CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN ĐIỆN 1.1 Khái niệm chung máy hàn điện Hiện hàn điện công nghệ dùng rộng rãi công nghiệp, xây dựng công nghiệp chế tạo máy *Ưu điểm máy hàn điện : - Tiết kiệm nguyên vật liệu so với phương pháp gia cơng khác (so với tán đinh 5÷10%; so với phương pháp đúc 40%) - Có độ bền khí cao, chất lượng mối hàn tốt - Giá thành hạ, suất cao - Công nghệ hàn đơn giản - Cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân dễ tự động hoá 1.1.1 Phân loại phương pháp hàn điện Phân loại cách tổng quan máy hàn điện sau: Hàn điện Hàn hồ quang Hàn tay Hàn tiếp xúc Hàn tự động Dưới lớp trợ dung Hàn nối Trong ga bảo vệ Một điểm hai mặt Hình 1.1 Phân loại phương pháp hàn điện Hàn đường Hai điểm mặt 1.1.2 Các yêu cầu chung nguồn hàn hồ quang * Điện áp không tải đủ lớn để mồi hồ quang Khi nguồn hàn chiều với điện cực : - Kim loại: Uomin = (30÷40)V - Điện cực than Uomin = (45÷55)V Khi nguồn hàn xoay chiều : Uomin = (50÷60)V * Đảm bảo an tồn lúc làm việc chế độ làm việc chế độ ngắn mạch làm việc Bội số dòng điện ngắn mạch không lớn I  I n m 1,2 1,4 I dm (1-1) Trong : I : Bội số dòng điện ngắn mạch In.m : Dòng điện ngắn mạch  A Idm : Dòng điện hàn định mức  A * Nguồn hàn phải có cơng suất đủ lớn * Nguồn hàn phải có khả điều chỉnh dòng hàn, ta biết dòng điện hàn phụ thuộc vào đường kính que hàn Dòng điện hàn tính theo biểu thức sau : Ih =(40÷60).d (1-2) Trong : Ih : Dòng điện hàn  A d : Đường kính que hàn  mm * Đường đặc tính ngồi (hay gọi đường đặc tính Vơn-Ampe) nguồn hàn đáp ứng theo loại phương pháp hàn - Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tay phải có đường đặc tính ngồi dốc - Nguồn hàn dùng cho phương pháp hàn hồ quang tự động có đường đặc tính cứng 1.1.3 Hệ số tiếp điểm nguồn hàn Máy hàn thiết bị làm việc chế độ ngắn hạn lặp lại Thời gian làm việc dài máy hàn thời gian hết que hàn (ζ 1) Thời gian nghỉ ngắn thời gian đủ để thay que hàn mối hàn hồ quang (ζ2) Đối với nguồn hàn dùng cho máy hàn hồ quang tự động, thời gian làm việc dài thời gian hết lô điện cực máy, thời gian nghỉ ngắn thời gian đủ để thay lô điện cực hàn mồi hồ quang Nguồn hàn hồ quang có tuổi thọ làm việc cao thoả mãn điều kiện Q1 = Q2 (1-3) Trong : Q1 = 0,24I2Rζ1 : Nhiệt lượng toả hàn với thời gian ζ1 Q2 = k(ζ1+ζ2) : Nhiệt lượng toả môi trường xung quanh chu kì làm việc Tck = ζ1+ζ2 k : Hệ số đặc trưng cho chế độ toả nhiệt nguồn hàn Tính cách gần coi hệ số k khơng đổi k = const Từ biểu thức (1-3) ta có : 0,24I2Rζ1 = k(ζ1+ζ2) I2 (1-4) 1 k      0,24 R const (1-5) 1 Trong : Tỉ số    biểu diễn hệ số TĐ% hệ số tiếp điện tương đối nguồn hàn hồ quang 1 TĐ% =    100% I2TĐ% = const Vậy (1-5) trở thành : (1-6) (1-7) Do làm việc với chế độ ghi nhãn nguồn hàn phải tính lại dòng điện hàn ứng với hệ số tiếp điện nguồn hàn Ví dụ : Trên nhãn nguồn