Dựa trên cơ sở của quy trình chế tạo một máy biến áp sẽ đưa ra phương án để thiết kế và chế tạo ra một máy quấn dây đồng bán tự động phục vụ cho việc sản xuất các máy biến áp vòng xuyến
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG
Đặt vấn đề
Hiện tượng cảm ứng điện từ là nền tảng của các máy biến áp và máy phát điện, nơi sự tương tác giữa dòng điện chạy trong dây dẫn hoặc cuộn dây và từ trường hình thành lên từ thông truyền dẫn qua lõi thép kỹ thuật điện hoặc lõi ferit để sinh ra suất điện động cảm ứng bên trong cuộn dây Máy biến áp vòng xuyến (toroidal) được đánh giá có nhiều ứng dụng quan trọng trong xử lý tín hiệu như tần số âm thanh, truyền thông vô tuyến và các mạch điện nhạy cảm với nhiễu thấp nhờ cấu trúc nhỏ gọn và khả năng tự che chắn EMI, đồng thời số vòng dây trên mỗi cuộn ít giúp tăng tính tự bảo vệ và giảm kích thước so với biến áp truyền thống Với ưu điểm cấu trúc hình học chồng lên nhau của cuộn dây và giới hạn từ thông ở lõi hình vòng, biến áp vòng xuyến giúp giảm nhiễu và tăng hiệu suất, đồng thời là thành phần chủ chốt trong các máy ổn áp nhằm duy trì sự ổn định điện áp cung cấp cho dân sự và công nghiệp Tuy nhiên, việc quấn dây qua lỗ trung tâm và sự khác biệt về tiết diện khiến việc gia công thủ công tốn nhiều thời gian và chi phí cao hơn so với các loại máy biến áp thông thường Nghiên cứu thiết kế và chế tạo một máy công cụ hỗ trợ cho việc quấn máy biến áp vòng xuyến có thể rút ngắn thời gian sản xuất và đặt nền tảng cho tích hợp điều khiển với hệ thống cơ khí nhằm tối ưu hóa hoạt động của máy, từ đó giúp Việt Nam giảm sự phụ thuộc nhập khẩu công nghệ và hạ giá thành sản phẩm.
Nội dung của đề tài được chia thành 5 chương Trong Chương 1, đề tài trình bày tổng quan về đối tượng nghiên cứu chính nhằm làm rõ mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu, đồng thời xác định phạm vi và bối cảnh của vấn đề Chương này đặt nền tảng cho việc hình thành câu hỏi và giả thuyết nghiên cứu, giúp người đọc nắm được mục đích nghiên cứu và phương hướng thực hiện Các chương tiếp theo mở rộng bằng cách rà soát cơ sở lý thuyết và các nghiên cứu liên quan, xây dựng khung phương pháp, mô tả quy trình thu thập và phân tích dữ liệu, từ đó trình bày kết quả, thảo luận và những đóng góp khoa học Bộ nội dung được trình bày một cách logic, chặt chẽ và dễ đọc, đồng thời tối ưu cho công cụ tìm kiếm với các từ khóa liên quan đến đề tài, đối tượng nghiên cứu, mục tiêu và kết quả nghiên cứu.
Đề tài được trình bày với hai phạm vi và phương pháp nghiên cứu rõ ràng Chương 2 và 3 là nội dung trọng tâm, thực hiện phân tích yêu cầu thiết kế một máy biến áp xuyến với các thông số kỹ thuật cho trước và từ đó xây dựng cơ sở thiết kế hệ thống truyền động cũng như mạch điều khiển cho hệ thống Chương 4 cung cấp quy trình gia công, lắp ráp và thử nghiệm hệ thống với các loại vòng biến áp khác nhau, đảm bảo tính khả thi và hiệu suất vận hành Nội dung kết luận và hướng phát triển được tổng hợp ở Chương 5, nhằm định hướng các cải tiến và ứng dụng của đề tài trong tương lai.
Tổng quan về đối tượng nghiên cứu
1.2.1 Các đặc trưng cơ bản của máy quấn dây
Máy quấn dây có nhiều chủng loại, theo chức năng phổ biến gồm máy quấn dây cáp điện, máy quấn dây hàn (ví dụ dây chuyền H8A-VD, W49-VD ở nhà máy que hàn Việt Đức), máy quấn dây điện quay và đặc biệt là máy quấn dây biến áp Trong đó, máy quấn dây biến áp là công cụ dùng để quấn đồng thành cuộn với chiều dài và số vòng quấn có thể điều chỉnh theo yêu cầu Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nước nghiên cứu và chế tạo máy quấn dây biến áp từ bán tự động đến tự động, như Trung Quốc, Đài Loan, Ấn Độ, Đức; tuy nhiên giá thành của các máy này rất cao, ví dụ máy do Đài Loan sản xuất 13.500 USD và máy do CHLB Đức sản xuất 30.000 USD Trong nước cũng có một số đơn vị nghiên cứu và chế tạo máy quấn dây máy biến áp, như Trung tâm nghiên cứu và phát triển thị trường khoa học công nghệ (viện IMI), Viện cơ khí, và Công ty TNHH sản xuất thương mại dịch vụ Thi Bảo (Gò Vấp – TP Hồ Chí Minh).
Qua tìm hiểu về các loại máy quấn dây cho máy biến áp, có thể thấy chúng thường có chung nguyên lý hoạt động và cấu tạo cơ bản Một máy quấn dây biến áp được chia làm ba phần chính: phần cơ khí để thực hiện quá trình quấn và bố trí dây, phần điều khiển tự động nhằm tối ưu hoá chu trình quấn, và phần động cơ cung cấp lực quay cho hệ thống quấn Các yếu tố này kết hợp giúp máy quấn dây hoạt động ổn định, chính xác và hiệu quả trong sản xuất biến áp.
- Phần cơ khí gồm: Cơ cấu quấn dây, Cơ cấu rải dây, Cơ cấu nhả dây…
- Phần động cơ điện: Động cơ quấn dây, Động cơ rải dây.
Phần điều khiển của hệ thống máy quấn dây gồm các nút nhấn, màn hình hiển thị và bộ xử lý trung tâm Trong đó, card vi điều khiển đã được lập trình với chương trình điều khiển và giao diện giao sát, cho phép đo lường qua máy tính hoặc màn hình hiển thị Hệ thống có chức năng cài đặt các thông số vận hành và giám sát toàn bộ quá trình hoạt động của máy quấn dây.
Trong các máy tự động hiện đại, còn có chức năng tự động cắt và bọc giấy cách ly cho máy biến áp Để quấn dây đều, đẹp và không đứt, cần phối hợp nhịp nhàng giữa tốc độ rải dây và tốc độ quấn của hai động cơ; khi động cơ quấn chạy ở tốc độ cao thì động cơ rải dây cũng phải tăng tốc Quá trình rải dây diễn ra liên tục quanh vòng quấn, còn để dây quấn không bị đứt nhưng vẫn duy trì độ căng cần thiết thì phải có cơ cấu điều chỉnh độ căng dây Do vậy, hai động cơ phải được ràng buộc với nhau và dưới sự giám sát của bộ điều khiển trung tâm thông qua vi xử lý.
Các đặc điểm cơ bản cần có của một máy quấn dây đồng là [1]:
- Máy quấn dây điện áp dụng cho tất cả các loại dây điện hoặ c dây đồng có kích thước khác nhau.
- Điều chỉnh các thông số như tốc độ, số vòng quấn, chiều dài quấn dễ dàng.
- Máy quấn dây điện tự động, nhanh, đều, đẹp và chính xác.
- Có chức năng lưu giữ nhiều chương trình đã được cài đặt.
- Có máy quấn được nhiều cuộn cùng lúc mang lại năng suất cao.
- Máy quấn dây điện tự động rất dễ sử dụng, chất lượng cao và độ bền lâu.
