng phƣơng pháp điều khiển độ rộng xung PWM (Pulse Width Modulation).

Phƣơng pháp điều xung PWM là phƣơng pháp điều chỉnh điện áp ra tải, hay nói cách khác, là phƣơng pháp điều chế dựa trên sự thay đổi độ rộng của chuỗi xung vuông, dẫn đến sự thay đổi điện áp ra.

Các PWM khi biến đổi thì có cùng 1 tần số và khác nhau về độ rộng của sƣờn dƣơng hay sƣờn âm.

PWM đƣợc ứng dụng nhiều trong điều khiển. Điển hình nhất mà chúng ta thƣờng hay gặp là điều khiển động cơ và các bộ xung áp, điều áp... Sử dụng PWM điều khiển độ nhanh chậm của động cơ hay cao hơn nữa, nó còn đƣợc dùng để điều khiển sự ổn định tốc độ động cơ.

c. Chọn nguồn điện cấp cho động cơ

Do các linh kiện điện tử mà ta sử dụng đều có giá trị định mức là 24VDC - 2A, nên ta chọn nguồn điện cấp cho động cơ nhƣ hình 1.27 với các thông số sau: AC Input : 110/220v ± 15%

DC Output: 24V - 2A

Hình 2.7: Nguồn điện DC 24V

Có chức năng biến đổi dòng xoay chiều 220V thành dòng một chiều 24V- 2A. Nguồn dùng để cấp cho rơ le điều chỉnh tốc độ và động cơ một chiều (DC).

2.2.2. Thiết kế mạch điều khiển

Sau đây cùng set 1 vài mạch điều khiển động cơ DC. Để điều khiển điện áp phần ứng thƣờng hay sử dụng nhất là phƣơng pháp điều chế độ rộng xung (PWM).

* Nguyên lý cơ bản của mạch cầu H (trên hình 2.8):

Hình 2.8: Nguyên lý của mạch cầu H

- Khi L₁ và R₂ cùng dẫn trong khi R₁ và L₂ khóa thì dòng điện đi theo chiều từ dƣơng nguồn qua L₁ qua đối tƣợng ở đây là động cơ qua R₂ xuống GND nhƣ vậy động cơ chạy theo chiều từ A sang B.

- Khi R₁ và L₂ dẫn và L₁ và R₂ khóa thì dòng điện chạy theo chiều mũi tên xanh trong hình b động cơ quay theo chiều từ B sang A.

- Đối với mạch cầu H thì điều nghiêm cấm L₁ và L₂ cùng dẫn hoặc R₁ và R₂ cùng dẫn. Giả xử L1 và L₂ cùng dẫn 1 lúc thì dòng điện từ dƣơng nguồn qua L₁ qua L₂ về GND mà điện trở L₁ và L₂ rất nhỏ chính vì vậy dòng điện vô cùng lớn sẽ gây hỏng mạch hoặc phá hỏng L₁ hoặc L₂ hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiện tƣợng trùng dẫn. Để đề phòng hiện tƣợng này có 1 số loại IC chuyên dụng nhƣ IR2184, IR2103... hoặc nếu sử dụng L298 thì bản thân IC đã phòng chống đƣợc hiện tƣợng trùng dẫn rồi.

- Nguyên lý hoạt động của IR2184 thể hiện trên hình 2.9:

IR2184 U4 điều khiển mosfet Q₁ và Q₂, U₅ điều khiển Q₃ và Q₄. Nguyên tắc hoạt động giống nhƣ nguyên tắc hoạt động chung của mạch cầu H. Chỉ xét trƣờng hợp hãm, giả sử khi hãm động cơ Q₁ dẫn còn Q₂ ,Q₃ và Q₄ khóa. Khi hãm thì động cơ trở thành máy phát, dòng điện do động cơ sinh ra chạy từ động cơ qua diode của Q₂ (vì Q₂ là mosfet nên có 1 con diode) về dƣơng nguồn qua Q₁ trở lại động cơ.

Hình 2.9: Nguyên lý hoạt động của IR2184

Chính hiện tƣợng này sẽ làm cho động cơ hãm nhanh hơn nhiều, đó cũng là 1 ƣu điểm của mạch cầu H.

CHƢƠNG 3: TÍCH HỢP HỆ THỐNG HÀN TIG TỰ ĐỘNG CẤP DÂY BẰNG RÔ BỐT

3.1. Lựa chọn thiết bị

3.1.1. Lựa chọn thiết bị hàn TIG [5,6,8]

Trên cơ sở phân tích ở chƣơng 1 tác giả lực chọn thiết bị hàn TIG là máy hàn TIG ACCUTIG 300P - MODEL: AEP 300. Thiết bị chính bao gồm:

- Nguồn hàn (power source). - Bộ cấp dây (wire feeder). - Bộ điều khiển (control unit).

