Ở truyền động máy tiện cỡ nặng và máy tiện đứng, thường dùng hệ thống truyền động riêng cho bàn dao. Vì hệ thống cơng suất khơng lớn và phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng nên thường sử dụng hệ thống KĐMĐ - Đ và ngày nay là hệ thống T - Đ (bộ biến đổi dùng thyristor - động cơ điện một chiều).
Hình 2.12. Sơ đồ điều khiển truyền động ăn dao của máy tiện.
Ở chế độ gia công tiện trụ, rơle R10 (khơng vẽ trong sơ đồ) khơng có điện, tiếp điểm thường kín của nó kín nên điện áp chủ đạo được lấy trên biến trở RD1. Ở chế độ tiện mặt đầu, rơle R10 có điện, điện áp chủ đạo được lấy trên biến trở RD2 tỉ lệ với điện áp máy phát tốc FT1 (vì biến trở RD2 được nối vào máy phát tốc FT1) và do máy phát tốc nối cứng với động cơ truyền động chính nên tốc độ động cơ ăn dao sẽ tỉ lệ với tốc độ động cơ truyền động chính. Như vậy tốc độ di chuyển bàn dao sẽ thay đổi nhịp nhàng với tốc độ quay chi tiết để giữ lượng ăn dao s là hằng số trong q trình gia cơng.
Lựa chọn chế độ di chuyển của ụ dao hay bàn dao được thực hiện bằng các công tác chuyển đổi CĐ1 - CĐ4, các rơle tương ứng R4 - R7 sẽ có điện và đóng nguồn cho các nam châm điện của các khớp ly hợp điện từ NC1 - NC4.
- Di chuyển lên của ụ dao: Đóng CĐ1, rơle R4 có điện, NC1 có điện. - Di chuyển xuống của ụ dao: Đóng CĐ2, rơle R5 có điện, NC2 có điện - Di chuyển tới tâm của bàn dao: Đóng CĐ3, rơle R6 có điện, NC3 có điện
- Di chuyển xa tâm của bàn dao: Đóng CĐ4, rơle R7 có điện, NC4 có điện.
Thực hiện hãm các ụ dao và bàn dao bằng các khớp điện từ NC5 và NC6 khơng có điện. Sơ đồ đảm bảo sự làm việc của truyền động ăn dao ở ba chế độ: ăn dao làm việc, di chuyển nhanh và di chuyển chậm bằng sử dụng bộ khống chế KC1. Ở chế độ ăn dao làm việc, đặt bộ khống chế KC1 ở vị trí O, ấn nút M, rơle R1 có điện (nếu truyền động chính làm việc thì tiếp điểm RLĐ kín), điện áp chủ đạo được lấy trên biến trở RD1 đặt vào bộ biến đổi qua tiếp điểm R1.
Dừng máy bằng cách ấn nút D. Muốn di chuyển nhanh ụ dao hoặc bàn dao, đặt KC1 ở vị trí 2 bên trái; ấn nút M, rơle R2 có điện và tiếp đó cơng tắc tơ K có điện, động cơ Đ2 được đóng vào nguồn điện chừng nào cịn ấn nút M; hoặc bàn dao sẽ được di chuyển nhanh nhờ động cơ Đ2. Để di chuyển chậm bàn dao hoặc ụ dao, đặt KC1 ở vị trí 1 bên trái, ấn nút M, rơle R3 có điện, điện áp chủ đạo được lấy trên RD1 qua tiếp điểm R3 sẽ có trị số nhỏ ứng với tốc độ động cơ nhỏ. Sơ đồ có các bảo vệ sau: Bảo vệ dòng cực đại và ngắn mạch nhờ aptômat AT1, AT2 và bảo vệ giới hạn chuyển động của ụ và bàn dao bằng các cơng tác hành trình cuối BK1 - BK5.
Sơ đồ ăn dao chỉ làm việc khi:
- Truyền động chính đã làm việc: Tiếp điểm RLĐ kín. - Động cơ bơm dầu đã làm việc: Tiếp điểm KT kín - Xà máy đã được kẹp chặt: Tiếp điểm RX kín
- Ụ dao được di chuyển khi ụ đã được nới: tiếp điểm RĐ1 kín.