1.2.2 Phân loại các máy quấn dây đồng hiện có trên thị trường
Máy quấn dây đồng chủ yếu dùng để chế tạo các loại máy biến áp có nhiều vòng dây được sắp xếp đều trên lõi từ, với các cấu trúc lõi như hình chữ nhật UI, lõi EI hoặc lõi hình trụ tròn, nhằm điều chỉnh điện áp đầu ra dựa trên mối quan hệ vòng dây giữa cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp Trong các loại lõi vừa nêu, biến áp hình xuyến có mạch từ làm bằng quấn tròn giải lá tôn liên tục hoặc đúc bằng ferit; mạch từ kín không có mối ghép nên không phát sinh từ thông tản, tiếng ù và nhiễu điện từ ảnh hưởng tới các linh kiện gần đó Biến áp hình xuyến có hiệu suất sử dụng cao hơn biến áp lõi chữ EI từ 10% đến 15% Nó được ứng dụng rộng rãi trong nhiều thiết bị công nghiệp và dân dụng như biến áp tự động ổn áp, biến áp tự ngẫu, biến áp đo dòng và biến áp nguồn Các loại máy biến áp vòng xuyến nói trên khác nhau về kích thước lõi, công suất và điện áp vào/ra, còn cấu trúc hình học thì tương tự.
Có nhiều cách để đưa vòng dây đồng vào lõi của máy biến áp, từ các phương pháp cơ bản cho đến các hệ thống hiện đại Có thể phân loại máy quấn dây đồng cho máy biến áp thành ba loại chính: máy quấn dây biến áp thủ công (Hình 1.4), máy quấn dây biến áp bán tự động (Hình 1.5) và máy quấn dây biến áp tự động (Hình 1.6) Mỗi loại được thiết kế để tối ưu hóa quá trình quấn, tiết kiệm thời gian và tăng độ chính xác khi đặt vòng dây đồng vào lõi.
Hình 1.1 cho thấy một số loại máy quấn dây hiện có trên thị trường, gồm máy quấn cuộn dây chữ nhật DMB 1005, máy quấn cuộn dây tròn AM3175, máy quấn dây cáp điện của hãng ABM và máy quấn dây biến áp RX13-5020 Các mẫu này thể hiện sự đa dạng về thiết kế và ứng dụng, từ quấn cuộn chữ nhật và tròn đến quấn cáp điện và quấn biến áp, đáp ứng nhu cầu sản xuất dây dẫn và biến áp trong các ngành công nghiệp khác nhau. -**Support Pollinations.AI:** -🌸 **Ad** 🌸Powered by Pollinations.AI free text APIs [Support our mission](https://pollinations.ai/redirect/kofi) to keep AI accessible for everyone.
Hình 1.2 Cấu trúc hình học của một số lõi thép máy biến áp a) b) c) d)
Hình 1.3 trình bày một số loại máy biến áp vòng xuyến thông dụng Các loại chính được liệt kê gồm biến áp tự động ổn áp, biến áp tự ngẫu, biến áp công tắc đo dòng và biến áp nguồn.
Hình 1.4 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp thủ công
Hình 1.5 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp bán tự động
Hình 1.6 Hình ảnh một số máy quấn dây biến áp tự động 1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Việc nghiên cứu, tính toán và thiết kế ra một máy quấn dây đồng cho máy biến áp vòng xuyến là hoạt động thiết yếu đối với đội ngũ cán bộ kỹ thuật chuyên ngành chế tạo máy, tạo nền tảng thực tiễn bổ sung các hạn chế về lĩnh vực điện - điện tử và điều khiển tự động Khi máy được chế tạo thành công, nó mở ra cơ hội cho các cơ sở nghiên cứu trong nước và các cơ sở sản xuất với quy mô vừa và nhỏ triển khai thử nghiệm, sản xuất nhanh các mẫu máy biến áp với chi phí thấp hơn nhiều so với việc dùng thiết bị ngoại nhập nhưng vẫn đáp ứng đầy đủ nhu cầu sản xuất.
Việc xây dựng nền tảng phần cứng cơ khí vững chắc sẽ là nền tảng cho sự phát triển của hệ thống điều khiển bằng cách tích hợp nhiều cảm biến khác nhau để giám sát và điều khiển quá trình hoạt động của máy với hiệu quả cao hơn Nhờ đó, hệ thống có thể tối ưu hóa quá trình vận hành, tăng cường tự động hóa và nâng cao độ chính xác cũng như tính ổn định trong mọi điều kiện làm việc Điều này khẳng định vai trò cốt lõi của khung cơ khí trong thiết kế hệ thống điều khiển và mở rộng tiềm năng ứng dụng của nó.
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
ậ t cơ khí hoàn toàn đáp ứng được các yêu cầu linh hoạt trong thực tế sản xuất.
Nhiệm vụ của đề tài và phạm vi nghiên cứu
Nghiên cứu, thiết kế chế tạo máy quấn dây đồng cho máy biến áp vòng xuyến cần phải đạt được những mục tiêu sau:
- Nghiên cứu tổng quan về trình tự hoạt động của máy qu ấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động.
- Nghiên cứu, thiết kế hệ thống truyền động cấp dây và quấ n dây của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động.
- Xây dựng thuật toán và lựa chọn các thành phần trong hệ thống điều khiển của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến bán tự động.
- Chế tạo, lắp ráp thử nghiệm hệ thống truyền động cấp dây, quấ n dây cùng hệ thống điều khiển thành một khối thống nhất.
Phương pháp nghiên cứu
Dựa trên thực tiễn phân tích các máy quấn dây biến áp tự động vòng xoắn đang có trên thị trường trong nước và quốc tế, bài viết làm nền tảng cho quá trình nghiên cứu và lập luận nhằm đề xuất hướng giải quyết đề tài Việc so sánh về thiết kế, công suất, độ ổn định, độ chính xác và chi phí vận hành giữa các dòng máy giúp làm rõ ưu nhược điểm và rủi ro kỹ thuật của từng giải pháp Từ đó, đề xuất các hướng cải tiến như tối ưu hóa quy trình quấn, tích hợp hệ thống tự động hóa và cảm biến giám sát chất lượng, nâng cao năng suất và chất lượng quấn đồng thời cân nhắc yếu tố bảo trì và vòng đời thiết bị Các kết quả phân tích này nhằm đưa ra các giải pháp mang tính thực tiễn và khả thi cho đề tài nghiên cứu.
Nghiên cứu các nguyên lý cơ học được áp dụng để phân tích và tính toán trong thiết kế và điều khiển hệ thống truyền động Bài viết tham khảo các tài liệu liên quan đến phương pháp tính toán, mô hình hóa và tối ưu hóa hệ thống truyền động, nhằm nâng cao hiệu suất, độ tin cậy và an toàn trong vận hành Nội dung tập trung đặc biệt vào hai hình thức truyền động phổ biến: bánh ma sát và truyền đai răng, với phân tích lực tác động, mô men và hiệu suất truyền động Việc sử dụng các kỹ thuật phân tích và mô phỏng giúp tối ưu hóa thiết kế, lựa chọn vật liệu và điều khiển để đáp ứng yêu cầu vận hành thực tế Các tài liệu tham khảo cung cấp phương pháp thiết kế, đánh giá rủi ro và quy trình kiểm tra để đảm bảo tính khả thi và hiệu quả của hệ thống truyền động bánh ma sát và truyền đai răng.
Nguyên cứu phần mềm mô phỏng việc tháo lắp, xây dựng quy trình sử dụng.
TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ CỦA MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG CHO MÁY BIẾN ÁP VÒNG XUYẾN
Các đặc trưng cơ bản của biến áp vòng xuyến
Về mặt hình học, biến áp hình xuyến là một lõi ferrit hình trụ (Hình 2.1) với ba kích thước chủ đạo: OD (đường kính ngoài, đơn vị mm), ID (đường kính trong, đơn vị mm) và chiều cao H (đơn vị mm).