hàn ghi số sau : Idm = 300A ; TĐ% = 70% Nếu cần dùng I = 450A TĐ% : I2TĐ% = I2TĐ%đm  300  Vậy TĐ% = 70%   31%  450  1.2 Các nguồn hàn hồ quang 1.2.1 Các nguồn hàn hồ quang xoay chiều Nguồn hàn hồ quang thường dùng biến áp hàn có ưu điểm bật sau: - Dễ chế tạo, giá thành hạ - Có thể tạo dòng điện lớn Biến áp hàn phổ biến biến áp hàn pha, có ba pha Thơng thường máy biến áp hàn ba pha dùng cho nhiều đầu hàn Về cấu tạo, máy biến áp hàn thường chế tạo theo hai kiểu : + Máy biến áp hàn với từ thơng tản bình thường : chế tạo hai thiết bị riêng lẻ, lắp ráp vỏ hộp chung, gồm biến áp hàn cuộn kháng + Máy biến áp hàn với từ thông tản tăng cường, chế tạo theo kiểu sau : - Có cuộn thứ cấp di động - Có sơn từ - Điều chỉnh theo cấp Biến áp có cuộn kháng Biến áp hàn loại này, ngồi lõi thép máy biến áp có cấu phụ gọi cuộn kháng Wck W1 a W2 Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn có cuộn kháng ngồi Thay đổi khe hở mạch từ cuộn kháng ngồi, nhận họ đặc tính ngồi máy biến áp hàn - Khi không tải : U0 = U2 (1-8) Trong : U0 : Điện áp khơng tải V  U2 : Điện áp thứ cấp máy biến áp V  - Khi có tải : U2 = Uhq + Uck (1-9) Trong : Uhq : Điện áp xoay chiều Uck : Điện áp rơi cuộn kháng Uck = I2.rck + j.I2.xck  ω.L.I2 (1-10) Vì rck nhỏ nên bỏ qua Trong r ck điện trở cuộn kháng, xck điện kháng cuộn kháng Trong trình làm việc, I2 tăng làm cho Uck tăng, điện áp hồ quang Uhq giảm Khi dòng I2 tăng đến giá trị số I2=In.m (In.m : Dòng điện ngắn mạch) điện áp hồ quang khơng (Uhq=0) Khi : I2 = In.m = U2 L (1-11) Như ta biết, từ trở mạch từ R m tỉ lệ nghịch với điện cảm L Do tăng khe hở mạch từ a, từ trở mạch từ R m tăng, điện cảm L giảm dòng điện ngắn mạch In.m tăng lên Với cách lập luận ta có họ đặc tính ngồi hình 1-3 U U0 a1 < a2 < a3 a1 a2 a3 I Inm1 Inm2 Inm3 Hình 1.3 Họ đặc tính ngồi máy biến áp hàn có cuộn kháng Biến áp hàn kiểu hỗn hợp Loại máy biến áp này, mạch từ cuộn kháng có quan hệ trực tiếp với mạch từ Wck a W1 W2 Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp Điều chỉnh khe hở mạch từ a, ta nhận đựơc họ đặc tính ngồi hình 1.4 - Khi khơng tải : U0 = U2 + Uck (1-12) Khi thay đổi khe hở mạch từ a, Uck thay đổi nên U0 thay đổi (U0=var) - Khi có tải, điện áp rơi cuộn kháng cuộn thứ cấp máy hàn Ur = I2(x2 + xck) (1-13) Điện áp hồ quang : Uhq = U2 + Uck – Ur = U2 + Uck – I2(x2 + xck) (1-14) Khi dòng điện I2 tăng đến trị số I2 = Inm điện áp hồ quang khơng (Uhq = 0) Lúc dòng điện ngắn mạch : U  U ck Inm = x  x ck (1-15) Tương ứng với trị số khác khe hở mạch từ a, ta nhận họ đặc tính ngồi máy biến áp hàn hình 1.5 U U01 U02 U03 a1 < a2 < a3 a1 a2 a3 I Inm1 Inm2 Inm3 Hình 1.5 Họ đặc tính ngồi máy biến áp hàn kiểu hỗn hợp Máy biến áp hàn có shunt từ Mạch từ Cuộn sơ cấp Cuộn thứ cấp Shunt từ Hình 1.6 Máy biến áp hàn có shunt từ Shunt từ được lắp cuộn dây sơ cấp thứ cấp máy biến áp hàn Shunt từ di chuyển vào kéo khỏi hai cuộn dây Bằng cách di chuyển shunt từ ta tạo họ đặc tính ngồi máy biến áp hàn 1.2.2 Các nguồn hàn hồ quang chiều Nguồn hàn hồ quang chiều dùng làm nguồn hàn cho máy hàn hồ quang tự động, bán tự động hàn hồ quang tay Nguồn hàn hồ quang môt chiều có hai loại : - Bộ biến đổi quay (máy phát hàn chiều) - Bộ biến đổi tĩnh ( chỉnh lưu) Máy phát hàn chiều chia loại sơ đồ hình 1-7 Tuỳ thuộc vào kết cấu, cấu tạo máy phát hàn chiều có họ đặc tính ngồi dốc, cứng hỗn hợp Máy phát hàn chiều sử dụng rộng rãi loại máy phát hàn chiều có đường đặc tính ngồi dốc chế tạo theo ba kiểu sau : 1) Máy phát hàn chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp 2) Máy phát hàn chiều kích từ song song có cuộn khử từ nối tiếp 3) Máy phát hàn chiều có cực từ rẽ Máy phát hàn chiều Một dầu hàn Nhiều dầu hàn Đặt cố định Di động Truyền động động điện Truyền động động đốt Kích từ độc lập Kích từ song song Lắp vỏ Lắp hai vỏ Hình 1.7 Phân loại máy phát hàn điện chiều Máy phát hàn chiều a Máy phát hàn chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp (hình 1.8) U VR W1 F W2 CM Hình 1.8 Máy phát hàn chiều kích từ độc lập có cuọon khử từ nối tiếp Máy phát hàn loại có hai cuộn kích từ : cuộn kích từ độc lập W cấp điện từ nguồn chiều độc lập có điều chỉnh dòng kích từ chiết áp VR cuộn khử từ nối tiếp W đấu nối tiếp với phần ứng máy phát Từ thông Φ1 sinh cuộn W1 ngược chiều với từ thông Φ2 sinh cuộn W2 Từ thông Φ2 tỉ lệ với dòng điện hàn - Khi khơng tải, từ thông Φ2 = sức điện động máy phát : E0 = KeΦω (1-16) Trong : Ke : Hệ số cấu tạo máy phát Φ1 : Từ thông sinh cuộn W1 ω : Tốc độ quay phần ứng - Khi có tải : Uhq = E – IRF = Ke(Φ1 – Φ2)ω – IRF (1-17) Trong : RF : Điện trở máy phát Để điều chỉnh dòng hàn tạo họ đặc tính ngồi có hai cách : - Điều chỉnh thô chuyển mạch CM để thay đổi số vòng dây cuộn W2 (hình 1.9a) - Để điều chỉnh tinh chiết áp VR để thay đổi dòng kích từ I kt máy phát (hình 1-9b) U U W21 > W22 Ikt1 < Ikt2 < Ikt3 2 I I Inm1 Inm2 a) b) Hình 1.9 Họ đặc tính ngồi đặc tính điều chỉnh máy hàn chiều b Máy phát hàn chiều kích từ song song có cuộn khử từ nối tiếp Máy phát hàn có hai cuộn dây : Cuộn kích từ song song W cuộn khử từ nối tiếp W2 Họ đặc tính ngồi điều chỉnh dòng điện hàn tương tự máy phát hàn hồ quang chiều kích từ độc lập có cuộn khử từ nối tiếp c Máy phát hàn chiều có cực từ rẽ Máy phát hàn chiều có cực từ rẽ tạo đặc tính ngồi dốc tác dụng khử từ từ thông sinh cuộn dây phần ứng cử máy phát (phản ứng phần ứng) Máy phát có hai cuộn kích từ ; cuộn kích từ W cuộn phụ W2 Máy phát có cực từ N1, N2, S1, S2, ba nhóm chổi than A, C, Z Loại máy phát kiểu khác vối hai máy phát kể cực từ cực tính xếp phía Trên đường trung tính AC lấy điện áp : UAC = Uhq (1-18) W1 VR C W2 A F Z Hình 1.10 Máy phát chiều có cực từ trễ Điện áp Ucz lấy hai chổi than C Z hai chổi than phụ Mỗi đơi cặp cực cực tính coi cực từ - Khi không tải : Do tác dụng tương hỗ từ thông dọc Фd từ thông ngang Фn, chổi than xuất điện áp UAz=Cd.