nghiên cứu khái quát về công nghệ tiện đi sâu thiết kế bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ truyền động trục chính dùng BBĐT – Đ

Đi sâu thiết kế bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ truyền động trục chính dùng BBĐT – Đ” và được sự hướng dẫn của thầy Hoàng Xuân Bình em đã đi sâu tìm hiểu trang bị điện tử của máy

LỜI NÓI ĐẦU

Sự bùng nổ của ngành công nghiệp cơ khí và điện tự động hóa đã đạt nhữngthành tựu to lớn, đem lại rất nhiều lợi ích trong công việc cũng như nhiều thiết bịứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau Mặc dù các máy gia công kỹthuật số đang là xu hướng mới của thị trường nhưng đây là những thiết bị đắt tiền

và phức tạp Do đó các máy gia công kim loại như máy tiện, máy mài, máy bàogiường, máy rèn rập… vẫn là các thiết bị chủ yếu trong việc chế tạo cơ khí Nênviệc nghiêm cứu, tìm hiểu cải tiến nó là một trong những vấn để rất được quan tâmhiện nay

Môn học Trang bị điện – điện tử máy gia công kim loại là một trong nhữngmôn giúp giải quyết phần nào đó các vấn đề trên

Với đề tài được giao: “Nghiên cứu khái quát về công nghệ tiện Đi sâu thiết

kế bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc độ truyền động trục chính dùng BBĐT –

Đ” và được sự hướng dẫn của thầy Hoàng Xuân Bình em đã đi sâu tìm hiểu trang

bị điện tử của máy tiện và đã khai thác được nhiều vần đề trong thực tế cũng nhưtrong lý thuyết

Vẫn biết còn nhiều thiếu sót và do nội dung vẫn còn mới mẻ đồng thời sựhiểu biết vẫn còn hạn chế nên em chưa thể hoàn thành một cách tốt nhất cho đề tàinày Em mong thầy cô cho ý kiến và giúp đỡ để em hoàn thành tốt hơn nhiệm vụcủa mình

Em xin chân thành cám ơn !

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU

MỤC LỤC

Chương 1: TỔNG QUAN TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÁY TIỆN ……… 3

1.1 Đặc điểm công nghệ máy tiện ……… 3

1.2 Phụ tải của cơ cấu các chuyển động điển hình của máy tiện …….… 4

1.2.1 Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt của máy tiện ……… … 4

1.2.2 Phụ tải của cơ cấu truyền động chính ……… …… 10

1.2.3 Phụ tải của cơ cấu chuyển động ăn dao ……… … 12

1.3 Những yêu cầu và đặc điểm chung đối với truyền động điện máy tiện 1.3.1 Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động chính ………… … 14

1.3.2 Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động ăn dao ….… … … 15

Chương 2: CẤU TRÚC – MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN … 17

2.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống ……… …… 17

2.1.1 Xây dựng cấu trúc hệ truyền động T – Đ ……… …… 17

2.1.2 Cấu trúc – mô hình hóa bộ biến đổi một chiều Thyristor ………… 20

2.2 Cấu trúc điều khiển hệ thống truyền động ……….……… 21

2.2.1 Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện ……….………….… 22

2.2.2 Tổng hợp mạch vòng tốc độ ……….……… 23

2.2.3 Tổng hợp mạch vòng điều chỉnh dòng điện kích từ ……… … 24

2.2.4 Tổng hợp bộ điều chỉnh sức điện động ……….… 26

Chương 3: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG ĐIỀU CHỈNH TRÊN MATLAB – SIMULINK ……… ……… 28

3.1 Tính toán các bộ điều chỉnh ……….…… 28

3.2 Mô phỏng hệ thống điều chỉnh trên Simulink ……….… 31

3.3 Thiết kế xây dựng tủ điều khiển ……… ……… 34

KẾT LUẬN ……….……… 36

TÀI LIỆU THAM KHẢO ……… 37

Chương 1: TỔNG QUAN TRANG BỊ ĐIỆN – ĐIỆN TỬ MÁY TIỆN

1.1 Đặc điểm công nghệ máy tiện.