Hình 2.1 Kết cấu hình học của máy biến áp hình xuyến
Về đặc điểm điện – từ thì máy biến áp hình xuyến là một máy điện, vì th ế giá trị về công suất P W , điện áp đầu vào U
V là các giá trị cần được quan tâm đầu tiên trong quá trình thiết kế máy biến áp Do đồ án chỉ tập trung vào thiết kế hệ thống quấn dây cho máy biến áp vòng xuyến, nên các tham số khác của máy ở các chế độ như không tải, ngắn mạch, hiệu suất, cũng như tính chất của lõi thép sẽ không được đề cập đến trong nội dung đồ án này.
Quy trình thiết kế một biến áp vòng xuyến
2.2.1 Tổng quan về quá trình thiết kế máy biến áp vòng xuyến
Một máy biến áp là thiết bị điện, nên quá trình thiết kế bắt đầu từ công suất định mức và các giá trị điện áp vào-ra mà máy phải đáp ứng Dựa trên các tham số này, người thiết kế xác định các thông số hình học của máy, số vòng dây và tiết diện của dây quấn trên cuộn sơ cấp và thứ cấp Khi có được các tham số hình học, quá trình quấn dây được thực hiện lên vòng xuyến, do máy quấn dây đảm nhiệm Các giai đoạn của quá trình thiết kế và quấn vòng được trình bày trên hình 2.2.
SỐ HÌNH HỌC CỦA BIẾN ÁP
Hình 2.2 Tổng quan về thiết kế máy biến áp vòng xuyến
2.2.2 Tính toán các thông số hình học cho máy biến áp vòng xuyến a Xác định tổng thể công suất lõi máy biến áp
Tổng thể công suất lõi của máy biến áp P thiết kế bất kỳ một máy biến áp nào Công thức được xác định theo công thức (1) [6].
W lõi là giá trị ban đầu cho trước khi của máy biến áp vòng xuy ến
Trong đó: S – Tổng thể diện tích lõi cuộn dây máy biến áp, mm 2 b Tính tổng thể diện tích lõi cuộn dây máy biến áp
Tổng thể diện tích lõi theo công thức (2) [6]
S [mm ] của máy biến áp vòng xuy ến được xác định
Trong đó: OD – kích thước ngoài lõi biến áp vòng xuyến, mm
ID – kích thước trong lõi biến áp vòng xuyến, mm
Ht là chiều cao của lõi biến áp vòng xuyến Đối với từng loại máy quấn dây dùng cho biến áp vòng xuyến, các giá trị PW (công suất), OD (đường kính ngoài), ID (đường kính trong) và Ht được xác định và nằm trong giới hạn do thiết kế cơ khí của máy quy định Mục tiêu của loại máy quấn dây này là để chế tạo biến áp vòng xuyến có giá trị công suất định mức phù hợp với yêu cầu ứng dụng.
Máy biến áp 2000 W là loại biến áp cỡ trung bình, thường được dùng trong các ổn áp nhỏ và các ampli Với công suất tối đa 2000 W, người ta có thể ước lượng tải và thiết kế hệ thống sao cho hiệu suất và độ tin cậy được tối ưu Từ giá trị công suất ban đầu và công thức tính, ta xác định cách chọn biến áp phù hợp với yêu cầu của ổn áp và thiết bị tải, đồng thời đánh giá tiêu hao năng lượng và nhiệt sinh ra trong quá trình vận hành.
(1), (2) ta có thể xác định tổng quát về kích thước hình h ọc của lõi biến áp vòng xuyến như trong bảng 2.1 Các giá trị trong bảng 2.1 chính là căn cứ để thiết kế lên khung cơ khí của máy quấn dây trong phần 3 của đồ án này.
Bảng 2.1 Thông số điện và hình học của máy biến áp đang thiết kế
2 Điện áp đầu vào U IN V (AC)
3 Điện áp đầu ra U OUT V (AC)
4 OD – kích thước ngoài lớn nhất của biến áp [mm]
5 ID – Kích thước trong nhỏ nhất của biến áp [mm]
6 H – chiều cao, [mm] c Xác định cường độ dòng điện và xác định tiết diện dây quấn trên các cuộn dây máy biến áp
Cường độ dòng điện I [ A] và tiết diện dây quấn d [ mm] trên các cu ộn dây của máy biến áp được xác định lần lượt theo công thức (3) và (4).
Trong đó: I i [ A] và U i [V] là cường độ dòng điện và điện áp của các cuộn dây với: i =1 - dùng cho cuộn sơ cấp; i = 2 - dùng cho cuộn thứ cấp;
Tiết diện dây quấn trên cuộn sơ cấp và thứ cấp được xác định bởi (4) d = 0.7 i
Trong đó: I i [ A] là cường độ dòng điện của các cuộn dây được xác định b ởi
(3) với i =1 - dùng cho cuộn sơ cấp i = 2 - dùng cho cuộn thứ cấp; d Xác định số volt trên một vòng dây Đây là thông số quan trọng có đơn vị là V turn đặc trưng cho giá tr ị điện áp trên một vòng dây của máy biến áp và được xác định bởi (5)
Trong đó, hệ số K của máy biến áp (K = 32–50) phụ thuộc vào hình học của máy Đối với biến áp có cấu trúc lõi hình chữ nhật UI hoặc lõi EI, K = 40; đối với biến áp có lõi hình trụ tròn hoặc biến áp xuyến, K = 40; thông thường biến áp xuyến được thiết kế với K = 42 [6, 7] e Xác định số vòng dây trên các cuộn dây máy biến áp.
Số vòng dây trên các cuộn dây được xác định dựa trên công thức (6)
Trong đó: cuộn sơ cấp; i = 2
+ U i [V] là và điện áp của các cuộn dây với:
- dùng cho cuộn thứ cấp;
+ U unit - số volt trên một vòng dây (5) i =1 - dùng cho
Việc lựa chọn loại dây quấn và số vòng dây cho cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp của máy biến áp cho phép xác định kích thước thực tế sau khi quấn dây Các tham số kích thước này sau khi quấn có thể được tính toán bằng phần mềm [11] dựa trên các dữ kiện được xác định qua các công thức từ (1) đến (6) Đây là kích thước cuối cùng của máy biến áp sau khi hoàn thiện quy trình quấn và lắp đặt.
Các phương án thiết kế hệ thống máy quấn dây đồng
Hình 2.3 Xác định các giá trị cực đại của vòng xuyến sau quấn dây nhờ phần mềm 2.3 Các phương án thiết kế hệ thống máy quấn dây đồng
Qua quá trình khảo sát các dòng máy quấn biến áp đang được sử dụng trên thị trường, chúng tôi tạm thời phân loại thành ba phương án chế tạo máy quấn dây như sau: phương án 1 là chế tạo máy quấn dây theo thiết kế cơ bản với các thành phần tự động hóa ở mức tối giản, phù hợp với chi phí thấp và thời gian triển khai ngắn; phương án 2 là tích hợp công nghệ tự động hóa và kiểm soát CNC để nâng cao độ chính xác và năng suất, đáp ứng nhu cầu sản xuất quy mô trung bình đến lớn; phương án 3 là tận dụng một số thành phần có sẵn và tối ưu hóa chi phí bằng cách cải tiến hệ thống điều khiển và khuôn quấn, phù hợp cho các xưởng gia công nhỏ hoặc các trường hợp đặc thù Những phương án này giúp tối ưu hóa chi phí, hiệu suất và chất lượng quấn dây trên máy quấn biến áp.