Фn Ucz=CnФn (1-19) Sức điện động tổng máy phát EAC = UAz + Ucz = CdФd+CnФn (1-20) - Khi có tải : Có dòng điện phụ chảy phần ứng máy phát Từ thông dòng điện phụ chảy phần ứng sinh có chiều chiều với từ thông ngang Фn ngược chiều với từ thông dọc Фd Các dẫn phần ứng góc phần tư AOZ DOC, tạo từ thông bù thêm cho từ thông cuộn kích từ W1 Các dẫn phần ứng nằm góc phần tư ZOC AOD tạo từ thơng ngược chiều với từ thơng cuộn kích từ phụ W2 Khi có tải, tác dụng khử từ từ thông dọc Фd phản ứng phần ứng nên điện áp UAZ giảm xuống UAz = Cd(Фd – Фpư) 10 (1-21) F  2Tsi p  2T si p - Do Tsi : số thời gian nhỏ nên ta bỏ qua thành phần bậc cao Khi : F   2Tsi p Nếu đặt : S 0  K  Ru / K i KTc p (1  T p )(1  2Tsi p) - Do T ; Tsi số thời gian nhỏ nên ta đặt Ts 2Tsi  T Nên : S 0  K  Ru / K i KTc p (1  Ts p ) Ta có sơ đồ thu gọn : U d R ( p) S 0 ( p )  U Hình : sơ đồ thu gọn mạch vòng tốc độ - Hàm truyền hệ thống : R ( p ).S 0 ( p ) F ( p)    R ( p ).S 0 ( p ) - Tổng hợp điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu F ( p )  FMC ( p ) Và FMC ( p )   2 p  2 p  R ( p)  S 0 ( p )[ F  MC  1] K.Tc R ( p )  / K i K  Ru 2Ts Bộ điều chỉnh tốc độ khâu tỉ lệ P - Tổng hợp điều khiển tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 22   4 p Fdx   4 p  8 p  8 p  R  1 S 0 Fdx    Thay giá trị vào ta chọn  Ts ta có : R   4Ts p Ru K  8.Ts2 p K i  K Tc Bộ điều chỉnh tốc độ khâu tỉ lệ, tích phân PI * Do ta chọn theo phương pháp tổng hợp theo modul tối ưu đối xứng * Tính chọn điều khiển tốc độ Chọn U d 10(V ) - Hệ số khuếch đại máy phát tốc : K   U d 0,064  Ts 2Tsi  T 0,012( s ) - Tính : Bộ điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : R   4Ts p  4.0,012 p  0,048 p   Ru K  0,16.0,064 0.00025263 p 8.Ts2 p 8.0,012 p K i  K Tc 0,102.1,4.0,327 c Tổng hợp mạch vòng vị trí Uφd Uωd Uω Rφ φ S 0 Rω (-) (-) K  T p Hình Sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí Trong : S 0 - Đối tượng điều khiển mạch vòng tốc độ S 0  K  Ru / K i KTc p (1  Ts p) R - Bộ điều khiển tốc độ 23 Kr p + Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn môdul tối ưu : K.Tc R  / K i K  Ru 2Ts  Hàm truyền mạch vòng tốc độ bỏ qua thành bậc cao F  ( p) 1   d ( p )  2Ts p K  + Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : R   4Ts p Ru K  8.Ts2 p K i  K Tc  Hàm truyền mạch vòng tốc độ bỏ qua thành phần bậc cao F  ( p) 1   d ( p )  4Ts p K  K r - Hệ số khuếch đại truyền lực : K r  i K  - Hệ số khuếch đại cảm biến vị trí Uφd Uφ Rφ φ S0φ (-) Hình Sơ đồ thu gọn mạch vòng vị trí + Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn mơdul tối ưu Ta có: S 0  K r K / K (1  2Ts p ).