CHƯƠNG 1. TRANG BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MÁY GIA CÔNG KIM LOẠI
1.3. Trang bị điện - điện tử nhóm máy bào
1.3.1. Đặc điểm công nghệ nhóm máy bào
Máy bào dùng để gia công các bề mặt chi tiết có biên dạng phức tạp, xẻ rãnh...
Máy bào có hai loại: máy bào ngang và máy bào giường.
- Trong máy bào giường, chuyển động chính là chuyển động di chuyển của bàn.
Trong đó hành trình thuận là hành trình cắt gọt, còn hành trình ngược là bàn chạy không tải.
- Trong máy bào ngang, chuyển động chính là chuyển động di chuyển của dao vuông góc với chi tiết gia công, còn chuyển động ăn dao là chuyển động của bàn có cặp chi tiết gia công.
Trang bị điện và hệ truyền động trong máy bào ngang không phức tạp lắm nên ở đây ta chỉ nghiên cứu máy bào giường.
Máy bào giường có thể gia công các chi tiết lớn, chiều dài bàn có thể từ 1,5 m đến 12 m. Tuỳ thuộc vào chiều dài bàn máy và lực kéo có thể phân máy bào giường thành 3 loại:
- Máy cỡ nhỏ: chiều dài bàn Lb < 3m, lực kéo Fk = 30 50 KN.
- Máy cỡ trung bình: chiều dài bàn Lb = 4 5m, lực kéo Fk = 50 70 KN.
- Máy cỡ nặng: chiều dài bàn Lb > 5m, lực kéo Fk > 70 KN.
Dạng bên ngoài của máy bào giường được giới thiệu trên hình 1.15.
Chi tiết gia công 1 được kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiến qua lại. Dao cắt 3 được kẹp chặt trên bàn dao đứng 4. Bàn dao 4 được đặt trên xà ngang 5 cố định khi gia công.
Trong quá trình làm việc bàn máy di chuyển qua lại theo các chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược. Ở hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành trình cắt gọt. Ở hành trình ngược, bàn máy chạy về vị trí ban đầu, không cắt gọt, nên gọi là hành trình không tải. Cứ sau khi kết thúc hành trình ngược thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi là lượng ăn dao s (mm/hành trình kép). Chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính. Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi một hành trình kép là chuyển động ăn dao. Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải.
Đồ thị tốc độ của bàn máy vẽ trên hình 1.16, đây là dạng đồ thị thường gặp.
Trong thực tế còn có nhiều dạng đồ thị đơn giản hoặc phức tạp hơn. Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc độ đến tốc độ v0 = 5 15 m/ph (tốc độ vào dao) trong khoảng thời gian t1. Sau khi chạy ổn định với tốc độ trong khoảng thời gian t2 thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt dao hoặc chi tiết). Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tốc độ v0 cho đến hết thời gian t3 thì lại tăng tốc độ đến vth (tốc độ cắt gọt). Trong thời gian t5 bàn máy chuyển động với tốc độ vth và thực hiện gia công chi tiết.
t vth v
v0
v0
vng
0
t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 t11 t12 t13
TCK
Hình 1.16. Đồ thị tốc độ của bàn máy bào giường
Gần đến hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc độ đến v0, dao được ra khỏi chi tiết khi tốc độ của bàn là v0. Sau đó bàn máy đảo chiều sang hành trình ngược đến tốc độ vng, thực hiện hành trình không tải, đưa bàn máy về vị trí ban đầu. Gần hết hành trình ngược bàn máy giảm tốc độ sơ bộ đến v0, đảo chiều sang hành trình thuận, thực hiện một chu kỳ khác. Bàn dao được di chuyển bắt đầu từ thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc di chuyển trước khi dao cắt vào chi tiết.
Tốc độ hành trình thuận vth được xác định tương ứng bởi tốc độ cắt, thường vth = 5 (75 120) m/ph; tốc độ gia công lớn nhất có thể đạt vmax = (75 120) m/ph. Để tăng năng suất của máy, tốc độ hành trình ngược thường chọn lớn hơn tốc độ hành trình thuận vng = k.vth (thường k = 2 3).
Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thời gian:
ng th
CK t 1t
T1
n (1.42)
trong đó: TCK là thời gian một chu kỳ làm việc của bàn máy (s);
tth là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận (s);
tng là thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngược (s).
Giả sử gia tốc của bàn máy lúc tăng và giảm tốc độ là không đổi thì:
2 / v
L L v t L
th hth gth th th th
(1.43)
2 / v
L L v t L
ng hng gng ng
ng ng
(1.44)
trong đó:
Lth, Lng là chiều dài hành trình của bàn máy ứng với tốc độ ổn định vth, vng ở hành trình thuận và ngược;
Lgth, Lhth là chiều dài hành trình của bàn máy trong quá trình tăng tốc (gia tốc) và quá trình giảm tốc (hãm) ở hành trình thuận;
Lgng, Lgng là chiều dài của hành trình bàn máy trong quá trình tăng tốc (gia tốc) và giảm tốc (hãm) ở hành trình ngược;
vth, vng là tốc độ ở hành trình thuận và ngược của bàn máy.
Từ các công thức (1.42), (1.43) và (1.44) ta rút ra được:
ng dc dc
ng
th t
v1).L k
( 1
t v / L v /
L 1
n
(1.45)
trong đó:
th ng
v
k v là tỉ số giữa tốc độ hành trình ngược và hành trình thuận;
tdc là thời gian đảo chiều của bàn máy.
Từ công thức (1.45) ta thấy: khi đã chọn tốc độ cắt vth thì năng suất máy phụ thuộc vào hệ số k và thời gian đảo chiều tdc. Khi tăng k thì năng suất của máy tăng nhưng khi k > 3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể vì lúc đó thời gian đảo chiều tdc lại tăng. Nếu chiều dài của bàn Lb > 3 m thì tdc ít ảnh hưởng đến năng suất mà chủ yếu là k. Khi Lb bé, nhất là khi tốc độ thuận vth = (75 120) m/ph thì tdc ảnh hưởng nhiều đến năng suất. Vì vậy một trong các điều cần chú ý khi thiết kế truyền động chính máy bào giường là phấn đấu giảm thời gian quá trình quá độ.
Một trong các biện pháp để đạt mục đích đó là xác định tỉ số truyền tối ưu của cơ cấu truyền động từ động cơ đến trục làm việc, đảm bảo máy khởi động với gia tốc lớn nhất.
Xuất phát từ phương trình chuyển động trên trục làm việc:
dt ).d J i.
J ( M
M 2 m m
§
c
(1.46)
trong đó: M là mômen động cơ lúc khởi động (Nm);
Mc là mômen cản trên trục làm việc (Nm);
JĐ là mômen quán tính của động cơ (kgm);
Jm là mômen quán tính của máy (kgm);
m là tốc độ góc của trục làm việc (rad/s);
i là tỉ số truyền của bộ truyền.
Ta có gia tốc của trục làm việc:
2 m
§
c
m J i. J
M i.
M dt
d
(1.47)
Lấy đạo hàm của gia tốc rồi cân bằng với không:
didt 0 d m
ta sẽ tìm được điểm cực trị của gia tốc ứng với tỉ số truyền tối ưu (với giả thiết M và Mc không đổi) là:
D 2 m c
tu c ) JJ
M (M M
i M (1.48)
Nếu coi Mc = 0 thì ta có:
D tu JJm
i (1.49)
1.3.2. Yêu cầu đối với hệ thống truyền động điện và trang bị điện nhóm máy bào giường
1. Truyền động chính
Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỉ số giữa tốc độ lớn nhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngược) và tốc độ nhỏ nhất của bàn máy (tốc độ thấp nhất trong hành trình thuận).
min . th
max . ng min
max v
v v
D v = (12,5 30)/1 (1.50) trong đó:
vng.max là tốc độ lớn nhất của máy trong hành trình ngược, thường vng.max = (75 120) m/ph;
vth.min là tốc độ nhỏ nhất của bàn máy trong hành trình thuận, thường vth.min = (4 6) m/ph.