2.3.1 Phương án 1 Đây là phương án mà máy có vòng chứa dây đồng nằm bên trong của vòng quấn dây (Hình 2.4) Phương án này được sử dụng cho các máy quấn dây biến áp có công suất nhỏ hoặc các cuộn dây cảm kháng với số lượng dây qu ấn ít và được áp dụng cho các cơ sở sản xuất nhỏ hoặc các cá nhân có mục đích tự chế ra các máy biến áp cho quá trình nghiên cứu, thử nghiệm các sản phẩm có liên quan đến biến áp vòng xuyến Nguyên tắc hoạt động chính của phương án này d ựa trên s ự quay của động cơ DC 2 sẽ làm dây đai 3 quay, d ẫn đến vòng d ẫn động chính 4 quay theo dựa trên sự ma sát của vòng với dây đai Vòng dẫn động chính 4 mang theo cuộn chứa dây đồng 5 quay quanh cuộn biến áp vòng xuyến 8 và lần lượt nh ả
13 dây lên biến áp vòng xuyến [10] Trên cuộn chứa dây đồng 5 có gắ n một lò xo để tạo lực căng cho dây (Hình 2.5).
Hình 2.4 Phương án 1 của máy quấn dây đồng
Hình 2.5 Cơ cấu dùng lò xo tạo lực căng dây cho vòng chứa dây đồng 2.3.2 Phương án 2
Vòng quấn và rải dây được dùng chung, với dây đồng quấn thẳng vào bên trong vòng dẫn động chính số 3 và bị dây đai số 2 đè lên Động cơ DC số 1 quay dần theo các ròng rọc được quay bởi dây đai số 2; lúc này dây đồng quấn quanh cuộn biến áp số 6 được căng dây bởi trục chống tâm số 4 Động cơ bước số 5 hoạt động và làm cho ba trục quay quanh cuộn biến áp số 6 (Hình 2.6).
Hình 2.6 Phương án 2 của máy quấn dây đồng 2.3.3 Phương án 3
Phương án 3 tách biệt hoàn toàn quá trình dẫn động chính của máy, nạp dây và xả dây nhằm quấn các dây đồng lên lõi biến áp vòng quanh Máy quấn theo phương án này gồm hai vòng: vòng truyền động và vòng rải dây; khi nạp dây, bánh răng liên kết với vòng nạp, còn khi quấn, bánh răng quay vòng nạp được tháo khớp liên kết để tự quay theo bánh răng nhờ dây đồng gài vào tấm đỡ dây và con lăn Động cơ DDC quay dẫn đến các ròng rọc quay bằng dây đai, lúc này ta cấp dây đồng vào vòng dây đồng; sau đó bắt đầu quấn dây bằng cách nhập thông số trên bảng điều khiển, động cơ DDC quay khiến vòng quấn dây quấn quanh vòng biến áp, trên vòng quấn có cảm biến sẽ tự động đếm vòng để động cơ bước quay theo con lăn và quấn theo từng lớp dây đồng (Hình 2.7) Các máy quấn dây đồng của Trung Quốc và Đức hiện nay hoạt động chủ yếu dựa trên phương án này [11] Dựa trên các phương án đã tổng hợp, bảng 2.2 trình bày khái quát ưu nhược điểm của từng phương án.
Hình 2.7 Phương án 3 của máy quấn dây đồng a của Trung Quốc, b của Đức
Bảng 2.2 Ưu điểm và nhược điểm của các phương án Ưu điểm Nhược điểm
Phương án thiết kế tập trung vào kết cấu đơn giản và gọn nhẹ cho cuộn biến áp vòng xuyến, với kích thước đủ to để đảm bảo hiệu suất và độ tin cậy Các thông số được nhập tự động giúp cuộn dây đồng có thể chui lọt trong không gian thiết kế, tối ưu hóa bố trí cuộn và giảm chi phí sản xuất.
- Khoảng cách giữa các vòng quấn không đồng đều
- Không thể canh chỉnh độ đồng tâm của loại biến áp cần quấn
- Chưa đáp ứng yêu cầu đảm bảo độ căng dây
Phương có kết cấu đơn giản, gọn nhẹ, tối ưu cho vận hành và bảo dưỡng Không có hệ thống ngắt tự động ở giai đoạn 2, nhưng vẫn đạt độ chính xác cao trong các thao tác Khi gặp sự cố đứt lỏi dây biến áp, cần được quấn lại đúng chuẩn để đảm bảo hoạt động và an toàn cho hệ thống.
- Cần sử dụng thủ công để căng dây giai đoạn đầu
- Ít có tính thẩm mỹ
Phương sở hữu kết cấu đơn giản, gọn nhẹ và vận hành ở chế độ bán tự động, mang lại sự linh hoạt cho người dùng khi thao tác Phiên bản 3 được thiết kế với giao diện thân thiện và kết cấu thuận tiện, giúp thao tác dễ dàng và hiệu quả, nhưng lại không có hệ thống ngắt tự động khi gặp sự cố, buộc người vận hành phải tự xử lý và có thể ảnh hưởng đến an toàn và trải nghiệm người dùng.
- Cần sử dụng thủ công để căng dây + Tương đối dễ dàng trong quá giai đoạn đầu trình chế tạo
+ Dễ điều khiển, linh động
+ Dễ dàng tháo lắp và bảo dưỡng
2.3.4 Lựa chọn phương án thiết kế
Máy có 16 chế độ vận hành dễ dàng, kết hợp tách riêng cơ cấu truyền động khỏi vòng nạp và rải dây để tránh đứt dây trong thao tác Hệ thống còn được trang bị cơ cấu hãm chuyển động của vòng nạp và rải dây nhằm đảm bảo độ căng dây khi quấn Thiết bị có thể quấn được nhiều loại dây với tiết diện khác nhau nhờ vòng nạp có thiết kế cho phép chứa được nhiều dây quấn Số lượng cuộn dây quấn lớn là do vòng nạp có tiết diện rộng chứa được nhiều dây Thông số thiết kế sơ bộ của máy được trình bày trong bảng 3.
Bảng 2.3 Thông số thiết kế sơ bộ của máy quấn dây biến áp vòng xuyến
Hệ thống dẫn động điều khiển + Dẫn động chính sử dụng động cơ DC 150W + Động cơ bước sử dụng để quay biến áp vòng xuyến
[mm] Đường kính ngoài lớn nhất, [mm]
8–75 Đường kính trong nhỏ nhất, [mm]
Kích thước tổng quát 350 x 250 x 180 mm
CHƯƠNG 3 : TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG CỦA
MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG CHO MÁY BIẾN ÁP VÒNG XUYẾN
Xây dựng mô hình 3D của máy
Phần mềm Solid Works được sử dụng trong quá trình thiết k ế mô hình 3D của máy quấn dây biến áp vòng xuyến.
Mô hình tổng thể của máy
Về tổng quan, máy quấn dây biến áp vòng xuyến được cấu thành từ bốn cụm chi tiết chính: cơ cấu truyền động chính của máy; cơ cấu chứa dây; cơ cấu hãm chuyển động của vòng chứa dây; và cơ cấu truyền động phụ của máy Các cụm này phối hợp nhịp nhàng để đảm bảo quá trình quấn dây diễn ra ổn định và hiệu quả, và được thể hiện chi tiết trong Hình 3.1.
Hình 3.1 Mô hình tổng thể của máy 3.1.1 Mô hình cơ cấu truyền động chính của máy
Cơ cấu truyền động chính của máy (Hình 3.3) được đặt sát với thân máy và được truyền động nhờ hệ thống dây đai và các bạc dẫn hướng (Hình 3.2).
Trên vòng chuyển động chính được bố trí khóa gài nhằm giúp người sử dụng đặt lõi của biến áp vòng xuyến khi thao tác.
Hình 3.2 Mô hình vòng tròn truyền chuyển động chính
Hình 3.3 Khóa gài trên vòng tròn truyền chuyển động chính
3.1.2 Mô hình cơ cấu chứa dây
Cơ cấu chứa dây được kết nối với các bạc dẫn hướng trên thân máy (Hình
3.2) và được đặt liền kề với vòng tròn truyền chuyển động chính của máy Khi máy hoạt động ở chế độ nạp dây, cơ cấu hãm chuyển động của vòng ch ứa dây (Hình
Trong mục 3.5, vòng chứa dây được tách ra khỏi bộ phận chứa dây Vòng chứa dây sau đó liên kết với vòng tròn truyền chuyển động chính thông qua ốc M5 (Hình 3.4b) và có vận tốc chuyển động bằng vận tốc của vòng tròn truyền chuyển động chính.