- Bàn dao chỉ di chuyển khi bàn dao đã được nới: Tiếp điểm RĐ2 kín.
CHƯƠNG III. MƠ HÌNH HĨA HỆ T-Đ 3.1. Mơ hình hóa bộ chỉnh lưu.
Hình 3.1. Sơ đồ khối mạch chỉnh lưu có điều khiển.
Hàm truyền của bộ chỉnh lưu:
( ) W 1 d CL CL dk CL U K s U sT = = + Chọn Uđk = 10V.
Hệ số khuếch đại của bộ chỉnh lưu:
200 20 10 dm CL dk U K U = = =
Hằng số thời gian bộ chỉnh lưu:
1 2 . CL T f m = Trong đó: f = 50Hz là tần số nguồn lưới
m là số xung đầu ra của chỉnh lưu tia 3 pha: m = 3
Suy ra: ( ) 1 0,003 2.50.3 CL T = = s
Vậy hàm truyền của bộ chỉnh lưu là: ( ) 20 W 1 0,003 CL s s = +
3.2. Mơ hình hóa động cơ một chiều kích từ độc lập.
Mạch điện thay thế của động cơ một chiều:
Hình 3.2. Mạch điện thay thế của động cơ một chiều.
Hệ thống mô tả động cơ ĐC thường là phi tuyến, trong đó các đại lượng đầu vào (tín hiệu điều khiển) thường là điện áp phần ứng U, điện áp kích từ Uk, tín hiệu ra thường là tốc độ góc của động cơ ω, mơmen quay M, dịng điện phần ứng I hoặc vị trí của rotor ϕ. Mơmen tải MC là mơmen do cơ cấu làm việc truyền về trục động cơ, mômen tải MC là nhiễu loạn quan trọng nhất của hệ truyền động điện tự động.
3.2.1. Mơ hình tốn ở chế độ q độ của động cơ một chiều kích từ độc lập.
Hệ phương trình được viết cho động cơ dưới dạng tốn tử Laplace:
Mạch kích từ có hai biến là dịng điện kích từ Ik và từ thơng Φ phụ thuộc phi tuyến bởi đường cong từ hoá của lõi sắt:
UKT(p) = RKT.IKT + NKT.pφ(p) Trong đó: Nk là số vịng dây cuộn kích từ.
Với mạch phần ứng:
Uu(p) = Ru.Iu(p) + Lu.p.Iu(p) + E(p) Từ phương trình phần ứng ta có: [ ] 1/ ( ) ( ) ( ) 1 u u u R I p U p E p T p = − + Trong đó:
+ u u u L T R =
: Hằng số thời gian mạch phần ứng Phương trình cân bằng momen:
( ) ( ) ( )
e c
M p −M p =Jpω p
Trong đó: J là mơmen qn tính c ủa các phần chuyển động quy đổi về trục động cơ. Từ các phương trình trên ta thành lập được sơ đồ cấu trúc của động cơ điện một chiều:
Hình 3.3. Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều.
Ta thấy rằng sơ đồ này là phi tuyến mạch. Như vậy ta có thể tuyến tính hóa lân cận điểm làm việc và các phương trình tuyến tính hóa được viết như sau:
Mạch phần ứng:
U0 + ∆U(p) = Rư [.I0+∆I(p) ] +pLư[I0 + ∆I(p)] + K[φ0 + ∆φ(p)][ωB +∆ω(p)] Mạch kích từ:
Uk0 + ∆Uk(p) = Rk.[Ik0+∆Ik(p)] +pLk[Ik0 + ∆Ik(p)] Một cách gần đúng ta có phương trình gia số:
∆U(p) - [k. ωB . ∆φ(p) +k.φ0. ∆ω(p)] = Rư. ∆I(p)(1+ Tư .p) ∆Uk(p) = Rk. ∆Ik(p)(1+ Tk.p)
K.I0. ∆φ(p) + K.φ0. ∆I(p) - ∆M0(p) = Jp.∆ω(p)
Hình 3.4. Sơ đồ cấu trúc mơ tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập.
Nhìn vào sơ đồ ta thấy rằng để điều chỉnh tốc độ ω ta có thể thực hiện theo 2 cách: + Giữ nguyên điện áp mạch kích từ Ub và điều chỉnh điện áp mạch phần ứng Ua. + Giữ nguyên điện áp mạch phần ứng và điều chỉnh điện áp Ub: điều chỉnh từ thơng.
