ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP Đỗ Thị Vụ NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP TRUYỀN ĐỘNG BÀN ĂN DAO MÁY PHAY VẠN NĂNG Ở TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SỸ TỰ ĐỘNG HÓA THÁI NGUYÊN - 2009 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHKT CÔNG NGHIỆP *** Độc lập - Tự do - Hạnh phúc o0o THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP TRUYỀN ĐỘNG BÀN ĂN DAO MÁY PHAY VẠN NĂNG Ở TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH TẾ - KỸ THUẬT - ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN Học viên: Đỗ Thị Vụ Lớp: CHK9 Chuyên ngành: Tự động hóa Người HD khoa học: PGS. TS. Võ Quang Lạp Ngày giao đề tài: 06/08/2008 Ngày hoàn thành: 25/02/2009 KHOA ĐT SAU ĐẠI HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN HỌC VIÊN TS. Nguyễn Văn Hùng PGS.TS. Võ Quang Lạp Đỗ Thị Vụ Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 1 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan Luận văn này là công trình do tôi tổng hợp và nghiên cứu. Trong luận văn có sử dụng một số tài liệu tham khảo nh ƣ đã nêu trong phần tài liệu tham khảo. Tác giả luận văn Đỗ Thị Vụ Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 2 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n MỤC LỤC Trang Lời cam đoan 01 Phần mở đầu 05 Ch ƣ ơng 1. TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN CHO MÁY PHAY 08 1.1. Lý thuyết chung 08 1.1.1. Đặc điểm công nghệ 08 1.1.2. Các chuyển động trên máy phay 08 1.1.3. Đặc tính phụ tải của chuyển động chính và chuyển động bàn máy 09 1.1.3.1. Chuyển động chính 09 1.1.3.2. Chuyển động bàn máy 09 1.1.4. Điều chỉnh tốc độ và ổn định tốc độ 09 1.1.4.1. Điều chỉnh tốc độ 09 I.1.4.2. Ổn định tốc độ 11 1.2. Phân tích mạch điện máy phay đứng 6P13Б ở trƣờng 11 Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuật 1.2.1. Sơ đồ mạch điện 11 1.2.2. Nguyên lý làm việc 12 1.3. Sự cần thiết phải cải tạo nâng cấp truyền động bàn ăn dao máy phay 15 6P13Б ở x ƣ ởng tr ƣ ờng Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuật Ch ƣ ơng 2. PHÂN TÍCH SO SÁNH CÁC PH Ƣ ƠNG ÁN CẢI TẠO 17 NÂNG CẤP TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY 2.1.Hệ điều khiển biến tần động cơ không đồng bộ ba pha 17 2.1.1.Điều khiển tần số trƣợt 17 2.1.2.Điều khiển vector biến tần động cơ ba pha 19 2.1.2.1.Mô tả động cơ không đồng bộ 3 pha d ƣ ới dạng các đại l ƣ ợng vector không gian 19 2.1.2.2.Qui đổi các đại l ƣ ợng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ vector(a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên Stato ( , ) 23 2.1.2.3.Qui đổi các đại l ƣ ợng điện của động cơ không đồng bộ 3 pha từ Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 3 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n hệ tọa độ cố định trên Rotor (x,y) về hệ tọa độ cố định trên Stato ( , ) . 