LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng nổ ngành công nghiệp khí điện tự động hóa đạt thành tựu to lớn, đem lại nhiều lợi ích công việc nhiều thiết bị ứng dụng nhiều ngành công nghiệp khác Mặc dù máy gia công kỹ thuật số xu hướng thị trường thiết bị đắt tiền phức tạp Do máy gia công kim loại máy tiện, máy mài, máy bào giường, máy rèn rập… thiết bị chủ yếu việc chế tạo khí Nên việc nghiêm cứu, tìm hiểu cải tiến vấn để quan tâm Môn học Trang Bị Điện mơn học giúp em thực công việc Được giao đề tài máy tiện loại máy phổ biến công nghệ gia công kim loại Với yêu cầu phân tích phương pháp điều khiển truyền động ăn dao thiết kế điều khiển truyền động trục tự động cho máy tiện hệ T- Đ Qua thời gian học tập nghiên cứu bảo tận tình thấy Hồng Xn Bình em hồn thành đồ án Mặc dù đồ án hoàn thành đạt kết định thời gian có hạn, kiến thức cịn hạn chế nên đồ án khơng tránh khỏi sai sót Em mong góp ý ủng hộ thầy cô bạn Em xin chân thành cảm ơn ! CHƯƠNG1:TỔNG QUAN VỀ MÁY TIỆN 1.1 ĐẶC ĐIỂM CÔNG NGHỆ 1.1.1 Chức cơng dụng máy tiện Máy tiện thuộc nhóm máy cắt gọt kim loại Tiện phương pháp gia cơng chi tiết, máy thực nhiều công nghệ tiện khác Như tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặt đầu, tiện cơn, tiện định hình Trên máy tiện thực doa, khoan tiện ren, dao cắt, doa, ta rơ ren Kích thước gia cơng máy tiện từ vài mili đến hàng trục Hình 1-1 Dạng bên ngồi máy tiện Dạng bên ngồi máy tiện hình H1.1 Trên thân máy đặt ụ trước 2, có trục quay chi tiết Trên gờ trượt đặt bàn dao Bàn dao thực di chuyển dao cắt dọc ngang so với chi tiết Ở ụ sau đặt mũi chống tâm dùng để giữ chặt chi tiết dài q trình gia cơng,hoặc để gá mũi khoan,mũi doa khoan,doa chi tiết Ở máy tiện,chuyển động quay chi tiết với tốc độ góc ω ct chuyển động chính, chuyển động di chuyển dao chuyển động ăn dao Chuyển động ăn dao ăn dao dọc, dao di chuyển dọc theo chi tiết (tiện dọc) ăn dao ngang, dao di chuyển ngang (hướng kính) chi tiết (tiện ngang) Chuyển động phụ gồm có xiết nới xà, di chuyển nhanh dao, bơm nước, hút phoi … 1.1.2.Phân loại máy tiện Nhóm máy tiện đa dạng, gồm máy tiện đơn giản, Rơvonve, máy tiện vạn năng, chuyên dùng, máy tiện cụt,máy tiện đứng… Trên máy tiện thực nhiều cơng nghệ tiện khác tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặt đầu, tiện cơn, tiện định hình Trên máy tiện thực doa, khoan tiện ren,bằng giao cắt, dao doa, taro ren… Kích thước gia cơng máy tiện cỡ hàng milimét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng) Chuyển động máy tiện làm việc chế độ dài hạn, truyền động quay mâm cặp kẹp phơi, chuyển động coi phơi ln chuyển động quay dao cắt đứng yên Chuyển động ăn dao máy tiện chuyển động tịnh tiến liên tục bàn dao theo hai chiều trục X trục Z Trục Z trùng với trục cịn trục X vng góc với trục Các chuyển động phụ gồm chuyển động phanh cầu dao ụ sau, kéo phôi, bơm nước, bơm dầu, nâng hạ… Máy tiện có nhiều loại khác với kích cỡ, cơng dụng mức độ chun mơn hóa khác - Phân loại theo chuyển động: + Tiện đứng: Phôi chuyển động quay theo phương