Cụ thể lựa chọn các thiết bị nhƣ sau:

- Nguồn hàn: TIG một chiều (DC TIG welding machine) ACCUTIG 300P thể hiện

trên hình 3.1.

Hình 3.1: Nguồn hàn TIG DC ACCUTIG 300P - Bộ cấp dây: Wire feeder model CMXL-2320 thể hiện trên hình 3.2

Hình 3.2: Bộ cấp dây CMXL-2320 (của hãng OTC DAIHEN).

- Bộ điều khiển cho bộ cấp dây trên hình 3.3:

Hình 3.3: Bộ điều khiển

Sơ đồ mạch điện kết nối các thiết bị hàn trên hình 3.4:

Hình 3.4: Sơ đồ kết nối nguồn hàn-bộ cấp dây- khí bảo vệ.

Sau đây là thông số kỹ thuật của các thiết bị hàn đã chọn :

Bảng 3.1: Bảng thông số kỹ thuật nguồn hàn ACCUTIG-300P

Model AEP – 300

Quy trình hàn ^{TIG Hàn que}

DC AC DC AC

Điện áp vào định mức 380V một pha Phạm vi điện áp vào

định mức ^380V10%

Công suất nguồn định mức 19,9kVA 11,9kW 22,0kVA 12,7kW 21,2kVA 15,0kW 23,8kVA 15,1kW Tần số định mức 50/60 Hz Van điều áp Chai khí trơ Cáp hàn Bộ cấp dây

Nguồn hàn _{Bộ điều khiển từ xa}

Mỏ hàn TIG

Cơ cấu cấp dây hàn

Kim loại cơ bản Kẹp mát

Dòng ra định mức 300A Phạm vi dòng cơ bản,

dòng hàn ^{5~300A 20~300A}

Phạm vi dòng xung 5~300A 20~300A -

Điện áp có tải định mức 22V 32V

Điện áp không tải tối đa 78V Điện áp khởi động ( chỉ

dùng khi hàn TIG DC) ^{100V -}

Chu kỳ định mức 40%

Thời gian thổi khí trƣớc khi hàn

0,3/0,0s

Thời gian thổi khí sau khi hàn

3~20s

Thời gian tăng dòng 0,1~5s

Thời gian giảm dòng 0,1~5s

Phƣơng pháp điền đầy vũng hàn

ON/OFF/REPEAT

Thời gian hàn điểm 0,02~5s

Thời gian xung 0,03~1,.2s

Thời gian cơ bản 0,05~2,5s

Bề rộng làm sạch khi hàn AC

50~70%

Tăng nhiệt độ Biến áp 1600C, điện kháng 1600C, cuộn dây ghép 900

C Phƣơng pháp gây hồ

quang

Phƣơng pháp tần số cao (phát sinh tia lửa điện, kiểu áp đặt mức cao) Hệ thống làm mát tay hàn Làm mát bằng nƣớc/làm mát bằng không khí Trọng lƣợng 176 kg Kích thƣớc bên ngoài (W x D x H)

* Lựa chọn các dụng cụ, thiết bị phụ trợ.

Các thiết bị, phụ tùng kèm theo các thiết bị trên bảng 3.2. Bảng 3.2: Các thiết bị chuẩn kèm theo.

Các phụ tùng tiêu chuẩn cho AEP-

300P Đ.vị AWD-26 AWD-18 Dòng điện cho phép A 200(DC), 160(AC) 300(DC), 260(AC) Chu kỳ tải định mức % 50 100 Phương pháp làm mát Không khí Nƣớc Cỡ điện cực mm (0.5), (1.0), (1.6), (2.0), 2.4, (3.2), (4.0) Chiều dài cáp m 4 or 8 Dải kẹp 2 Hình ảnh Các bộ phận kèm theo cho ACCUTIG-300P (AWD-26) (AWD-18)

Cáp nối nguồn và kim loại cơ bản (3m) BKPDT-3803 Vòi dẫn khí BKGFF-0603 Vòi dẫn nước Cho vòi --- BBDW-3001 Cho bình chứa nước --- BBPU-3002 Ống dẫn dây BHCD-7126 BHCD-7118 Bộ phận kèm theo cho CMXL-2320 Mô tả Số lượng Chú ý Bộ phận K5439B12 Cuộn cấp (0,9-1,0/1,2) (2) Cài đặt sẵn U69B34 Ống dẫn ra (0,9-1,2) 1 U2586G00 Ống dẫn 1 U3567C01 Tấm nhựa lót 1