Hình 3.4 trình bày mô hình vòng tròn chứa dây đồng, trong đó phần a mô tả vòng tròn chứa dây và khóa gài, còn phần b thể hiện liên kết giữa vòng tròn chứa dây đồng và vòng tròn truyền chuyển động chính.
3.1.3 Mô hình hãm chuyển động của vòng chứa dây
Cơ cấu hãm chuyển động của vòng chứa dây (hình 3.5a) có chức năng giữ vòng chứa dây không chuyển động khi máy hoạt động ở chế độ quấn dây và tạo lực căng dây khi quấn dây đồng vào lõi của biến áp vòng xuyến Cơ cấu hãm này liên kết với vòng chứa dây và thân máy như thể hiện ở hình 3.5b, 3.5c, giúp điều khiển sự dịch chuyển của vòng chứa dây và đảm bảo quá trình quấn được thực hiện ổn định.
Hình 3.5 Cơ cấu hãm chuyển động của vòng chứa dây 3.1.4 Mô hình cơ cấu truyền động phụ của máy
Cơ cấu truyền động phụ của máy gồm ba cụm chi tiết nhỏ: cụm bạc đỡ cố định (hình 3.6b); cụm bạc đỡ di động gắn với động cơ bước (hình 3.6a); và cụm tỳ quay nhằm điều chỉnh khoảng cách tương đối giữa các bạc đỡ cố định và di động, giúp người dùng linh hoạt trong việc điều chỉnh các loại lõi biến áp với các đường kính khác nhau.
Hình 3.6 Cơ cấu truyền động phụ của máy a cụm bạc đỡ di động; b cụm bạc đỡ cố định
Trình tự tính toán hệ thống cấp dây
Việc tính toán cơ cấu truyền động của máy bao gồm giải quyết các vấn đề liên quan nhằm xác định cấu trúc các phần tử quay của vòng chứa dây, xuất phát từ năng suất yêu cầu Q_yc [unit / h] Giá trị năng suất này chính là số máy biến áp cần sản xuất trong 1 giờ Do đó, thời gian để quấn một máy biến áp (giả sử chỉ quấn một cuộn dây sơ cấp hoặc thứ cấp bất kỳ) tính theo phút là:
3.2.1 Xác định vận tốc quấn dây
Công thức (6) cho phép xác định số vòng dây cần quấn T_i (turn) Giá trị lớn nhất đối với loại máy biến áp được nêu trong Bảng 1 nằm trong phạm vi từ giá trị tối thiểu đến giá trị tối đa đã được xác định cho loại máy biến áp này.
350 đến 400 vòng Vận tốc quấn dây trong một phút được xác định theo công thức
Vận tốc quấn dây chính là số vòng dây có thể quấn lên lõi biến áp vòng xuyến mỗi phút, đồng thời cũng là vận tốc chuyển động của vòng tròn chuyển động chính cùng với vòng chứa dây có khối lượng m2 [kg] và khối lượng dây đồng bên trong vòng chứa dây là m3 [kg] Khi đó tổng khối lượng của các vòng chuyển động bằng m2 + m3.
M = m 1 + m 2 + m 3 = 0,5 + 0,4 + 0,1 = 1 (kg) Vận tốc dài của vòng quấn dây được xác định theo công thức :
Trong đó: D – đường kính vòng chứa dây (mm)
3.2.2 Tính mật độ dây đồng
Mật độ dây đồng là số vòng dây đồng chứa được trên vòng chứa dây (Hình
3.7) và được xác định bởi công thức : yc
Hình 3.7 Sự phân bố dây đồng trong vòng chứa dây
3.2.3 Tính và lựa chọn thông số các động cơ
Dưới tác động của trọng trường, lực tác động lên cơ cấu chuyển động của máy [2, 3, 4]
+ M - Tổng khối lượng vòng quay (kg) + g - Gia tốc trọng trường (m/s 2 ) = 9,8 m/s 2 m 1 [kg]
Công suất của động cơ truyền động chính được xác định bởi :
Trong hệ thống này, máy sử dụng động cơ bước để quay lõi vòng xuyến nhằm đưa dây đồng vào lõi Động cơ bước làm việc ở chế độ full-step để đảm bảo quỹ đạo quay đều và độ chính xác cao Đối với động cơ NEMA 17, mỗi bước có góc dịch chuyển 1,8 độ Dựa vào số vòng dây cần rải Ti (turns), ta xác định được tốc độ rải dây N theo công thức N = 60 Ti và các tham số qc, Qyc, cùng với góc rải dây (degree); từ đó có thể xác định thời gian tạo xung nhịp cho mạch điều khiển động cơ bước theo biểu thức tương ứng.
Các giá trị T i [turn] , N = 60 T i yc Q yc
Degree và OD là các tham số có thể thay đổi được và được người thao tác thiết lập trước khi tiến hành quấn dây Các tham số này ảnh hưởng đến quá trình quấn và chất lượng sản phẩm, quyết định độ chính xác và kích thước của thành phẩm Giá trị pulley là giá trị mặc định của máy (15).
3.2.4 Tính puly truyền động (thêm số)
+ D – đường kính vòng ngoài (mm)
+ N – số vòng quay vòng tròn to (rpm)
+ n – số vòng quay của mô tơ (rpm)
3.2.5 Tính chiều dài dây đai
Mô đun m xác định theo công thức thực nghiệm:
Suy ra bước răng đai : p = m.π = 1,5.3,14 = 4,71 (mm) => Chọn p = 4,7 (mm)
+ n1 – Số vòng quay bánh dẫn (vg/ph)
+ Cr = 1 : Hệ số tải trọng động
Chiều rộng b đai răng xác định theo công thức :
C r = 1 : Hệ số tải trọng động
C c = 1 : Hệ số xét đến việc có sử dụng con lăn căng hoặc con lăng dẫn hướng
[p]z = 0,5 : Áp lực cho phép MPa z0 = 17 : Số răng ăn khớp trong bánh đai nhỏ h = 1 : Chiều cao của đai ψ = 1 : Hệ số phân bố tải trọng không đều giữa các răng
Chọn số răng của đai : z p = 130
Chọn chiều rộng đai : b = 6 (mm)
Chọn chiều dài đai : L p = π.m.z p = 3,14.1,5.130 = 612,3 => Chọn 610 (mm)
3.2.6 Tính lực giữ lò xo
Việc xác định lực giữ của lò xo nhằm đảm bảo vòng chuyển động chính của máy lăn không trượt trên các con lăn là yếu tố then chốt của phân tích cơ cấu Quá trình phân tích chuyển động của vòng cho ta một giản đồ phân bố lực như minh họa trên Hình 3.8, từ đó làm rõ cơ chế tác động của lò xo lên vòng và mức tải trên các con lăn Nhiệm vụ chính là xác định lực căng tối thiểu của lò xo để duy trì tiếp xúc và ngăn vòng khỏi trượt, đồng thời đáp ứng yêu cầu về tải trọng và điều kiện làm việc của hệ thống.
Hình 3.8 Giản đồ bố trí lực trên vòng chuyển động chính của máy Điều kiện để vòng quay không trượt trên đai :
+ v – Vận tốc vòng quay nhỏ ( m/s )
+ f – Hệ số ma sát tĩnh giữa thép và cao su = 0,7
Thiết kế hệ thống điều khiển cho máy quấn dây
Hệ thống điều khiển của máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến về cơ bản phải đáp ứng các yêu cầu đã được phân tích ở Chương 1 Vì thế, ở mức sơ bộ, hệ thống điều khiển gồm các khối chức năng: khối nguồn, khối vi điều khiển, khối hiển thị, khối động lực và khối cảm biến; các khối này có mối quan hệ mật thiết với nhau Trong nội dung thiết kế hệ thống điều khiển, trước tiên sẽ tập trung vào giải thích chức năng của từng khối và từ đó trình bày sơ đồ khối nguyên lý, lưu đồ thuật toán của cả hệ thống, nhằm đảm bảo sự liên thông giữa các thành phần và tối ưu hóa hiệu suất vận hành.
Hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển để xử lý việc nhập các giá trị đầ u vào của lõi biến áp vòng xuyến như:
1.Đường kính vòng ngoài lõi biến áp: OD [mm]
2.Vận tốc rải dây: n [ vong / phut] ; 3.Số vòng phải rải: N [ vong] ;
4 Số độ phải rải: [degree]; Dựa trên công thức (14) giúp xác định thời gian tạo xung nhịp để làm quay động cơ bước, truyền chuyển động quay lõi biến áp vòng xuyến Ngoài ra vi điều khiển còn phải thực hiện chức năng: kiểm soát số vòng dây đã quấn, hiển thị thông số của máy Dựa trên các yêu cầu trên em lựa chọn vi điều khiển Atmega328p của hãng Atmel làm vi điều khiển chính của hệ thống điều khiển
(Hình 3.9) Thông s ố kỹ thuật của vi điều khiển được trình bày trong Bảng 3.1.
Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của
Vi điều khiển ATmega328 Điện áp hoạt động 5V Điện áp đầu vào (khuyên dùng) 7-12V Điện áp đầu vào (giới hạn) 6-20V
Chân Digital I/O 14 (Với 6 chân PWM output)
Chân đầu vào Analog 8 (thêm A6, A7) so với UNO
Dòng sử dụng I/O Pin 20 mA (tối đa 40mA)
Bộ nhớ Flash 32 KB (ATmega328)
Công suất của toàn bộ hệ thống được xác định dựa trên tổng công suất của các phần tử điện – điện tử có trong hệ và dao động quanh mức 200 W Do đó, ta sẽ phân tích các thành phần cấu thành để đánh giá đóng góp của từng phần tử và đề xuất các biện pháp điều chỉnh nhằm ổn định công suất tổng ở mức gần 200 W, đồng thời tối ưu hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống.
Hình 3.10 Nguồn điện sử dụng cho hệ thống điều khiển 3.3.3 Khối LCD hiển thị
Khối LCD đảm nhận vai trò hiển thị các tham số và thông tin cần thiết khi máy quấn dây làm việc Loại LCD được sử dụng là SD-DM1602A (Hình 3.11), gồm 4 hàng với mỗi hàng chứa 20 ký tự Khối LCD giao tiếp với vi điều khiển qua giao thức I2C, dùng hai chân SCL và SDA để truyền nhận dữ liệu.
3.3.4 Khối điều khiển động cơ bước Động cơ bước là một loại động cơ mà có thể quy định chính xác số góc quay nhờ vào số xung nhịp được cung cấp cho mạch điều khiển của động cơ bước. Trong máy quấn dây, động cơ bước được sử dụng để truyền chuyển động quay của con lăn liên kết với lõi biến áp vòng xuyến, làm lõi này chuyển động giúp dây đồng được đưa tuần tự vào lõi Yêu cầu đặt ra là động cơ bước p h ả i quay v ới t ốc độ đều với tốc độ quấn dây nhằm giúp khoảng giản cách giữa các vòng dây đ ều nhau, tạo ra từ trường đều Mối quan hệ giữa tốc độ quấn dây, số vòng dây quấn và góc cần quấn đã được trình bày trong 2.3.4 Động cơ bước được sử dụng trong máy quấn dây này là Nema17 với các thông số như trong Bảng 5 Module được s ử dụng cho động cơ bước là module CNC Shield v2 với khả năng điều khiển cùng lúc 3 driver động cơ bước A4988 (Hình 3.12) cùng lúc Tuy nhiên do máy ch ỉ cầ n
1 động cơ bước nên chỉ sử dụng trục Z với hai chân điều khiển DIR – D4, STEP
– D7 để kiểm soát hoạt động của động cơ.
Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật NEMA 17
Kích thước mặt bích Chiều dài thân
Dòng chịu tải Moment xoắn Góc bước a) b) c)
Hình 3.12 Các linh kiện sử a CNC shield dụng cho khối điều khiển động cơ bước V2; b Nema 17; c A4988
3.3.5 Khối đếm số vòng quấn dây
Số vòng quấn dây được xác định làm căn cứ để điều chỉnh vận tốc của cơ cấu xoay lõi biến áp Để đo số vòng đã quấn, ta sử dụng cảm biến tiệm cận kim loại cấp nguồn 5V (Hình 3.13) được gắn trên thân máy Chân tín hiệu của cảm biến này được kết nối với chân D2 của vi điều khiển và được sử dụng cùng với chức năng ngắt.
Thiết bị sử dụng cơ chế ngắt (interrupt) để nhận biết khi kim loại tiếp xúc với mặt trên của phần tử cảm biến Đồng thời, trên vòng tròn chuyển động có một điểm được bố trí với miếng kim loại lộ ra nhằm phát tín hiệu khi có tiếp xúc Thiết kế này cho phép nhận diện nhanh chóng sự tiếp xúc của kim loại với bề mặt, tối ưu hóa độ nhạy cảm biến và cải thiện điều khiển của hệ thống, đồng thời hỗ trợ tối ưu hóa từ khóa SEO liên quan đến cảm biến kim loại, phát hiện kim loại và cơ cấu vòng quay.
Khoảng cách giữa miếng kim loại và cảm biến là khoảng 2 – 4 mm Thông s ố kỹ thuật của cảm biến được cho như trong Bảng 3.3.
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận kim loại LJ12A3-4-Z/BX
Cung cấp điện áp DC 6-36 V
Ngõ ra NPN cực thu để hở Đường kính của đầu dò 12mm
Chất liệu bên ngoài Nhựa, Hợp Kim
Hình 3.13 Cảm biến tiệm cận kim loại và cách kết nối với vi điều khiển
Máy quấn dây đồng bán tự động được thiết kế để quấn dây đồng cho lõi biến áp vòng xuyến Hệ thống gồm các khâu: đặt lõi biến áp vào vị trí quấn, đưa dây đồng vào vòng cấp dây, kết nối vòng quay và vòng cấp dây, và nối dây đồng với lõi biến áp, những bước này vẫn đòi hỏi sự can thiệp của con người Do đó, tính chất tự động của máy được xác định dựa trên các yếu tố như mức độ tự động hóa từng khâu, khả năng đồng bộ giữa vòng cấp dây và vòng quấn, hệ thống điều khiển và cảm biến, độ chính xác căn chỉnh và an toàn vận hành, cũng như hiệu suất và thời gian sản xuất Việc tối ưu các yếu tố này sẽ nâng cao năng suất và chất lượng quấn cho lõi biến áp vòng xuyến và đáp ứng yêu cầu sản xuất linh hoạt hơn.
- Tự động tính toán số vòng quấn dây;
- Tự động xác định trạng thái làm việc của máy dựa trên việc xác định số vòng dây đã quấn;
- Tự động đưa ra lệnh để điều khiển, phối hợp chuyển động của 2 động cơ;
Sơ đồ khối nguyên lý các phần tử điện – điện tử, hộp điện thực tế và sơ đồ giải thuật của máy được thể hiện trên hình 3.14, 3.15 và 3.16, cho phép hình dung rõ cấu trúc hệ thống và luồng tín hiệu giữa các thành phần Chương trình điều khiển liên quan được trình bày trong phụ lục của đồ án này, cung cấp nội dung chi tiết để nghiên cứu, hiểu và triển khai máy.