3.2.2. Trường hợp động cơ kích từ độc lập có từ thơng khơng đổi.
Khi xét tới động cơ một chiều kích từ độc lập và khơng điều khiển từ thơng thì có thể xem từ thơng là một hằng số. Khi đó, ta khơng cịn mạch kích từ mà chỉ cịn phương trình cân bằng mạch phần ứng. Vì vậy, ta có thể bỏ các chỉ số để chỉ mạch kích từ và mạch phần ứng. Trong trường hợp này mơ hình tốn của động cơ chỉ có hai phương trình là phương trình cân bằng điện áp mạch phần ứng và chuyển động cơ học:
Phương trình cân bằng mạch phần ứng:
( ) . ( ).(1 ) ( ) u u u u U p =R I p +T p +E p Với : ( ) . ( ) E p =Kφ ω p u u u L T R = ,
Phương trình chuyển động cơ học:
( ) ( ) ( )
e c
M p −M p =Jpω p
( ) . ( ) e u M p =K I pφ . Do ons C t φ = , ta có: ( ) . ( ) ( ) . ( ) e M p K I p E p K p φ φ ω = =
Từ các phương trình này ta xây dựng được mơ hình của động cơ một chiều kích từ độc lập từ thơng khơng đổi như sau:
1 ( ) .( . ( )) 1 1 ( ) .( . ) u u u c R I p U K p T p p K I M Jp φ ω ω φ = − + = −
Sơ đồ cấu trúc động cơ một chiều kích từ độc lập với từ thơng khơng đổi:
Hình 3.5. Sơ đồ cấu trúc mô tả động cơ điện một chiều kích từ độc lập có từ thơng khơng đổi.
Chương IV. Tính tốn và mô phỏng trên Simulink. 4.1. Lựa chọn các thơng số cho q trình mơ phỏng.
Chọn các thơng số cho động cơ điện một chiều: - Công suất định mức: Pdm = 10(kW)
- Điện áp định mức: Udm = 220 (V) - Tốc độ định mức ndm = 1150 (v/ph) - Hiệu suất định mức: ηdm = 90% - Điện cảm phần ứng: L = 0,3(H) - Mơmen qn tính: J =2 (kg/m)2
- Độ dốc của đặc tính từ hố và mơmen tải: Kk = 5
B = 1 KI0 = 4 KωB = 10
Chọn các thông số của các bộ biến đổi, xenxơ dòng điện và máy phát tốc: - Hằng số thời gian của cảm biến dòng điện: Ti = 0,002(s)
- Hằng số thời gian của chuyển mạch chỉnh lưu: Tv = 0,001(s) - Mạch điều khiển chỉnh lưu: Tdk = 0,001(s)
- Máy phát tốc: Tω = 0,002(s)
Từ các thơng số đã chọn ta tính được các thơng số khác theo các công thức sau: Ωdm = = = 120,43 (rad/s) Mdm = = = 83,04 (N.m) Idm = = = 45,45 (A) Kф = = = 1,83 Rư = 0,5.(1- ηdm).= = 0,24 (Ώ) Tu = = = 1,25 (s) Tsi = Tdk + Tv + Ti = 0,001+0,001+0,002 = 0.004 (s) Ta có: Udm = Kcl.Udk
Uid = Ki.Idm
Chọn Udk = Uid = 10 (V), suy ra: Kcl = = = 22 Ki = = = 0.22 Tu = = = 1,25 (s) Tc = = = 0,14 (s) Tsω = 2.Tsi + Tω = 2.0,004+0,002 = 0,01 (s) = = 0,94 U = ω.K U = 10 (V) K = = = 0,083
Từ đây ta suy ra hàm truyền của bộ điều khiển dịng điện và tốc độ có dạng: Ri= = 6,2 +
4.2. Mô phỏng các trường hợp cụ thể của động cơ bằng Simulink.4.2.1. Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const. 4.2.1. Mô phỏng động cơ điện trong trường hợp Φ = const.
Sơ đồ mô phỏng trong simulink khi điện áp đặt có dạng bước nhảy như hình 1.26.