đứng + Tiện ngang: Phôi chuyển động quay theo phương nằm ngang - Phân loại theo mức dộ trang bị điện + Loại đơn giản: Thường dùng động KĐB khơng có điều chỉnh tốc độ điện + Loại trung bình thường dùng động KĐB điều chỉnh tốc độ cách thay đổi số đôi cực, dựng động chiều hệ thống hở + Loại phức tạp: Dựng động chiều kích từ độc lập điều khiển theo hệ kín điều khiển theo chương trình số CNC Đây loại máy tiện có độ xác cao - Phân loại theo trọng lượng máy: + loại nhỏ: Trọng lượng máy nhỏ 10 + loại trung bình: Trọng lượng máy từ 10 - 100 + loại lớn: Trọng lượng máy lớn 100 Một số máy tiện tiêu biểu thị trường sau: Hình 1-2 Máy tiện Việt chuẩn Hình 1-3 Máy tiện với m 1234410458 Hình 1-4 Máy tiện với m 1239953967 Hình 1-5 Máy tiện DSC01180 Hình 1-6 Máy tiện (Kit- 11211171877) 1.1.3.Các chuyển động máy tiện a Chuyển động Chuyển động máy tiện chuyển động quay mâm cặp phơi (trục chính) chuyển động thực nhờ động điện chiều kích thích độc lập, thay đổi tốc độ biến đổi điều chỉnh điện áp phần ứng, qua hộp số bánh ăn khớp nối với trục Do tốc độ trục thay đổi phạm vi rộng qua hộp bánh chuyển đổi tốc độ có tỷ số truyền i Động hãm ngược sau ấn nút dừng sau ấn nút thử máy b.Chuyển động ăn dao Bao gồm chuyển động: - Chuyển động ăn dao dọc bàn dao di chuyển tịnh tiến theo chiều dọc trục dao, (trục Z) chiều trục Bằng động Servo truyền dẫn Drives vịng kín - Chuyển động ăn dao ngang di chuyển tịnh tiến bàn dao theo trục vng góc với bàn ăn dao trục (trục X) Bằng động Servo truyền dẫn Drives vịng kín c.Các chuyển động phụ - Gồm chuyển động lên, xuống di chuyển nhanh, ụ dao, bơm dầu, cấu kẹp lới dao, kẹp phôi thực nhờ động KĐB rơto lồng sóc cấu thủy lực 1.2.CÁC YÊU CẦU TRANG BỊ ĐIỆN CHO TRUYỀN ĐỘNG TRỤC CHÍNH Trong máy tiện CNC truyền động trục truyền động phức tạp nhất, địi hỏi hệ thống trang bị điện có mức độ tự động hoá cao truyền động dựng 01 động điện chiều kích từ độc lập Dựng BBĐ DC DRIVES điều khiển động mạch vịng kín truyền động có yêu cầu tiêu chất lượng sau: 1.2.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ Truyền động trục máy tiện có u cầu phạm vi tốc độ rộng, dải điều chỉnh đặc trưng hệ số: D= nmax 1500 = = 30 nmin 50 1.2.2 Độ trơn điều chỉnh Vì máy làm việc nhiều chế độ gia công khác tiện có đường kính lớn cần tốc độ nhỏ, cịn tiện có đường kính nhỏ u cầu độ bóng cao cần tốc độ lớn Để đảm bảo chất lượng gia cơng bề mặt có độ bóng từ ∇6 ∇9 tốc độ phải điều chỉnh vụ cấp ϕ= n i +1 =1 ni 1.2.3 Độ ổn định tốc độ làm việc Để đảm bảo trì ổn định tốc độ đạt mức xác cao tốc độ truyền động thay đổi Khi phụ tải biến đổi từ ÷ Mmax u cầu độ sụt tốc độ là: ∆n noi − n dmi ≤ (5 ÷ 15) noi 1.2.4 Yêu cầu tự động hạn chế phụ tải Trong trình làm việc thường xảy tải tĩnh tải động: - Quá tải tĩnh: Do vật liệu không đồng nhất, dao cắt vào vùng chai cứng nhiệt độ tăng làm cho công suất cắt tăng dẫn tới tải - Q tải động: Đó q trình khởi động ,hãm , đảo chiều Để rút ngắn thời gian tải động cần phải rút ngắn trình 1.2.5 Yêu cầu hãm dừng xác Việc dừng máy xác yêu cầu qua trọng Bởi