KHỐI ĐỘNG LỰC – DC MOTOR
KHỐI ĐỘNG LỰC - ĐỘNG CƠ BƯỚC
Hình 3.14 Sơ đồ khối nguyên lý các phần tử điện – điện tử của máy
Nhập các thông số của lõi biến áp xuyến
Các thông số đã xác định
Vđk tính toán sơ bộ tốc độ rải dây
- Nối dây với Quấn dây lõi biến áp tự động xuyến
Hình 3.16 Sơ đồ giải thuật máy quấn dây biến áp vòng xuyến
CHẾ TẠO MÁY QUẤN DÂY ĐỒNG
Bố trí lịch trình các công đoạn
Dựa vào kiến thức có được từ cơ sở lý thuyết và quan sát máy thật ta có th ể chia các công việc thiết kế, chế tạo máy quấn dây biến áp vòng xuyến thành 5 nhóm công việc chính như sau
1 Thiết kế mô hình tổng quát và lên danh sách thiết bị.
3 Gia công cơ (cắt laser, khoan, hàn, mài,…).
5 Soạn thuyết minh, làm báo cáo.
Chuẩn bị vật tư
Máy quấn dây đồng cho biến áp vòng xuyến gồm nhiều chi tiết, cụm chi tiết được ghép nối với nhau Vật tư để chế tạo máy quấn dây đồng được chia thành các nhóm chính và sử dụng các phương pháp gia công khác nhau để chế tạo Bả ng 4.1 trình bày vắn tắt các phương pháp đã sử dụng để chế tạo các chi tiết Để tiết kiệm chi phí trong quá trình chế tạo và phù hợp với điều kiện khai thác các máy hiện có trong xưởng thực hành em sử dụng phương pháp gia công đ ối v ới các cụm vòng quấn dây, vòng chuyển động chính, đế máy, thân máy bằng cách bóc tách các chi tiết thành các lớp có độ dày đồng nhất để tiến hành cắt laser các chi tiết ấy Sau đó dùng đinh ốc để lắp ghép tạo thành chi tiết hoàn chỉnh Các chi tiết có hình d ạ ng trụ như con lăn thì em sử dụng phương pháp tiện để gia công Sau quá trình chu ẩ n bị vật tư, các chi tiết để lắp ráp đã được chuẩn bị như trên hình 4.1.
Hình 4.1 Tổng hợp các vật tư chế tạo máy quấn dây biến áp vòng xuyến
Bảng 4.1 Các nhóm chi tiết chính của máy quấn dây và phương pháp gia công
Nhóm Chi tiết Phương pháp gia
- đặt hàng gia công Cụm vòng chuyển động thiết kế bản vẽ, cắt cắt laser bên ngoài
1 chính và khóa gài (Hình - lắp ráp tại xưởng laser, lắp ráp ốc
4.2) thực hành cơ khí khoa KTCS
Cụm vòng chuyển động cắt laser bên ngoài thiết kế bản vẽ, cắt - lắp ráp tại xưởng
2 nạp, rải dây và khóa gài laser, lắp ráp ốc thực hành cơ khí (Hình 4.3) khoa KTCS
- đặt hàng gia công thiết kế bản vẽ, cắt cắt laser bên ngoài
3 Đế máy (Hình 4.4) - lắp ráp tại xưởng laser, lắp ráp ốc thực hành cơ khí khoa KTCS
- đặt hàng gia công thiết kế bản vẽ, cắt cắt laser bên ngoài
4 Thân máy (Hình 4.4) - lắp ráp tại xưởng laser, phay , hàn thực hành cơ khí khoa KTCS
Con lăn, bạc đỡ cho các xưởng thực hành cơ
5 cụm vòng chuyển động thiết kế bản vẽ, tiện khí khoa KTCS (Hình 4.5)
Cơ cấu hãm chuyển thiết kế bản vẽ, cắt phòng thực hành
6 động vòng cấp và rải điện-điện tử - khoa laser, lắp ráp ốc dây (Hình 4.6) KTCS
Cơ cấu chuyển động phụ thiết kế bản vẽ, In phòng thực hành
7 điện-điện tử - khoa của máy (Hình 4.7) 3D, tiện
Hệ thống điện – điều lắp ráp, hàn dây, phòng thực hành
8 lập trình vận hành, điện-điện tử - khoa khiển kiểm tra KTCS a) b)
Hình 4.1 Cụm vòng chuyển động chính và khóa gài sau khi chế tạo, lắp ráp
Hình 4.2 Cụm vòng chuyển động nạp, rải dây và khóa gài sau khi chế tạo, lắp ráp
Hình 4.3 Thân máy và đế sau khi chế tạo, lắp ráp a) b)
Hình 4.4 Con lăn, bạc đỡ cho các cụm vòng chuyển động sau khi chế tạo, lắp ráp
Hình 4.5 Cơ cấu hãm chuyển động vòng cấp và rải dây sau khi chế tạo, lắp ráp
Hình 4.6 Cơ cấu chuyển động phụ của máy sau khi chế tạo, lắp ráp 4.3 Quy trình công nghệ chế tạo cơ cấu con lăn
Con lăn được dùng trong máy quấn dây biến áp vòng xuyến đòi hỏi phải có độ bền cao và khả năng quay trơn để đảm bảo quá trình quấn diễn ra liên tục và ổn định Ngoài ra, con lăn còn phải được trang bị khả năng chống bụi và che chắn kín, đồng thời có khả năng chống gỉ, do làm việc trong môi trường bụi bặm và ẩm ướt.
Quy trình công nghệ chế tạo cơ cấu con lăn
Con lăn đóng vai trò then chốt quyết định sự vận hành ổn định của toàn bộ hệ thống Vì vậy, thiết kế và chế tạo con lăn có chất lượng cao trở thành mục tiêu hàng đầu và được duy trì xuyên suốt trong mọi giai đoạn của quy trình thiết kế.
Con lăn có hình dạng trụ tròn với các thông số hình học rõ ràng: đường kính ngoài 30 mm, đường kính trong 14 mm và chiều dài 16 mm Ổ lăn được lắp vào hai mặt có đường kính 14 mm và chiều dài 5 mm.
Chi tiết gia công dạng trụ tròn, thép không gỉ.
Khi làm việc vật liệu phải thỏa mãn yêu cầu sau :
➢ Độ bền đảm bảo không bị biến dạng, gãy vỡ trong quá trình làm việc.
➢ Phải được lăn nhám để tăng độ bám dính với dây đai quấn.
Từ những yêu cầu trên ta lựa chọn vật liệu con lăn là C45 có thành p hần như sau:
Bảng 4.2 Thành phần của thép C45
➢ Do có độ bền kéo từ 570-690Mpa, thép C45 có khả năng chống bào mòn, chống oxy hóa tốt và chịu được tải trọng cao.
➢ Vì có độ bền kéo cao và giới hạn chảy cao nên thép C45 có tính đàn hồi, khả năng chịu va đập mạnh tốt.
➢ Sức bền kéo cao giúp cho việc nhiệt luyện, chế tạo chi tiết máy, khuôn mẫu.
➢ Mức giá thành thường thấp hơn so với các dòng thép nguyên liệu khác.
4.3.3 Phân tích tính công nghệ Đối với mỗi một bề mặt gia công khác nhau của chi tiết cùng với yêu cầu của nó ta lựa chọn phương án công nghệ khác nhau:
+ Đối với các lỗ ren: Sử dụng phương án khoan.
+ Đối với các lỗ định vị: Khoan, khoét.
+ Đối với trụ tròn: tiện thô, tiện bán tinh, tiện tinh.
4.3.4 Chọn phôi và phương án công nghệ
➢ Do số lượng sản xuất là đơn chiếc, các nguyên công chủ yếu là tiện nên ta lựa chọn phương pháp tập trung nguyên công.