(1  T p ) p Theo tiêu chuẩn modul tối ưu ta tổng hợp mạch vòng vị trí : - Ta có : FMC   2 p  2 p  Mà ta lại có: R  1 S 0 ( FMC  1) Chọn  T ta có : R  K r K  / K  p.(1  2Ts p).(1  T p ) 2 p (1   p ) K (1  2Ts p) 2T K r K  Vậy điều khiển vị trí khâu tỉ lệ vi phân PD + Khi tổng hợp mạch vòng tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng 24 Ta có : S 0  K r K / K (1  4Ts p).(1  T p ) p Áp dụng theo tiêu chuẩn môdul tối ưu ta tổng hợp điều khiển vị trí: FMC   2 p  2 p  Mà ta lại có: R  1 S 0 ( FMC  1) Chọn  T ta có : R  K r K  / K  p.(1  4Ts p).(1  T p ) 2 p (1   p ) K (1  4Ts p ) 2T K r K  Vậy điều khiển vị trí khâu tỉ lệ vi phân PD  Do chọn điều khiển vị trí theo tiêu chuẩn modul đối xứng * Tính chọn điều khiển vị trí - Chiều dài quãng đường cần di chuyển : l  r 100(m) l 100   100 (rad ) r 0.32 - Hệ số khuếch đại cảm biến vị trí : Chọn Uφ d = 10(V) 10  K  0.032 100 - Hệ số khuếch đại truyền thuỷ lực : K r   100  1 .t 157.2 - Bộ điều chỉnh vị trí điều chỉnh tốc độ theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng : R  K (1  4Ts p ) 2T K r K  R 3.331  0.048 p  d Sơ đồ mô dạng tín hiệu 25 Hình Sơ đồ truyền động vị trí máy hàn trục * Đặc tính vị trí đặt Hình Đặc tính vị trí đặt trục máy hàn * Đặc tính sai lệch ví trí máy 26 * Đặc tính dòng điện động * Đặc tính tốc độ động 27 * Đặc tính vị trí động 2.8.4 Chương trình nội suy hai trục toạ độ hệ toạ độ phẳng 28 CHƯƠNG CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN MÁY HÀN TRONG HỆ TOẠ ĐỘ PHẲNG 3.1 Thiết kế phần cứng 3.1.1 Trình tự thiết kế mộ hệ thống tự động điều khiển vi xử lí Để thiết kế hệ thống tự động điểu khiển vi xử lí cần theo bước sau : Bước : Xác định chức hệ thống điều khiển Đầu tiên phải định thiết bị hệ thống mà muốn điều khiển Mục đích chủ yếu điều khiển lập trình để điều khiển hay nhiều phần tử thực đối tượng Để xác định chức hệ thống điều khiển cần xác định thứ tự hoạt động thông qua việc miêu tả lưu đồ Bước : Xác định đầu vào đầu Tất thiết bị đầu vào đầu bên nối với điều khiển lập trình hố phải xác định Những thiết bị đầu vào chuyển mạch, cảm biến, nút ấn, tay điều khiển Những thiết bị đầu : Van điện từ, rơle, công tắc tơ, đèn báo Sau việc nhận dạng thiết bị đầu vào đầu ra, tiến hành xác định modul địa cho phù hợp Bước : Sau xác định đầu vào, đầu ra, ta tiến hành viết chương trình điều khiển Bước : Chạy thử chương trình Để đảm bảo cấu trúc chương trình tham số cài đặt xác trước đưa vào hệ thống điều khiển Ta cần phải chạy thử chương trình, có lỗi chưa hợp lí ta phải sửa chữa chạy thử chương trình Cuối ghép nối với đối tượng hồn chỉnh chương trình theo hoạt động máy 3.1.2 Cấu trúc phần cứng Căn vào yêu cầu toán ta xác định cấu trúc phần cứng ghép nối với máy tính qua khe cắm mở rộng ISA Bus ISA loại bus kiến trúc theo tiêu chuẩn công nghiệp (ISA :Industry Standard