Với nguồn ACCUTIG-300P, có một số thiết bị có thể lựa chọn nhƣ sau:

 Remote control (điều khiển): Dạng điều khiển tƣơng tự (Analog ) hoặc dạng số

(digital)

- Analog remote contol (Điều khiển tương tự bảng 3.3)

Bảng 3.3: Dạng điều khiển tƣơng tự

Mã số bộ phận

Điều khiển tương tự K504B00

- Digital remote control (Điều khiển số bảng 3.4):

Bảng 3.4: Dạng điều khiển số

Mã số bộ phận

Điều khiển số E-2452

Cáp điều khiển (10m) BKCAN-0410

(20m) BKCAN-0420

Cáp truyền thông K5422800

 Thiết bị tiếp xúc cho mỏ hàn (Bảng 3.5)

Bảng 3.5: Thiết bị tiếp xúc cho mỏ hàn

Kiểu mỏ hàn Mã số bộ phận

Mỏ làm mát bằng khí AW 26 BBAWD 2601

Mỏ làm mát bằng nước AW 18 BBAWD 1801

 Cáp mỏ hàn mở rộng (Torch extension cable bảng 3.6)

Bảng 3.6: Các loại cáp hàn

Kiểu Loại 4m Loại 11m Loại 16m

AW(D)-26 BAWH-2004 BAWH-2011 BAWH-2016

AW(D)-18 BAWS-3004 BAWS-3011 BAWS-3016

Ngoài ra, lựa chọn các dụng cụ, thiết bị phụ khác nhƣ: - Mặt nạ hàn TIG, ống ốp và ống kẹp điện cực, chụp khí… - Thiết bị bảo hộ: Găng tay, tạp dề ra, quần áo bảo hộ lao động. - Thiết bị làm sạch: Bàn chải sắt, dung dịch hóa học làm sạch...

3.1.2. Lựa chọn Robot hàn [2,3,9] a. Mở đầu a. Mở đầu

Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp rất đa dạng. Tuy nhiên gần 25% robot công nghiệp là robot hàn. Các robot lắp ráp chiếm 33% dân số robot trên thế giới, có mặt nhiều nhất trong các nhà máy sản xuất xe hơi và đồ điện tử…

Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa. Số lƣợng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hàn hay không. Nếu bình thƣờng phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa đƣợc.

Những lợi ích lớn nhất của hàn tự động là có độ chính xác và năng suất cao. Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậy của mối hàn. Một khi đƣợc lập trình hợp lý, các robot sẽ tạo ra những mối hàn y nhƣ nhau trên các vật hàn cùng kích thƣớc và quy cách.

Chuyển động của mỏ hàn đƣợc tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lƣợng công việc phải làm lại. Robot không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với một thiết bị hàn tay.

Quá trình hàn đƣợc tự động hóa giải phóng ngƣời công nhân khỏi những tác hại khi hàn do tiếp xúc với bức xạ hồ quang, vẩy hàn nóng chảy, khí độc.

Robot hàn thƣờng có các loại sau: Robot hàn điểm, robot hàn hồ quang, robot hàn đặc biệt (hàn ma sát, hàn laser, hàn siêu âm, hàn tia điện tử...).Tuy nhiên robot hàn điểm và robot hàn hồ quang đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn cả. Robot hàn điểm đƣợc ứng dụng chủ yếu trong ngành công nghiệp ô tô còn robot hàn hồ quang đƣợc ứng dụng rộng rãi hơn nhƣ: Ngành công nghiệp đóng tàu, ngành công nghiệp chế tạo chi tiết máy, chế tạo thiết bị điện, ngành công nghiệp ô tô...

Robot hàn hồ quang thƣờng sử dụng chủ yếu là phƣơng pháp hàn MIG/MAG, TIG do những ƣu điểm vƣợt trội của phƣơng pháp hàn này.

b. Cấu hình cơ bản của hệ thống robot hàn hồ quang

Cấu hình của hệ thống robot hàn hồ quang trên hình 3.5 là các thông số kỹ thuật của các linh kiện cấu thành nên hệ thống thiết bị đó, đồng thời có xét đến sự tƣơng thích và độ mạnh yếu của chúng.

Hình 3.5: Cấu hình cơ bản của hệ thống robot hàn

1 - Tay máy; 2 - Bộ điều khiển; 3 - Bảng dạy; 4 - Hộp thao tác; 5 - Nguồn hàn; 6 -