4.3.5 Lập quy trình và thiết kế nguyên công chế tạo con lăn
Hình 4.7 Yêu cầu kỹ thuật của chi tiết con lăn
Hình 4.8 Ký hiệu các bề mặt gia công
Phương pháp gia công các bề mặt của con lăn :
- Gia công bề mặt (2), (3), (4), (6), (8) : Bề mặt làm việc tiện bán tinh
- Gia công bề mặt (1), (5), (7): Bề mặt không làm việc nên tiện thô
Nguyên công 1 : Tiện khỏa mặt đầu (1), tiện bán tinh (2), (3), (4)
Bước 1 : Tiện thô khỏa mặt đầu (1) L = 1mm
Bước 2 : Tiện bỏn tinh mặt (4) đạt kớch thước ỉ30, L = 16mm Bước 3 : Tiện bỏn tinh mặt (2) đạt kớch thước ỉ27, L = 13mm Bước 4 : Tiện rónh mặt (3) đạt kớch thước ỉ20, L = 3mm
Nguyờn cụng 2 : Khoan mồi, khoan lỗ ỉ12, tiện múc lỗ (7), (8)
Bước 3 : Tiện múc lỗ (7) đạt kớch thước ỉ14, L = 18mm Bước 4 : Tiện múc lỗ (8) đạt kớch thước ỉ16.1, L = 5mm
Nguyên công 3 : Tiện cắt đứt, tiện móc lỗ (6)
Bước 1 : Tiện cắt đứt phôi kích thước L = 16mm
Bước 2 : Tiện múc lỗ (6) đạt kớch thước ỉ16.1, L = 5mm
- Kiểm tra chiều dài chi tiết.
- Kiểm tra đường kớnh ngoài ỉ30.
- Kiểm tra chiều dài mặt (4).
- Kiểm tra đường kớnh ngoài ỉ27.
- Kiểm tra chiều dài mặt (2).
- Kiểm tra đường kớnh lỗ ỉ14.
- Kiểm tra đường kớnh lỗ ỉ16.1.
Bảng 4.3 Bảng nguyên công, chế độ cắt
Nguyên công 1 Tiện khỏa mặt đầu (1), tiện bán tinh (2), (3), (4)
Thiết bị Máy tiện Đồ gá Mâm cặp ba chấu
ND bước công Dụng cụ Chế độ cắt nghệ t s n mm mm/vg vg/ph
1 Tiện thô khỏa Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235 mặt đầu (1) T15K10
2 Tiện bán tinh Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235 mặt (4) T15K10
3 Tiện bán tinh Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235 mặt (2) T15K10
4 Tiện rãnh mặt Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235
Nguyờn cụng 2 Khoan mồi, khoan lỗ ỉ12, tiện múc lỗ (7), (8)
3 Tiện móc lỗ Dao tiện hợp kim 1 0,65 235
4 Tiện móc lỗ Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235
Nguyên công 3 Tiện cắt đứt, tiện móc lỗ (6)
1 Tiện cắt đứt Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235
T15K10 2.Tiện móc lỗ (6) Dao tiện hợp kim 0,5 0,65 235
Đánh giá
Trong chương 4 đã phân tích chi tiết các đặc điểm cần thiết để chế tạo và đã chọn quy trình công nghệ cùng thiết kế nguyên công hợp lý để chế tạo thành công chi tiết cụm ổ lăn Sản phẩm sau chế tạo đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật đề ra; quá trình lắp ráp và thử nghiệm vận hành đều cho kết quả tốt.
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM, KẾT LUẬN HỆ THỐNG CẤP VÀ QUẤN DÂY
Kết quả thực nghiệm
Sau khi chế tạo xong các cụm chính của máy, bao gồm cụm thân đế, cụm vòng chuyển động chính, vòng quấn và nạp dây, cùng các con lăn và bạc đỡ hoàn chỉnh, tiến hành phun sơn chống gỉ lên các chi tiết và toàn bộ cụm Sau đó, tiến hành hiệu chỉnh các cụm chi tiết để chúng liên kết và hoạt động đồng bộ với nhau, đảm bảo hiệu suất làm việc và độ chính xác của hệ thống.
Hình 5.1 Máy quấn dây biến áp vòng xuyến hoàn chỉnh
Đồ án nghiên cứu, thiết kế, lựa chọn phương pháp gia công và lập quy trình gia công các cụm chi tiết của máy quấn dây đồng nhằm kiểm nghiệm hệ thống cấp và quấn dây Thông qua đồ án, em nắm được tư duy thiết kế, cách tìm hiểu và giải quyết vấn đề, đồng thời nâng cao kỹ năng làm việc với các phần mềm CAD, CAM và tính toán thiết kế Em còn có cơ hội học hỏi thêm và áp dụng kiến thức từ xưởng thực hành, cũng như liên hệ gia công thực tế với một số chi tiết không thể chế tạo tại xưởng của trường để chế tạo máy Với khối lượng công việc lớn và kinh phí có hạn ở mức độ đồ án tốt nghiệp, sau khi đồng bộ các cụm, khả năng vận hành của máy vẫn còn phần hạn chế Sau bảo vệ khóa luận, em sẽ tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện hệ cơ khí của cụm dẫn động phụ và hệ thống điều khiển nhằm tăng tính dễ thao tác và đạt hiệu suất tương đương các máy trên thị trường.
PHỤ LỤC CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Chương trình điều khiển cho máy quấn dây đồng được viết bằng Arduino IDE cho các dòng vi điều khiển của hãng Atmel (Microchip) Chương trình chính là file TORO.ino, ngoài ra còn hai file phụ kèm theo nhằm mở rộng chức năng và cấu hình hệ thống.
FlashLed.cpp và FlashLED.h là hai thư viện kèm theo dùng để điều khiển động cơ bước Giao diện chính của chương trình được trình bày như trên Hình P1.1 Kết cấu của chương trình điều khiển được chia làm 3 đoạn chính: đầu tiên là khai báo các tham số làm việc của hệ thống bao gồm đường kính cuộn dây máy biến áp, tốc độ quay vòng quấn dây và đường kính puly (Hình P1.2); tiếp theo là khai báo các ngoại vi sẽ sử dụng được đặt trong setup(); và chương trình chính nằm trong hàm loop().
Hình P1 1 Giao diện chính của chương trình điều khiển máy quấn dây đồng.
Hình P1 2 Khai báo các thông số của hệ thống điều khiển Đoạn chương trình trong setup(); void setup() {
Display_LCD_Test(); // Hiển thị LCD
Initialze_DC(); // Khai báo DC Motor
//Test_DC(); // Test chuyển động DC (chỉ dùng ban đầu) Initialize_E(); // Khai báo Rotatory Encoder
/ Khai báo các ngắt attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(3), flag, CHANGE); attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(2),isr,CHANGE);
/ khai báo các nút nhấn pinMode(SETUP_CO, INPUT_PULLUP); pinMode(START, INPUT_PULLUP); time_step = 1000*(turn*60/speed_sys)/(rotation*OD/d_puly/1.8*2);}
48 Đoạn chương trình trong loop();
Serial.println(counter_e); lcd.setCursor(5, 0); lcd.print (state);
/ Giai đoạn chuẩn bị ban đầu
/ Đưa vòng xuyến vào vị trí if (state == 0){ led_OUT1.Update(0, 500, 500); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print ("Put Coil to machine"); if(state_set == 0){
DC_Backward(speed_m_2); led_OUT1.Update(0, 22, 22);
} } if (state == 1){ led_OUT1.Update(0, 1000, 1000); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print ("Loading Wires ");
DC_Backward(speed_m_1); led_OUT1.Update(0, 22, 22); state_set = 0;
} if (state == 2){ led_OUT1.Update(0, 22, 22); // this number is calculated to work with N and R lcd.setCursor(0, 0); lcd.print ("Step 3:"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print ("Connect to Toroid "); if(state_set == 0){
////////// Hand made ///////////// if (state == 3){ lcd.setCursor(0, 0); lcd.print ("Step 4:"); lcd.setCursor(0, 1); lcd.print ("Running "); led_OUT1.Update(1, time_step, time_step); DC_Forward(speed_m_1); state_set = 0;