Thông thường, hệ thống truyền động điện sử dụng động cơ điện một chiều được cấp nguồn từ bộ biến đổi. Theo yêu cầu của đồ thị phụ tải (hình 1.11), điều chỉnh tốc độ được thực hiện theo hai vùng:
- Thay đổi điện áp phần ứng trong phạm vi (5 6)/1 với mômen trên trục động cơ là hằng số ứng với tốc độ bàn thay đổi từ vmin = (4 6) m/ph đến vgh = (20 25) m/ph) khi đó lực kéo không đổi.
- Giảm từ thông động cơ trong phạm vi (4 5)/1 khi thay đổi tốc độ từ vgh đến vmax
(75 120) m/ph, khi đó công suất kéo gần như không đổi.
Tuy nhiên sử dụng phương pháp điều chỉnh từ thông thì làm giảm năng suất của máy, vì thời gian quá trình quá độ tăng do hằng số thời gian mạch kích từ động cơ lớn.Vì vậy thực tế người ta thường mở rộng phạm vi điều chỉnh điện áp, giảm phạm vi điều chỉnh từ thông, hoặc điều chỉnh tốc độ động cơ trong cả dải bằng phương pháp thay đổi điện áp phần ứng. Trong trường hợp này công suất động cơ phải tăng vmax/vgh lần.
Ở chế độ xác lập, độ ổn định tốc độ không lớn hơn 5% khi phụ tải thay đổi từ không đến định mức.
Quá trình quá độ khởi động và hãm yêu cầu phải êm, tránh va đập trong bộ truyền với độ tác động cực đại.
Đối với những máy bào giường cỡ nhỏ hệ thống truyền động chính thường là động cơ không đồng bộ - khớp li hợp; động cơ không đồng bộ rôto dây quấn hoặc động cơ điện một chiều kích từ độc lập và hộp tốc độ. Những máy trung bình hệ thống truyền động là máy phát - động cơ điện một chiều. Đối với máy cỡ nặng hệ thống truyền động điện là máy phát - động cơ điện một chiều có bộ khuếch đại trung gian, hệ chỉnh lưu dùng tiristor - động cơ điện một chiều.
2. Truyền động ăn dao
Truyền động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trình kép làm việc một lần (từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trình thuận và kết thúc trước khi dao cắt vào chi tiết).
Phạm vi điều chỉnh lượng ăn dao là D = (100 200)/1. Lượng ăn dao cực đại có thể đạt tới (80 100) mm/hành trình kép.
Cơ cấu ăn dao yêu cầu làm việc với tần số lớn, có thể đạt tơi 1000 lần/giờ.
Hệ thống di chuyển đầu dao cần phải đảm bảo theo cả hai chiều ở cả chế độ di chuyển làm việc và di chuyển nhanh.
Truyền động ăn dao thường được thực hiện bằng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và hộp tốc độ.
Truyền động ăn dao có thể thực hiện bằng nhiều hệ thống: cơ khí, điện khí, thuỷ lực, khí nén...Thông thường sử dụng hệ thống điện cơ: động cơ điện và hệ thống truyền động trục vít - êcu hoặc bánh răng - thanh răng.
Lượng ăn dao trong một hành trình kép khi truyền động bằng hệ trục vít - êcu được tính như sau:
s = tv.t.T (1.51)
và đối với hệ truyền động bánh răng - thanh răng:
s = br.z.t.T (1.52) trong đó:
tv, br là tốc độ góc của trục vít và bánh răng (1/s);
z là số răng của bánh răng;
t là bước răng của trục vít hoặc thanh răng (mm);
T là thời gian làm việc của trục vít hoặc thanh răng (s).
Từ biểu thức trên ta thấy: để điều chỉnh lượng ăn dao s bằng cách thay đổi thời gian có thể sử dụng nguyên tắc hành trình (dùng các công tắc hành trình) hoặc nguyên tắc thời gian (dùng rơ le thời gian). Các nguyên tắc này đơn giản nhưng năng suất máy thường bị hạn chế. Nguyên nhân là lượng ăn dao lớn, thời gian làm việc phải dài, nghĩa là thời gian đảo chiều từ hành trình thuận sang hành trình ngược phải dài, nhiều trường hợp khác không cho phép.