Hình 1.1 – Hình dạng bên ngoài máy tiện

Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, Rơvonve, máy tiện vạnnăng, chuyên dùng, máy tiện cụt, máy tiện đứng v.v… Trên máy tiện có thể thựchiện được nhiều công nghệ tiện khác nhau: tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặtđầu, tiện côn, tiện định hình Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan vàtiện ren bằng các dao cắt, dao doa, taro ren… Kích thước gia công trên máy tiện cóthể từ cỡ vài mili mét đến hàng chục mét (trên máy tiện đứng)

?

5 Fx

Fz Fy

Dạng bên ngoài của máy tiện như hình 1.2a Trên than máy 1 đặt ụ trước 2,trong đó có trục chính quay chi tiết Trên gờ trượt đặt bàn dao 3 và ụ sau 4 Bàndao thực hiện sự di chuyển dao cắt dọc và cắt ngàn so với chi tiết Ở ụ sao đặt mũichống tâm dùng để giữ chặt chi tiết dài trong quá trình gia công hoặc để gá mũikhoan, mũi doa khi khoan, doa chi tiết Sơ đồ gia công tiện ở hình 1.2b Ở máytiện: chuyển động quay chi tiết với tốc độ góc ωct là chuyển động chính, chuyểnđộng di chuyển của dao 2 là chuyển động ăn dao Chuyển động ăn dao có thể là ăndao dọc, nếu dao di chuyển dọc theo chi tiết (tiện dọc) hoặc ăn dao ngang (hướngkính) chi tiết (tiện ngang) Chuyển động phụ gồm có xiết nới xà, trụ, di chuyểnnhanh của dao, bơn nước, hút phoi v.v…

1.2 Phụ tải của cơ cấu các chuyển động điển hình của máy tiện.

1.2.1 Các thông số đặc trưng cho chế độ cắt gọt của máy tiện.

a Chiều sâu cắt, t

Là chiều dày lớp kim loại được bóc đi sau một lần chạy dọc theo phươngvuông góc với bề mặt gia công

Hình 1.3 – Chiều sâu cắt khi tiện

 Khi tiện mặt trụ ngoài hình (1.3a), chiều sâu cắt t bằng 1/2 hiệu giữa đườngkính của phôi D với đường kính đã gia công d, nghĩa là:

Trong đó:

+ D – đường kính phôi, [mm];

+ d – đường khính mặt đã gia công, [mm];

 Khi tiện lỗ (hình 1.3b), chiều sâu cắt t bằng 1/2 hiệu giữa đường kính đã giacông và đường lỗ trước khi gia công

 Khi xén mặt đầu (hình 1.3c), chiều sâu cắt t bằng chiều dày được bóc đi saumột lần chạy dao đo theo phương vuông góc với mặt đầu của chi tiết giacông

 Khi cắt đứt (hình 1.3d), chiều sâu cắt t bằng chiều rống rãnh cắt do dao tạothành

b Bước tiến S (lượng chạy dao)

Là độ dịch chuyển của lưỡi cắt sau một vòng quay của vật vật gia công.Bước tiến S được đo bằng mm (hình 1.4) Người ta chia ra thành ba loại bướctiến:

- Bước tiến dọc: có hướng tiến dọc theo đường tâm của chi tiết gia công

- Bước tiến ngang: có hướng vuông góc với đường tâm của chi tiết gia công

- Bước tiến xiên: có hướng xiên so với đường tâm của chi tiết gia công vớimột góc bất kỳ (khi gia công mặt côn)

Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trình giacông phải luôn đạt tốc độ tối ưu, nó được xác định bời các thông số: độ sâu cắt t,lượng ăn dao S và tốc độ trục chính ứng với đường kính chi tiết xác định Khi tiệnngang chi tiết có đường kính lớn, trong quá trình gia công đường kính chi tiết giảm

để duy trì tốc độ cắt (m/s) tối ưu là hằng số thì phải tăng liên tục tốc độ góc củachục chính theo quan hệ:

Trong đó:

+ Dct – đường kính chi tiết, mm

+ ωct – tốc độ góc của chi tiết, rad/s

b Lực cắt

Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa chi tiết và dao có một lực tac dụng

F, lực này được chia làm 3 thành phần:

1

3

2 4

Fx Fz Fy

Hình 1.4 – Các thành phần đặc trưng cho gia công tiện

+ Lực tiếp tuyến Fz (lực cắt): chống lại sự quay của chi tiết

+ Lực dọc trục Fx (lực ăn dao): chống lại sự di chuyển của bàn dao

+ Lực hướng kính Fy: chống lại sự tì của dao và chi tiết

Để tính lực cắt ta sử dụng công thức kinh nghiệm sau:

Trong đó:

CF , xF , yF , n – hệ số và các số mũ phụ thuộc vào vật lieu chi tiết, vật liệu dao

và các phương pháp gia công

Các lực Fx, Fy cũng được xác định theo các công thưc tương tự như côngthức(1–4) Khi tính toán sơ bộ có thể lấy Fx, Fy theo tỷ lệ sau:

Fz : Fy : Fx = 1 : 0,4 : 0,25

Khi gia công thép bằng dao hợp kim cứng CF = 300 ; dao bằng thép gió CF =

208 Gia công gang xám tương ứng CF = 92 và CF = 118 ; xF = 1 ; yF = 0,75 ; n = 0với dao bằng thép gió và n = -0,15 với dao bằng hợp kim cứng

Fmax Vz min = Fmin Vz max (1 – 7)

Sự phụ thuộc của lực cắt vào tốc độ cắt như hình 1.4:

Hình 1.5 – Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện

d Thời gian máy

Thời gian máy là thời gian dùng để gia công chi tiết Nó còn được goi là thời giancông nghệ, thời gian cơ bản hoặc thời gina hữu ích Để tính toán thời gian máy taphải căn cứ vào các yếu tố của chế độ cắt gọt, phương pháp gia công:

Fz

Fz

V O

Trong đó:

+ L: chiều dài hành trình làm việc [mm]

+ n: tốc độ quay của chi tiết [vg/ph]

Nếu thay vào (1 – 7) giá trị :

Ta được:

Trong đó: d – đường kính chi tiết gia công [mm]

Từ (1 – 8) ta thấy muốn tăng năng suất máy (giảm t), phải tăng tốc độ cắt và lượng

ăn dao Do đó người ta áp dụng phương pháp cắt cao tốc

1.2.2 Phụ tải của cơ cấu chuyển động chính.

Trong chuyển động chính của máy tiện, lực cắt là lực hữu ích của máy, nó phụthuộc vào các chế độ cắt (t, s, v), vật liệu chi tiết và dao

Chuyển động chính máy tiện là chuyển động quay được xác định theo côngthức:

Trong đó:

+ Fz – lực cắt, [N]

+ d – đường kính của chi tiết gia công (phôi), [m].

Momen hữu ích trên trục động cơ là:

i – tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục chính của máy

Momen cản tĩnh trên trục động cơ:

η – hiệu suất bộ truyền từ trục động cơ đến trục chính

Với máy tiện đứng do có chuyển động ở bàn máy nên còn xuất hiện một lực ma sátphụ ở gờ trược của mâm cặp:

Trong đó: FN – lực tổng tác dụng lên gờ trượt, được xác định bởi khối lượng mâmcặp hoặc bàn mb, khối lượng chi tiết mct đặt trên mâm cặp, thành phần lực cắt Fy

Hệ số ma sát μ ở gờ trượt phụ thuộc vào tốc độ mâm cặp, nó có giá trị lớn khikhởi động máy Vì vậy ở những máy này, momen cản tĩnh khi khởi động đạt tới(60 ÷ 80)% momen định mức Ở tốc độ định mức thì μ = 0,05 ÷ 0,08 và là hằng số

Ở chế độ xác lập, lực kéo của các chuyển động mâm cặp được xác định là cáctổng các lực cắt và lực ma sát:

Momen trên trục động cơ ứng cới chuyển động quay là:

1.2.3 Phụ tải của truyền động ăn dao.

Lực ăn dao của truyền động ăn dao được xác định theo công thức tổng quát:

 Lực ma sát của bàn theo hướng gờ trượt được xác định bởi công thức:

μ – hệ số ma sát của bàn theo hướng gờ trượt

 Lực dính sinh ra khi khởi động bàn dao:

S – diện tích bề mặt tiếp xúc ở gờ trượt của bàn dao, [cm2];

β – áp suất dính thường bằng 0,5N/cm2;

Các thành phần lực ở (1 – 17) không đồng thời xuất hiện trong quá trình làmviệc nên khi xác định phụ tải truyền động ăn dao phân ra làm hai chế độ làm việc:làm việc và ăn dao khởi động

 Khi khởi động lực ăn dao xác định bởi hai lực ma sát do khối lượng của bộphận di chuyển và lực dính:

Với μ0 = 0,2 ÷ 0,3 – hệ số ma sát khi khởi động.