dừng xác đảm bảo chất lượng sản phẩm, tăng suất máy, an toàn cho thiết bị người vận hành Các biện pháp nâng cao chất lượng trình hãm (giảm thời gian hãm) - Sử dụng thiết bị khống chế - Tăng gia tốc hệ thống - Sử dụng vật liệu nhẹ để giảm thành phần mô men quán tính - Tăng lực cản khí - Hãm điện, sử dụng ba phương pháp: Hãm ngược, Hãm động năng, Hãm tái sinh - Giảm tốc độ cách giảm điện áp đặt vào phần ứng động - Đặc điểm công nghệ truyền động máy tiện có đảo chiều 1.2.6 u cầu kinh tế - Hệ thống thiết kế phải đảm bảo có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, thuận thiện cho vận hành sửa chữa - Vốn đầu tư mua sắm thiết bị, chi phí vận hành phải hợp lý - Giá thành hệ thống, phải thoả mãn yêu cầu kỹ thuật CHƯƠNG HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CHÍNH MÁY TIỆN CNC HITACHI - SEIKI - 4NE – 600 2.1.THAM SỐ VẬN HÀNH MÁY - Đường kính tiện lớn tiện được: Φ D = 520 (mm) - Chiều dài gia công lớn nhất: L = 480 (mm) - Khoảng cách chống tâm : 500 (mm) - Độ dịch chuyển dọc bàn máy trục Z: 450 (mm) - Độ dịch chuyển ngang bàn máy trục X: 250 (mm) - Đường kính lỗ trục chính: Φ 60 (mm) - Độ dịch chuyển hướng tâm mâm cặp: 120 (mm) - Tốc độ quay trục chính: 10 - 3000 (vịng/phút) - Tỷ số truyền i: - Số đầu dao: - Công suất động trục chính: 11 (kW) - Cơng suất động trục X: 3,7 (kW) - Công suất động trục Z: 7,5 (kW) - Công suất động làm mát: 1,5 (kW) - Phần mềm điều khiển: SINUMERIK 802C - – SIEMNS - Kích thước máy: 2500 x 1000 x 1200 (mm) - Trọng lượng máy: 4000 (Kg) - Động truyền động động điện chiều kích từ độc lập: Do Nhật Bản sản xuất có thơng số sau: Cơng suất định mức: Pđm =11 (kW) Điện áp phần ứng: Uđm = 220 (V) Dòng điện phần ứng: Iđm = 64 (A) Tốc độ định mức: nđm = 1150 (v/p) Điện áp kích từ: UKTđm = 160 (V) Dịng điện kích từ: Iktđm = 3,2 (A) Điện trở cuộn dây kích từ: Rkt = 44 (Ω) Điện trở phần ứng: Rư = 0,833 (Ω) - Động truyền động ăn dao động bước Servo DC MOTOR Trục X - Công suất định mức: - Điện áp định mức: - Dòng điện định mức: - Tốc độ định mức động cơ: Pđm = 3,7 (kW) Uđm = 158 (V) Iđm = 16 (A) nđm = 1500 (vòng/phút) DC MOTOR Trục Z - Công suất định mức: - Điện áp định mức: - Dòng điện định mức: - Tốc độ định mức động cơ: Pđm = 7,5 (kW) Uđm = 195 (V) Iđm = 19,4 (A) nđm = 1500 (vòng/phút) 2.1.1 Các cơng thức dùng q trình tính toán - Vận tốc cắt: V = π D.S 1000 (m/phút) Trong đó: V: Vận tốc cắt (m/phút) D: Đường kính phơi – tiện ( dao cắt – phay) (mm) S: Tốc độ quay trục (vịng/phút) - Số vịng quay trục chính: S = 1000.V (vịng/phút) π D - Chọn vận tốc cắt V: V ≤ Vmax ,với Vmax tốc độ cắt tối đa dao + Đối với dao thép gió: Vmax = 18 ÷ 22 m/phút + Đối với dao thét hợp kim cứng: V max = 120 ÷ 150 m/phút (hiện máy dùng) + Đối với dao chế tạo đặc biệt (lưỡi cắt gốm, kim cương, …): V max = 18 ÷ 22 m/phút 2.1.2 Giới thiệu phần mềm lập trình SINUMERIK 802S SIEMENS - Ngơn ngữ lập trình theo ISO (G Code) - Quy ước xác định hệ trục tọa độ máy tiện, máy tiện cần điều khiển trục X trục Z Được xác định quy tắc bàn tay phải - Giơ bàn tay