Để thay đổi tốc độ trục làm việc, có thể dùng nguyên tắc tốc độ, điều chỉnh tốc độ bản thân động cơ hoặc sử dụng hộp tốc độ nhiều cấp. Nguyên tắc này tuy phức tạp hơn nguyên tắc trên, nhưng có thể giữ được thời gian làm việc của truyền động như nhau với lượng ăn dao khác nhau.
3. Truyền động phụ
Truyền động phụ đảm bảo các di chuyển nhanh bàn dao, xà máy, nâng đầu dao trong hành trình ngược, được thực hiện bởi động cơ không đồng bộ và nam châm điện.
1.3.3. Phân tich mạch điện máy bào điển hình
1. Phân tích mạch điện máy bào ngang thủy lực 7M37 (hình 1.17) a. Giới thiệu thiết bị
- 1Đ động cơ truyền động chính 10 kW – 970 vòng/ phút.
- 2Đ động cơ di chuyển bàn nhanh 1KW – 1410 vòng/phút.
EM nam châm điện nâng bàn dao.
Điện áp động lực 220/380V xoay chiều . Điện áp điều khiển 380V.
Điện áp chiếu sáng 24 V xoay chiều.
Điện áp cấp cho mạch nam châm 36 V.
Hãm cắt KB-1 dùng để giới hạn quá trình không tải.
Hãm cuối KB-2 đóng mạch cho nam châm khi đầu bào lùi.
Hình 1.17. Mạch điện điều khiển máy bào ngang thuỷ lực 7M37
b. Phân tích nguyên lý tác động
Đóng chuyển mạch BB cấp nguồn cho mạch động lực và điều khiển. Ấn nút 1KY làm rơ le trung gian 1P tác động và tự duy trì bằng tiếp điểm 1P(1-5) chuẩn bị mạch cho máy vào làm việc.
Chuyển tay gạt thủy lực vào vị trí mở máy ấn lên hãm cuối KB-1 làm tiếp điểm KB-1(3-5) mở ra, KB-1(5-7) đóng lại khởi động từ 1K tác động đóng cấp nguồn cho động cơ 1Đ làm việc để di chuyển đầu bào. Tiếp 1K(C-26) đóng cấp nguồn cho máy biến áp TE cấp cho nam châm EM nâng đầu dao làm việc.
Dịch chuyển nhanh bàn bằng nút ấn 3KY, khởi động từ 2K tác động cấp nguồn động cơ 2Đ .
Dừng máy bằng nút ấn 2KY.
c. Các khâu liên động và bảo vệ Bảo vệ ngắn mạch bằng các cầu chì.
Bảo vệ quá tải bằng rơ le nhiệt PT.
Bảo vệ cực tiểu, bảo vệ điểm không bằng rơ le điện áp 1P.
2. Phân tích mạch điện máy bào giường của Liên Xô kiểu 7112
Sơ đồ điều khiển máy bào giường 7112 dùng hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (hệ F - Đ) như hình 1.18.
a. Giới thiệu thiết bị
Động cơ kéo máy phát và máy điện khuếch đại từ trường ngang €MY.
công suất 40KW, điện áp 220/380 V xoay chiều, tốc độ 1470 vg/ph.
Động cơ kéo máy kích từ π, công suất 2,8kW, điện áp 220/380 V xoay chiều, tốc độ 1400 vg/ph.
Động cơ II quạt mát cho động cơ chính, công suất 1 kW, điện áp 220/380 V xoay chiều, tốc độ 2860 vg/ph.
Động cơ di chuyển bàn dao trên xà, công suất 1,7 kW, điện áp 220/380 V xoay chiều, tốc độ 1420 vg/ph.
Động cơ di chuyển bàn dao hông, công suất 1,7 kW, điện áp 220/380 V xoay chiều, tốc độ 1335 vg/ph.
Động cơ nới và xiết xà, công suất 0,6 kW, điện áp 220/380 V xoay chiều, tốc độ 1410 vg/ph.