 Khi cơ cấu ăn dao làm việc, lực ăn dao được tính:

Với μ = 0,05 ÷ 0,15 – hệ số ma sát khi làm việc

Công suất ăn dao của máy tiện được xác đinh bởi công thức:

+ Fad – lực ăn dao, [N];

+ Vad – tốc độ ăn dao, [m/s];

Công suất ăn dao thường nhỏ hơn công suất cắt 100 lần, vì tốc độ ăn dao được xácđịnh bởi lượng ăn dao và tốc độ góc của chi tiết:

Nhỏ hơn tốc độ cắt nhiều lần

Ở đây: s’ = s/2π , [mm/rad]

+ ωct – tốc độ góc của chi tiết, [rad/s];

+ s – lượng ăn dao, [mm/vg];

Lực và momen chuyển động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ của nó, vì phụtải của truyền động ăn dao chỉ được xác đinh bởi khối lượng bộ phận di chuyển củamáy và lực ma sát ở gờ trượt và ở hộp tốc độ Đồ thị phụ tải của truyền động ăndao được biểu diễn như trên hình (1.6) Ở dải tốc độ rộng V1 < V <V2 momen phụtải là hằng số, ở vùng tốc độ V < V1 và V > V2 thì momen phụ tải thay đổi tuyếntính theo tốc độ

Hình 1.6 – Đồ thị phụ tải truyền động ăn dao

1.3 Những yêu cầu và đặc điểm chung đối với truyền động điện máy tiện 1.3.1 Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động chính.

Truyền động chính cần phải được đảo chiều quay để đảm bảo quay chi tiếttheo cả hai chiều, ví dụ khi tiên ren trái và phải – Phạm vi điều chỉnh tốc độ trụcchính D <(40 ÷ 125)/1 với độ trơn điều chỉnh φ = 1,06 và 1,26 và công suất là hằng

số (Pc = const)

Ở chế độ xác lập, hên thống chuyển động điện cần đảm bảo độ cứng đặc tính

cơ trong pham vi điều chỉnh tốc độ với sai số tĩnh nhỏ hơn 10% khi phụ tải thay đổi

từ 0 đến định mức Quá trình khởi động và hãm yêu cầu phải trơn, tránh va đậptrong bộ truyền Đối với máy tiện cỡ nặng và máy tiện đứng dùng gia công chi tiết

có đường kính lớn, để đảm bảo tốc độ cắt tối ưu và không đổi (Vz =const) khiđường kính chi tiết thay đổi thì pham vi điều chỉnh tốc độ được xác định bởi pham

vi thay đổi tốc độ dài và pham vi thay đổi đường kính:

Ở những máy tiện cỡ nhỏ và trung bình, hệ thống truyền động chính thường làđộng cơ không đồng bộ roto lồng sóc và hộp tốc độ có vài cấp tốc độ Ở các máytiên cỡ nặng, máy tiện đứng hệ thống truyền động chính điều chỉnh hai vùng, sửdụng hệ thống bộ biến đổi động cơ điện một chiều (BBĐ – Đ) và hộp tốc độ: Khi

Vz < Vz gh thì Mc = const; khi Vz > Vz gh Pc = const (đồ thị hình 1.5) Bộ biến đổi cóthể là máy phát một chiều hoặc bộ chỉnh lưu dùng Thyristor.

Hình 1.6 – Biểu đồ Momen và công suất của động cơ trong truyền động chính

1.3.2 Yêu cầu và đặc điểm chung của truyền động ăn dao.

Truyền động ăn dao cần phải được đảo chiều quay để đảm bảo ăn dao theohai chiều Đảo chiều của bàn dao có thể thực hiện bằng đảo chiều động cơ điệnhoặc dùng khớp ly hợp điện từ Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền động ăn daothường là D = (50 ÷ 300)/1 với độ trơn điều chỉnh φ = 1,06 và 1,26 và Momenkhông đổi (M = const)