Hình 4.1. Sơ đồ mơ phỏng trong simulink khi từ thơng khơng đổi.
Đặc tính tốc độ, đặc tính dịng điện, điện áp phản hồi của động cơ thu được khi mơ phỏng trong chế độ q độ lần lượt như hình dưới đây:
- Đặc tính tốc độ:
4.2.2. Mơ phỏng động cơ điện một chiều trong trường hợp Uư không đổi (∆Up = 0).
Sơ đồ mơ phỏng trong simulink như hình 3.2.
Hình 4.2 Sơ đồ mơ phỏng khi điện áp phần ứng khơng đổi.
- Đặc tính tốc độ:
-Điện áp phản hồi:
4.2.3. Mạch vòng dòng điện của động cơ một chiều trong Simulink.
Sơ đồ mơ phỏng trong simulink như hình 1.27..
Hình 4.3. Mạch vịng điều chỉnh dòng điện động cơ trong Simulink.
Với điện áp là dạng step, mô phỏng ta thu được kết quả dạng tín hiệu dịng điện ra và điện áp phản hồi có dạng:
- Tín hiệu dịng điện:
4.2.4. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ (có mạch vịng điều chỉnh dịng điện) mơ phỏng trong Simulink.
Sơ đồ mơ phỏng trong simulink như hình 1.28.
Hình 4.4. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ.
Các đường đặc tính thu được: - Dịng điện:
- Tốc độ:
4.2.5. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chế dịng sau bộ điều khiểntốc độ (hình 3.5). tốc độ (hình 3.5).
Hình 4.5. Mạch vịng điều chỉnh tốc độ khi có thêm khâu hạn chể dịng.
- Tín hiệu tốc độ:
4.3. Nhận xét về kết quả mô phỏng thu được.
-Trong hai trường hợp điện áp phần ứng không đổi và từ thông khơng đổi ta thấy thời gian q độ của dịng điện, điện áp phản hồi, tốc độ ở trường hợp điện áp phần ứng không đổi là lớn hơn (do Tk>>Tu), tuy nhiên độ quá điều chỉnh lại nhỏ hơn.
-Khi có thêm bộ điều chỉnh dịng điện và bộ điều chỉnh tốc độ thì điện áp phản hồi bám theo điện áp đặt hơn.
-Khâu hạn chế dịng lắp sau bộ điều chỉnh tốc độ có tác dụng làm giảm tín hiệu đặt cho mạch vịng dịng điện.
KẾT LUẬN
Máy tiện là cơng cụ điều khiển số CNC đóng vai trị rất quan trọng. Sử dụng máy tiện cho phép giảm khối lượng gia cơng chi tiết, nâng cao độ chính xác gia cơng và hiệu quả kinh tế, đồng thời rút ngắn được chu kỳ sản xuất nên ngày nay trên thế giới rất nhiều nước đã áp dụng rộng rãi máy cơng cụ số vào lĩnh vực cơ khí chế tạo. Bên cạnh đó, sự phát triển về công nghệ thông tin đã gặt hái được rất nhiều thành tựu to lớn, các máy tính số ngày càng được sản xuất nhiều với những tính năng tốc độ xử lý dữ liệu cao, sử dụng dễ dàng, kết cấu nhỏ gọn, giá thành thấp. Chính vì thế, việc thiết kế bộ điều khiển nhỏ gọn, độ chính xác và tin cậy cao trong q trình gia cơng chi tiết máy, nâng cao hiệu quả kinh tế trên cơ sở máy tính cá nhân PC là xu hướng phát triển của bộ điều khiển cho máy công cụ. Với những kết quả thực tế hoạt động cho thấy sự phù hợp của những thơng số tính tốn và thơng số làm việc thực tế. Vậy máy tiện ñược thiết kế ứng dụng trong gia công chi tiết đạt kết quả rất tốt, đáp ứng được nhu cầu thay thế sức lao động chân tay của các doanh nghiệp.
Tài liệu tham khảo
Điều chỉnh tự động truyền động điện (Bùi Quốc Khánh - Nguyễn Văn Liễn - Phạm Quốc Hải - Dương Văn Nghi).
Matlap và Simulink dành cho kỹ sư điều khiển tự động (Nguyễn Phùng Quang).