phải cho ngón hướng lên chiều trục Z, ngón chỗi chiều trục X, chiều ngón chỏ chiều trục Y 2.1.3 Quy trình thao tác tiện thân máy CNC HITACHI – SEIKI – 4NE– 600 - Bắt đầu: Bật máy – cấp điện cho hệ thống Chạy điểm chuẩn cho máy Gá phơi vào mâm cặp Chạy chương trình thực gia công 10 Công tắc tơ K 30 – 10DK – 29R2 e – D2 f – AT2 Rơle trung gian R1 41– 39KC1 42 – 8DK 1(R1) - b 2(R1) - c 42 – 39KC1(1) 11 Rơle trung gian R2 Rơle trung gian R5 44 – 8DK 48 – 1DK 29 – K 51 – 8DK 37 – 1DK – KC1(2) 55– CCL – 3DK 33 - 12DK 45 – 39KC1(1) Rơle trung gian R3 34 – 10DK 46 – 8DK 1(R3) – b 2(R3) – c 10 12 Rơle trung gian R4 52 – 1DK 48 – 1DK Rơle trung gian R6 53 – 8DK 50 – 8DK – 2DK – CCL – 2DK 31 - 12DK 32 – 10DK 48 – 4DK 35 – 12DK 36 – 10DK 13 Rơle trung gian R7 52 – 1DK 54 – 8DK 12 – 2DK 13 – 5DK 35 – 12DK 36 – 10DK 56 – KC1(1) 14 Rơle trung gian R8 57 – 8DK 24 – 2DK 25 – 11DK 15 Rơle trung gian R9 58 – KC1(1) 57 – 8DK 24 – 2DK 27 – 11DK 16 Nút dừng máy D 37 – 1DK 37’ –7DK 17 38 – 7DK M 18 Nút di chuyen nhanh 38’ – 1DK – CCL BK1 19 Cơng tắc hành trình – 11DK Cơng tắc hành trình – CCL BK2 – 11DK 49 CHƯƠNG TỔNG HỢP MẠCH VÒNG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ MỘT CHIỀU MATLAB – SIMULINK 3.1 SƠ ĐỒ CẤU TRÚC CỦA HỆ THỐNG Từ yêu cầu hệ thống phải đảm bảo ổn định tốc độ tiến hành tiện với chi tiết khác Truyền động cho động tiện động điện chiều, để ổn định tiện với chi tiết khác ta phải tiến hành xây dựng hệ thống mạch vòng tồn hệ thống Hình 3.1 Sơ đồ thay mạch phần ứng động điện chiều Trong đó: +Ud – điện áp đặt vào động + Rư – điện trở mạch phần ứng + Lư – điện cảm mạch phần ứng Tương tác qua dòng điện phần ứng từ thơng kích từ tạo nên mơmen điện từ có giá trị M = p '.N Φ.I u = K Φ.I u 2.π a Do mômen điện từ phần ứng quay nên dây quấn phần ứng quét từ thông dây quấn cảm ứng sức điện động E= p '.N Φ.ω = K Φ.ω 2.π a Với động điện chiều ta có quan hệ tốc độ mơmen : U − Ru I u R U = − u Iu K Φ KΦ KΦ R U ω= − u M KΦ KΦ ω= Mơ hình chung: U(p)=Rư.I(p)+Lư.p.I(p)+E(p) UK(p)=RkIk(p)+Nk.p.φ(p) 50 Iu = Ru [U ( p) − E ( p)] + pTu M (ω ) − M c ( p ) = Jpω Tư=Lư/Rư Trong : J mơmen qn tính hệ quy đổi trục động cơ, Phương trình điện áp kích từ: Ukt = Ikt Rkt Từ phương trình ta xây dựng sơ đồ cấu trúc động hình vẽ Thấy sơ đồ cáu trúc phi tuyến mạnh tính tốn ứng dụng ta mơ hình tuyến tính hóa quanh điểm làm việc Chọn điểm làm việc ổn định tuyến tính hóa đặc tính từ hóa đặc tính mơmen tải sau KK = U -E ∆Φ ∆I ; Φo , Io Iu Ru + Tu p Kφ B= ∆M c ∆ω ωo , M o J.p M K ω Mc pN K UK RK NK Hình 3.2 : Sơ đồ cấu trúc động Tại điểm làm việc xác lập ta có điện áp phần ứng U 0, dịng điệntải I0, tốc độ quay ωB, từ thông θ0, mô men tải MB Các đại lượng biến thiên nhỏ xung quanh điểm làm việc ∆U(p), ∆I(p) ∆ω(p), ∆Φ(p), ∆Mc(p) Mach phần ứng : Uo+ ∆U(p) = (Rư+Rkt)[Io+∆I(p)]+p(Lư+Lkt)[Io+∆I(p)]+K[Φo+∆Φ(p)].[ωB+∆ω] Φo+∆Φ(p)=C[Io+∆I(p)] 51 Phương trình chuyển động học: K[Φo+∆Φ(p)] [Io+∆I(p)]-[MB+∆Mc(p)]=J.p.[ωB+∆ω(p)] Bỏ qua vơ bậc cao từ phương trình ta có ∆U(p)-[KΦo∆ω(p)+K.ωB ∆Φ(p)]=R ∆I(p).