Động cơ một chiều truyền động bàn, công suất 67,5 kW, điện áp 230V một chiều, tốc độ 1500 vg/ph.
Máy phát điện một chiều, cung cấp điện cho động cơ, công suất 81 kW, điện áp 230 V một chiều, tốc độ 1450 vg/ph.
Máy phát điện một chiều, tự kích từ dùng cho mạch kích từ động cơ và mạch điều khiển, công suất 2,6 kW, điện áp 230V một chiều, tốc độ 1450 vg/ph.
Máy điện khuếch đại từ trường ngang dùng để kích từ máy phát, công suất 2 kW, điện áp 230 V một chiều, tốc độ 1440 vg/ph. Các cấp điện áp dùng trong máy là:
Điện áp lưới 220/380V xoay chiều.
Điện áp mạch điều khiển phần xoay chiều (241-243) 127V xoay chiều.
Điện áp mạch điều khiển phần một chiều (1-2) một chiều.
Điện áp dùng cho mạch tự động hạn chế dòng điện (33-35) 14 V một chiều.
Điện áp đèn chiếu sáng 1π0, 2π0 và 36 V xoay chiều.
Điện áp đèn tín hiệu πK là 127 V xoay chiều.
Điện áp đèn tín hiệu 1πZ là 6,3 V xoay chiều, 2πZ là 6,3 V một chiều.
Hình 1.18. Sơ đồ hệ thống truyền động máy bào giường 7112 (hệ F - Đ)
b. Phân tích nguyên lý tác động
Ổn định tốc độ trong quá trình làm việc của bàn máy nhờ các khâu phản hồi âm tốc độ, phản hồi chống dao động dòng điện kích từ máy phát Ѓ.
Trong sơ đồ có bố trí các khâu cưỡng bức kích thích khi khởi động và khâu ngắt dòng điện.
Sự làm việc cụ thể của các khâu trên như sau:
Máy điện khuếch đại từ trường ngang dùng để kích từ máy phát. Nó có các cuộn dây kích từ sau:
OI là cuộn dây hạn chế dòng điện, nó cùng với điện trở so sánh 2CII, chỉnh lưu 1BT, 2BT và cầu chỉnh lưu ba pha 5BT, 6BT, 7BT hợp thành bộ tự động hạn chế dòng điện.
OII, OIII, OIV là các cuộn dây chủ đạo, đồng thời là các cuộn dây phản hồi hỗn hợp. Điện áp đặt lên các cuộn dây này là:
Ukt = αUk – Ufh – Udđ
trong đó:
αUk là phần điện áp lấy trên PCH hoặc PCB;
Ufh ≡ ηД là phản hồi âm tốc độ;
Udđ ≡ dt
LT di là điện áp phản hồi chống dao động dòng điện kích từ máy phát . Trong đó L và i là điện cảm và dòng điện cuộn dây III1 -III2 kích từ máy phát .
* Quá trình khởi động có cưỡng bức.
Khi bắt đầu cho bàn làm việc (ấn nút 5KY hoặc 6KY) thì tốc độ động cơ Д bằng 0 nên kích từ máy điện khuếch đại từ trường ngang ЭMY là:
Ukt = αUk
(Bỏ qua tác dụng của khâu ngắt dòng điện và khâu phản hồi chống dao động).
Điện áp này đủ lớn để cưỡng bức kích thích. Sau đó tốc độ nД tăng dần lên, điện áp phản hồi âm tốc độ Ufh cũng tăng dần lên đưa hệ thống đi vào ổn định.
* Khâu hạn chế cưỡng bức
Khâu hạn chế cưỡng bức làm cho điện áp đặt lên các cuộn dây kích từ OII, OIII, OIV của ЭMY không quá lớn một giới hạn cho phép khi khởi động có cưỡng bức. Khâu này gồm hai đèn dây tóc IIπ (là các điện trở phi tuyến biến đổi theo dòng điện chạy qua); bộ tự động hạn chế dòng điện (đã giới thiệu ở trên) và các chỉnh lưu 3BT, 4BT.