26 2.1.2.4. Qui đổi các đại l ƣ ợng điện của động cơ không đồng bộ 3 pha từ hệ tọa độ cố định trên Stato ( , ) về hệ tọa độ cố định trên Rotor (d,q) 28 2.1.2.5.Cơ sở để định h ƣ ớng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông Rotor (d,q) 33 2.2.Hệ thống Thyristor - Động cơ 36 2.2.1.Sơ đồ cấu trúc trạng thái ổn định và đ ƣ ờng đặc tính tĩnh 37 2.2.2.Chất l ƣ ợng động của hệ thống điều chỉnh tốc độ hai mạch vòng kín 39 2.2.2.1.Mô hình toán học trạng thái động 39 2.2.2.2.Phân tích quá trình khởi động 40 2.2.2.3.Tác dụng của hai bộ điều chỉnh 42 Ch ƣ ơng 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG SỐ CHO TRUYỀN ĐỘNG BÀN ĂN DAO MÁY PHAY 43 3.1.Cơ sở để xây dựng hệ truyền động số cho truyền động bàn máy phay 43 3.1.1.Khối biến đổi t ƣ ơng tự – số (A/D) 45 3.1.2.Khối biến đổi số – t ƣ ơng tự (D/A) 48 3.1.3.Bộ PID số 49 3.2.Phân tích và tổng hợp hệ điều khiển số 51 3.2.1.Xét ổn định hệ thống 51 3.2.1.1.Cấu trúc hệ điều khiển của hệ thống 52 3.2.1.2.Tổng hợp hệ thống 52 3.2.2.Ổn định hệ thống 58 3.2.2.1.Độ ổn định của mạch vòng dòng điện 58 3.2.2.2.Ổn định của mạch vòng tốc độ 59 3.2.3.Khảo sát ổn định hệ thống cụ thể 61 3.2.3.1.Ổn định mạch vòng dòng điện 61 3.2.3.2. Ổn định mạch vòng tốc độ 67 3.2.4.Chất l ƣ ợng của mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ 71 3.2.4.1.Mạch vòng dòng điện 71 3.2.4.2. Mạch vòng tốc độ 87 3.3.Thiết kế phần cứng hệ điều khiến T – D số cho truyền động bàn 103 Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 4 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n 3.3.1.Tiêu chuẩn lựa chọn 103 3.3.2.Các họ vi xử lý thông dụng 104 3.3.3.Các bộ vi điều khiển thông dụng 104 3.3.4.Các bộ xử lý tín hiệu số 105 3.3.4.1.Bộ điều khiển số đ ƣ ợc xây dựng từ bộ vi xử lý 105 3.3.4.2.Bộ điều khiển số đ ƣ ợc xây dựng từ máy tính thông qua CARD ghép nối 114 Kết luận chung và h ƣ ớng phát triển của đề tài 129 Tài liệu tham khảo 130 Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 5 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n 1. Lý do lựa chọn đề tài PHẦN MỞ ĐẦU Điều khiển số đ ƣ ợc đ ƣ a vào ch ƣ ơng trình giảng dạy trong các thập kỷ gần đây, vì vậy việc nghiên cứu ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo và nâng cấp hệ truyền động cũ là rất cần thiết. Việc thay thế hệ truyền động số cho hệ truyền động cũ của truyền động bàn ăn dao máy phay ở tr ƣ ờng Cao đẳng Kinh tế kỹ thuật cho đến nay ch ƣ a đ ƣ ợc thực hiện vì vậy việc đi sâu nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo nâng cấp máy phay vạn năng ở tr ƣ ờng này có một ý nghĩa thực tiễn. Trong khuôn khổ của khóa học cao học, chuyên ngành Tự động hóa tại tr ƣ ờng Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên, đ ƣ ợc sự tạo điều kiện giúp đì của nhà tr ƣ ờng và đặc biệt là sự chỉ bảo giúp đì của PGS – TS. Vâ Quang Lạp, em đã lựa chọn đề tài tốt nghiệp của mình là “Nghiên cứu nâng cấp truyền động bàn ăn dao máy phay vạn năng ở tr ƣ ờng Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuật Đại học Thái Nguyên”. Trong quá trình thực hiện đề tài, mặc dù đã cố gắng xong có thể vẫn còn một vài khiếm khuyết kính mong Hội đồng khoa học và độc giả bổ xung đóng góp ý kiến để đề tài đ ƣ ợc hoàn thiện hơn. 2.Cơ sở khoa học và thực tiễn của đề tài Đề tài nghiên cứu việc ứng dụng hệ truyền động T - D số thay