(1+Tư.p) ∆Φ(p)=C ∆I(p) K.Io ∆Φ(p)+K.Φo∆I(p)- ∆Mc=J.p ∆ω(p) Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa theo phương trình thu sau: B ∆U R + Tu p ∆I ∆Mc Kφ0 J.p Kφ0 ∆UK KI0 KωB ∆I 3.3 Sơ R K Hình K :K đồ cấu trúc tuyến tính hóa K ∆φ + TK p Hình 3.4 Mơ hình động chiều  Mơ hình thay biến đổi Đối với biến đổi Thyristor có thơng số đặc trưng mơ là: hệ số khuyếch đại biến đổi chỉnh lưu k cl , số thời gian chỉnh lưu TV, 52 số thời gian mạch điều khiển chỉnh lưu T đk Mơ hình thay chỉnh lưu khâu quán tính bậc hai với thông số khuyếch đại k cl , hai số thời gian TV Tđk :  Mô hình thay máy phát tốc Máy phát tốc đặc trưng hai thông số: hệ số khuyếch đại máy phát tốc K ω , số thời gian máy phát tốc T ω Mơ hình thay máy phát tốc khâu quán tính bậc với hệ số khuyếch đại K ω ,hằng số thời gian T ω : Sơ đồ cấu trúc chung toàn hệ thống sau: Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc biến đổi công suất động điện chiều 3.2 XÁC ĐỊNH CÁC THƠNG SỐ CỦA ĐỘNG CƠ • Điện cảm phần ứng : ω®m= 2Π.ndm 60 Lu = K U dm 1,8.220 = = 2.69(mH ) I dm ndm p ′ 64.2.1150 53 Kφdm = U dm − I dm R 220 − 64.0,833 = = 1,384 1150 ωdm 2Π 60 •Mơ men qn tính: Quy đổi mơ men quán tính tải trục động ρ= w V V = 0,4(m/s) 2.π n 2.3,14.1150 120,3 ω = = = 120,3( rad / s ) ⇒ ρ = = 300 dm 60 60 0,4 31.10 2 = 2,14(kg.m ) 120,25 Jm = Mơ men qn tính quy đổi trục động lấy gần : 0,05Jđ Mơ men qn tính tồn hệ thống: J = Jm +Jbr + Jd = 2,14 +0,05.32,5+ 32,5 = 36,27 (kg.m2) •Hằng số thời gian học : Tc = R J ( Kφ ) = L 0,829.10 −3 0,833.36,25 = = 0,018( s ) = 0,106 (s); Tu = R 0,833 (3,917) •Phương trình đặc tính động điện chiều kích từ độc lập ω= Uu R 220 0,045 − M= − M = 56,16 – 0.0029M kΦ (kΦ ) 3,917 (3, ,917) • Phương trình đặc tính điện động điện chiều kích từ độc lập: ω= Uu R 220 0,0447 − Iu = − I u = 56,16 – 0.0114Iư kΦ kΦ 3,917 3,917 3.3.TÍNH TỐN, THIẾT KẾ HỆ ĐIỀU KHIỂN Để đáp ứng tiêu công nghệ hệ điều khiển tự động truyền động hệ thống, ta phải tổng hợp hai mạch vòng điều khiển: - Mạch vòng điều chỉnh dòng điện để ổn định mô men động - Mạch vòng tốc điều chỉnh tốc độ để ổn định tốc độcủa động 54 Sơ đồ cấu trúc: MC Rω I® RI S0I I S0ω ω Hình 3.6 : Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện tốc độ 3.3.1 Mạch vòng dòng điện Mạch điều chỉnh dòng điện (mạch vòng trong) mạch vòng có tính chất định tới chất lượng điều chỉnh hệ thống ví mạch vịng điều chỉnh dịng điện ảnh hưởng trực tiếp tới mômen kéo động cơ, gia tốc động cơ… chức bảo vệ hệ truyền động Ta thấy số thời gian học T c = 0,284(s) lớn so với cố thời gian điện từ phần ứng động T = 0,0275(s) nên ta coi sức điện động động không ảnh hưởng tới q trình điều chỉnh mạch vịng dịng điện Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh dòng điện : Uid -E RI BBĐ I K i Si + Ti mạch vịng điều chỉnh dịng điện Hình 3.7 : Sơ đồ cấu trúc p Hàm truyền biến đổi: WBD = Kcl Kcl = + Tv p + Tdk p (1 + Tv p)(1 + Tdk p) Hằng số thời gian: Tđk= 0,001 (s) chọn Tvo=0,00167(s), Ti=0,001(s), Tư=0,018(s) =>Ts= Tđk+Tvo+Ti=0,001+0,00167+0,001=0,00367