Architecure) Trong tài liệu gọi bus PC bus ISA bit loại thường phân biệt rõ bus ISA 16 bit Công ty máy tính IBM phát triển bus ISA ( kiến trúc theo chuẩn cơng nghiệp) dùng cho máy tính AT (Advanced Technology) dựa vi xử lý 80286 Điểm mạnh rõ nét bus cho phép lúc xử lý trao đổi với 16 bit liệu Để đảm bảo tính tương thích với bus PC, nhà thiết kế bổ sung rãnh cắm thứ hai 29 thẳng hàng với rãnh cắm PC bit, sở có chứa bit bit liệu đường dẫn liệu đường dẫn địa Như vậy, bus ISA có bus liệu cực đại byte( 16 bit) chu kỳ giữ nhịp, cho lưu lượng cực đại 16 Mbit/s Trong máy tính có tần số giữ nhịp chạy nhanh MHz, bus ISA chạy chậm phần lại máy tính Một lợi lớn card mở rộng dùng với PC chúng cắm vào rãnh cắm bus ISA Các card ISA phổ biến chúng thể tính ưu việt hầu hết ứng dụng ghép nối Các linh kiện sử dụng card mở rộng ISA tỏ công nghệ qua thử thách đáng tin cậy 30 Cấu trúc phần cứng thể hình 3.1 Hình 3.1 Cấu trúc phần cứng hệ điều khiển động truyền động hai trục Thành phần cấu trúc phần cứng * Mạch định địa Hình 3.2 Mạch định địa cho card Trong : 31 DISP phần tử để định địa cần thiết theo mong muốn cách thực nút gạt vị trí “1”, “0” cho phù hợp Khi đồng địa thiết lập địa đứng xếp hàng rãnh PC, vi mạch 74HC688 sinh chân /G mức Low IC 74HC245 đệm hai chiều, nối đường dẫn liệu rãnh cắm PC với đường dẫn card mở rộng Sự nối ghép quan trọng, nhờ mức tín hiệu đường dẫn liệu không bị ảnh hưởng qua mạnh Nó có đệm với lối trạng thái để trao đổi thông tin với đường dẫn bus liệu theo hai hướng Tín hiệu xuất IC 74HC245 tín hiệu có dòng áp thấp Để điều khiến động công suất lớn ta phải điều khiển qua Transistor Các led để thại trạng thái đầu vào động * Nguyên lí hoạt động Khi địa chuyển mạch DIP trùng với địa đặt khe ISA xuất xung thấp chân CS Khi địa chân IOW =1 đưa tín hiệu đảo chân /IOW = Qua NOR đưa tín hiệu mức LOW chân /G làm cho 74HC245 hoạt động xuất liệu để điều khiển động Động điều khiển mạch cầu H sử dụng transistor Các Led để thị trạng thái động 3.2 Thiết kế phần mềm Phần mềm viết phần mềm Visual Basic Giao diện trước chạy chương trình 32 Hình 3.3 Giao diện chương trình điều khiển 3.2.1 Chương trình Visual Basic Dim n, n1, n2, t As Integer Dim X As Integer Private Sub Tmr3_Timer() Label1.Caption = Right(Label1.Caption, Len(Label1.Caption) - 1) + Left(Label1.Caption, 1) End Sub Private Sub Tmr4_Timer() Label2.Caption = Right(Label2.Caption, 1) + Left(Label2.Caption, Len(Label2.Caption) - 1) End Sub Private Sub CmdExit_Click() End End Sub Private Sub cmdSTART_Click() n1 = n1 + If n1 = Then Tmr1.Enabled = True Tmr1.Interval = HScroll1.Value Else Tmr1.Enabled = True End If End Sub Private Sub cmdSTOP_Click() Tmr1.Enabled = False DlPortWritePortUchar &H304, End Sub Private Sub HScroll1_Change() Tmr1.Interval = HScroll1.Value 33 End Sub Private Sub tmr1_Timer() If n