thế cho hệ truyền động cũ của truyền động bàn ăn dao máy phay nhằm nâng cao chất l ƣ ợng của hệ thống 3. Mục đích của đề tài Để cải tạo và thay thế đ ƣ ợc hệ thống truyền động cũ, tr ƣ ớc tiên ta phải phân tích và tìm hiểu kỹ thực trạng của máy phay của tr ƣ ờng từ đó đề xuất đ ƣ ợc ph ƣ ơng án cải tạo thay thế nâng cấp máy, đó là thay thế hệ thống truyền động bàn cũ bằng hệ T – D số, sau đó tiến hành phân tích và tổng hợp hệ thống truyền động số để đánh giá chất lƣợng của hệ thống. Trên cơ sở phần tính toán khảo sát của hệ thống truyền động sẽ tiến hành thiết kế xây dựng phần cứng của hệ thống truyền động. 4. Đối t ƣ ợng và phạm vi nghiên cứu của đề tài Phần mở đầu Chương 1. Tổng quan về trang bị điện cho máy phay Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 6 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n Phân tích tổng quan về máy phay bao gồm phần lý thuyết chung nh ƣ đặc điểm công nghệ, các chuyển động trên máy phay, vấn đề điều chỉnh và ổn định tốc độ, sau đó phân tích mạch điện máy phay đứng 6R13 Б ở tr ƣ ờng Cao đẳng Kinh tế – Kỹ thuật. Sự cần thiết phải cải tạo nâng cấp truyền động bàn ăn dao máy phay. Chương 2. Phân tích so sánh các phương án cải tạo và nâng cấp truyền động bàn máy phay Ch ƣ ơng này tập trung trình bày 2 hệ truyền động gần đây hay đ ƣ ợc sử dụng đó là: - Hệ điều khiển véc tơ biến tần động cơ 3 pha - Hệ thống Thyristor - Động cơ Chương 3. Thiết kế hệ thống truyền động số cho cho truyền động bàn máy phay Đ ƣ a ra cơ sở để xây dựng hệ T – D số cho truyền động bàn máy phay, sau đó phân tích và tổng hợp hệ điều khiển số, từ đó thiết kế phần cứng hệ điều khiển T – D số cho truyền động bàn. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài - Ngày nay do tiến bộ khoa học, công nghệ điện tử và tin học các hệ thống điều khiển tự động phát triển và ngày càng hiện đại. Việc sản xuất các thiết bị điện tử ngày càng hoàn thiện do việc phát triển công nghệ vi mạch. Các bộ biến đổi điện tử trong các hệ thống không những đáp ứng đƣợc khả năng tác động nhanh, độ chính xác cao mà còn góp phần giảm kích th ƣ ớc và hạ giá thành của hệ thống. Đặc biệt những năm gần đây việc ứng dụng hệ truyền động một chiều T - D với các mạch vòng phản hồi kín nhằm đảo bảo tốt các chỉ tiêu tĩnh và động của hệ thống ngày càng đ ƣ ợc sử dụng phổ biến, nó có khả năng ứng dụng cho hệ truyền động có công suất nhỏ đến công suất lớn. - Hiện nay đã có rất nhiều sản phẩm công nghiệp đ ƣ ợc tạo ra nhờ điều khiển số và đã có rất nhiều n ƣ ớc trên thế giới đã áp dụng thành công. Chính vì vậy mà việc đi sâu nghiên cứu và ứng dụng điều khiển số nhằm cải tạo nâng cấp hệ truyền động bàn ăn dao máy phay vạn năng mang ý nghĩa khoa học. Khác với điều khiển kỹ thuật thông th ƣ ờng với độ chính xác không cao. Điều khiển số với các mạch vòng phản hồi kín đảm bảo cho hệ thống ổn định và đảm bảo các chỉ tiêu về mặt chất l ƣ ợng động nh ƣ : độ quá điều chỉnh, tốc độ, thời gian điều chỉnh.v.v Do đó Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 7 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n việc ứng dụng điều khiển