Ở chế độ làm việc xác lập, độ sai lệch tĩnh yêu cầu nhỏ hơn 5% khi phụ tảithay đổi từ không đến định mức Động cơ cần khởi động và Momen hãm êm Tốc

độ di chuyển bàn dao của máy tiện cỡ nặng hoặc máy tiện đứng cần liên hệ với tốc

độ quay chi tiết để đảm bảo giữ nguyên lượng ăn dao

Ở máy tiện cỡ nhỏ thường truyền động ăn dao được thực hiện từ động cơtruyền động chính, còn ở máy tiện nặng thì truyền động ăn dao được thực hiện từmột động cơ riêng là động cơ một chiều cấp điện từ khuếch đại máy điện hoặc bộchỉnh lưu có điều khiển

Chương 2: CẤU TRÚC – MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.1 Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống.

Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống như sau:

Hình 2.1 – Sơ đồ nguyên lý điều khiển hệ thống

Trong hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ, ngoài việc sử dụng điều chỉnh điện

áp phần ứng còn sử dụng thêm độ điều chỉnh từ thông Khi động cơ làm việc ởdưới tốc độ định mức cần giữ cho từ thông lớn nhất bằng định mức và thực hiệnđiều chỉnh điện áp phần ứng để điều chỉnh tốc độ Khi cần tốc độ lớn hơn tốc độđịnh mức ta thực hiện việc thay đổi từ thông theo chiều giảm từ thông và giữ điện

áp phần ứng không đổi bằng điện áp định mức

 Sơ đồ tạo tín hiệu điều chỉnh tự động:

Fh cd

Hình 2.2 – Sơ đồ tạo tín hiệu điều khiển tự động động cơ

Đây là sơ đồ điều khiển tốc độ quay của động cơ ĐC theo hàm của đườngkính chi tiết gia công theo nguyên lý Ucđ ≈ Ufp ≈ dct.ω Điện áp chủ đạo Ucđ tỷ lệ vớitốc độ cắt được đặt bằng biến trở RV Tốc độ cắt được duy trì không đổi với độchính xác phụ thược vào độ chính xác chế tạo bộ phận liên hệ giữa bàn dao và biếntrở RD Con trượt RD liên hệ với bàn dao thông qua bộ điều tốc P Điện áp phản hồiUfp ≈ dct.ω Với hệ thống điều chỉnh có bộ điều chỉnh PI (tỷ lệ - tích phân) thì luôncó: Ucđ ≈ Ufp ≈ dct.ω, nghĩa là: Vz = dct.ωct

2.1.1 Xây dựng cấu trúc hệ truyền động T - Đ.

Đối với động cơ điện một chiều kích từ độc lập (NN = 0) thì ta có thể viết cácphương trình sau :

- Mạch phần ứng :

Từ phương trình:

Ta có:

- Mạch kích từ :

- Phương trình chuyển động cơ học :

Nếu bỏ qua các vô cùng bé bậc cao thì từ các phương trình trên ta có thể viết cácphương trình của gia số :

Từ các phương trình trên ta có sơ đồ cấu trúc đã tuyến tính hóa theo các phươngtrình trên như sau :

Hình 2.3 – Sơ đồ cấu trúc tuyến tính hóa động cơ điện một chiều

 Trường hợp khi từ thông kích từ không đổi :

Khi dòng điện kích từ động cơ không đổi, hoặc khi động cơ được kích thíchbằng nam châm vĩnh cửu thì từ thông kích từ là hằng số:

Từ các phương trình cơ bản (2 - 8 ) và (2 - 9) ta xây dựng được sơ đồ cấutrúc của động cơ điện một chiều kích từ độc lập như sau:

Hình 2.4 – Sơ đồ cấu trúc động cơ điện một chiều khi từ thông không đổi

2.1.2 Cấu trúc – mô hình hóa bộ biến đổi một chiều Thyristor.

Bộ biến đổi ở đây là bộ chỉnh lưu cầu ba pha đối xứng có điều khiển(Thyristor) Chỉnh lưu Thyristor cho phép thực hiện các yêu cầu kỹ thuật của hệTĐĐ một chiều với độ tự động hóa cao và do chất lượng điện áp trên tải tốt, độbằng phẳng tương đối cao nên được sử dụng rộng rãi

Sơ đồ cấu trúc của bộ biến đổi:

BBĐ