số vào việc cải tạo và nâng cấp hệ thống truyền động bàn của các máy cũ mang ý nghĩa thực tiễn. Bằng kết quả phân tích và tổng hợp hệ thống số và việc thiết kế xây dựng phần cứng của hệ thống truyền động làm cơ sở cho việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng vào chuyển đổi những hệ thống truyền động của máy cũ sang hệ thống số mà hệ thống này đang đ ƣ ợc nghiên cứu và ứng dụng thực tế. Lu ậ n v ă n th ạ c s ĩ k ỹ t h u ậ t Chuyên ngành t ự đ ộ n g hóa 8 S ố h ó a b ở i T r un g tâ m H ọ c li ệ u – Đ ạ i h ọ c Thá i Ng u y ên htt p :// w w w. l r c - tnu. e d u. v n CH Ƣ ƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TRANG BỊ ĐIỆN CHO MÁY PHAY 1.1. Lý thuyết chung 1.1.1. Đặc điểm công nghệ - Công dụng: Máy phay dùng để gia công mặt phẳng, phay mặt trong và ngoài, mặt porophin (thí dụ mặt cam đĩa hay cam thùng) và các mặt phức tạp (nhƣ các loại mặt khác nhau của chày, cối dập, khuôn ép .v.v ), cắt ren vít trong và ngoài, cắt bánh xe khía và dao cắt nhiều lƣỡi có răng chảy thẳng và xoắn, phay mặt trong xoay định hình phay cắt rãnh thẳng và rãnh xoắn. Thực hiện các nguyên công trên máy phay sẽ đạt độ chính xác cao. - Phân loại: Căn cứ theo khả năng thực hiện nhiệm vụ khác nhau, máy phay đ ƣ ợc chia làm 2 nhóm chính: Là máy phay vạn năng và máy phay chuyên môn hóa. + Máy phay vạn năng có các kiểu: phay nằm, phay đứng, máy phay giƣờng + Máy phay chuyên môn hoá dùng trong sản xuất hàng loạt lớn và sản xuất khối lớn. Những máy phay này dùng để hoàn thành những công việc nhất định trên một số vật phẩm tƣơng đối hẹp. Những máy phay chuyên môn hóa đƣợc dùng nhiều nhất là: Máy phay rãnh then, máy phay ren vít, máy phay chép hình, máy phay tiện. 1.1.2. Các chuyển động trên máy phay - Chuyển động chính: Là chuyển động quay dao phay (trục chính) là chuyển động quay tròn với tốc độ lớn Thông th ƣ ờng không yêu cầu điều chỉnh tốc độ hoặc nếu có thì điều chỉnh rất ít nên th ƣ ờng sử dụng động cơ không đồng bộ rôto lồng sóc và hộp tốc độ (động cơ có một hay 2 cấp tốc độ). - Chuyển động ăn dao: Có 2 chuyển động: ngang, dọc của bàn máy mang chi tiết phay di chuyển dọc của trục chính mang đầu dao, chuyển động này làm ở vùng tốc độ thấp, giữ mô men không đổi. - Chuyển động phụ: Là chuyển động thẳng đứng của ụ dao. Chuyển động phụ là chuyển động không liên quan trực tiếp đến quá trình cắt gọt, chúng cần thiết khi chuẩn bị gia công, hiệu chỉnh máy [...]... CẤP TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY Yêu cầu đối với truyền động bàn ăn dao máy phay là phạm vi điều chỉnh của truyền động ăn dao lớn (Ds=100 600), lƣợng ăn dao đƣợc điều chỉnh trong phạm vi rộng Lƣợng ăn dao yêu cầu giữ không đổi khi tốc độ trục chính thay đổi Mặt khác đặc tính cơ yêu cầu có độ cứng cao với độ ổn định tốc độ . CẢI TẠO VÀ NÂNG CẤP TRUYỀN ĐỘNG BÀN MÁY PHAY Yêu cầu đối với truyền động bàn ăn dao máy phay là phạm vi điều chỉnh của truyền động ăn dao lớn (Ds=100. THUYẾT MINH LUẬN VĂN THẠC SỸ KỸ THUẬT ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU NÂNG CẤP TRUYỀN ĐỘNG BÀN ĂN DAO MÁY PHAY VẠN NĂNG Ở TRƯỜNG CAO ĐẲNG KINH