nghiên cứu khái quát về điều khiển máy tiện. thiết kế chương trình điều khiển giám sát sự phối hợp truyền động chính và truyền động ăn dao cho máy tiện dùng f - đ

Phụ tải truyền của cơ cấu truyền động chính Quá trình thực tiện trên máy tiện được thực hiện với các chế độ cắt khác nhauđặc trưng bởi các thong số: độ sâu cắt, lượng ăn dao và tốc độ c

MỤC LỤC Trang

Lời mở đầu………2

Chương 1: Tổng quan công nghệ tiện………3

1.1 Đặc điểm công nghệ tiện……… …… 3

1.2 Đặc điểm truyền động chính và truyền động ăn dao ……… 4

1.3 Những yêu cầu và đặc điểm đối với trang bị điện và truyền động điện máy tiện……… ….8

Chương 2: Mô hình hóa hệ truyền động hệ F-Đ……… … 12

2.1 Mô hình hóa hệ F-Đ……… ……… ….12

2.1.1 Mô hình hóa máy phát ……… 12

2.1.2 Mô hình hóa động cơ 1 chiều……… 12

2.1.3 Tổng hợp mạch vòng dòng điện ……….15

2.1.4 Tổng hợp mạch vòng tốc độ ……… 17

2.2 Khảo sát ổn định hệ thống và khảo sát trên miền D……… 18

2.2.1 Tìm hiểu về miền D……… …… 18

2.2.2 Khảo sát ổn định và xác định các tham số hệ thống…… 23

Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển và sơ đồ lắp ráp………32

3.1 Tính toán thiết kế cho các bộ PID,mạch điều khiển………… 32

3.2 Tổng hợp bộ điều khiển và sơ đồ lắp ráp……… 39

Kêt luận……….42

Tài liệu tham khảo……….43

Môn học Trang Bị Điện là môn học có thể giúp em thực hiện các công việc này Được giao đề tài về máy tiện là loại máy phổ biến nhất trong công nghệ gia công kim loại Với yêu cầu là thiết kế bộ điều khiển tự động điều chỉnh tốc

độ hệ máy phát động cơ Qua thời gian học tập nghiên cứu và chỉ bảo tận tình của thấy TS Hoàng Xuân Bình em đã thực hiện thành công đồ án này

Mặc dù đồ án đã hoàn thành đạt kết quả tốt nhưng do thời gian có hạn, kiến thức còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi sai sót Em mong được sự góp ý ủng hộ của các thầy cô và các bạn.

Em xin chân thành cảm ơn !

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ TIỆN

1.1 Đặc điểm về công nghệ tiện

Nhóm máy tiện rất đa dạng, gồm các máy tiện đơn giản, máy tiện vạn năng,chuyên dùng, máy tiện đứng… Trên máy tiện có thể thực hiện được nhiều côngnghệ tiện khác nhau: tiện trụ ngoài, tiện trụ trong, tiện mặt đầu, tiện côn, tiệnđịnh hình Trên máy tiện cũng có thể thực hiện doa, khoan và tiện ren bằng cácdao cắt, dao doa, dao taro ren… Kích thước gia công trên máy tiện có thể từ cỡvài mili đến hang chục mét

Hình 1.1.1 Máy tiện

Dạng bên ngoài của máy tiện như hình Trên thân 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 Bàn daothực hiện sự di chuyển dao cắt dọc và ngang so với chi tiết Ở ụ sau đặt mũi

chống tâm dùng để dữ chi tiết dài trong quá trình gia công chi tiết, hoặc để mũikhoan, mũi doa khi khoan, doa chi tiết.

Sơ đồ gia công tiện như hình Ở máy tiện, chuyển động quay quanh chi tiếtvới tốc độ góc ct là chuyển động chính, chuyển động di chuyển của 2 dao làchuyển động ăn dao Chuyển động ăn dao có thể là ăn dao dọc chi tiết, nếu dao

di chuyển dọc chi tiết ( tiện dọc) hoặc ăn dao ngang, nếu dao di chuyểnngang(hướng kính) chi tiết Chuyển động phụ gồm có xiết xá nới xà, trụ , dichuyển nhanh của dao, bơm nước, hút phôi

1.2 Đặc điểm truyền động chính và truyền động ăn dao

1.2.1 Phụ tải truyền của cơ cấu truyền động chính

Quá trình thực tiện trên máy tiện được thực hiện với các chế độ cắt khác nhauđặc trưng bởi các thong số: độ sâu cắt, lượng ăn dao và tốc độ cắt v

Tốc độ phụ thuộc vật liệu gia công, vật liệu dao, kích thước dao, dạng giacông, điều kiện làm mát v v theo công thức kinh nghiệm

V

V y X m

v

s t T

C v

.

T : độ bền dao, là thời gian làm việc của dao giữa 2 lần mài dao kế tiếp, ph

CV, xV,yV, m là các hệ số mũ phụ thuộc vào vật liệu chế tạo chi tiết, chế tạo dao

và phương pháp gia công

Để đảm bảo năng suất cao nhất, sử dụng máy triệt để nhất thì trong quá trìnhgia công phải luôn đạt tốc độ cắt tối ưu, nó xác định bởi các thông số : độ sâu cắt

t, lượng ăn dao s và tốc độ trục chính ứng với đường kính chi tiết xác định Khitiện ngang chi tiết có đường kính lớn, trong quá trình gia công, đường kính chitiết giảm dần để duy trì tốc độ cắt là hằng số, thì phải tăng liên tục tốc độ góccủa trục chính theo quan hệ :

ct ct

d

v 0 5 

Với :

dct : đường kính chi tiết,m

Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa dao và chi tiết xuất hiện mộtlực F gồm 3 thành phần và lực cắt được xác định theo công thức:

n y F F

x F

Fmax.Vmin = Fmin.Vmax

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

Hình 1.2.1 Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện

Tuy nhiên như đã phân tích, dạng đồ thị phụ tải thực tế của truyền động chínhmáy tiện có dạng hai vùng Fz = const và Pz = const ( hình 1.2.4)

1.2.2 Phụ tải truyền động chính máy tiện đứng

Truyền động máy tiện đứng có đặc thù riêng khác so với các máy tiện bìnhthường về cấu trúc và kích thước Trên máy tiện đứng, chi tiết gia công cóđường kính lớn và đước đặt trên mâm cặp nằm ngang, hay nói cách khác trụcmâm cặp là theo phương thẳng đứng Do trọng lượng mâm cặp, trọng lượng chitiết lớn nên lực ma sát ở gờ trượt và hộp tốc độ khá lớn Vì vậy phụ tải trên trụcđộng cơ động cơ truyền động chính máy tiện đứng là tổng các thành phần lựccắt, lực ma sát ở gờ trượt, lực ma sát ở hộp tốc độ

Hình 1.2.2 Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện đứng.

Trên hình 1.2.2 là đồ thị biểu diễn các thành phần công suất của truyền độngchính và sự phụ thuộc của chúng vào tốc độ mâm cặp : P1- công suất khắc phụclực ma sát ở gờ trượt ; P3 và P4 – công suất khắc phục lực ma sát ở hộp tốc độtương ứng do lực cắt và quay quanh mâm cặp; P5 – tổng công suất của truyềnđộng chính

Thành phần lực ma sát phụ thuộc vào tốc độ ảnh hưởng lớn đến quá trình quá

độ của truyền động chính Do khối lượng của mâm cặp và chi tiết lớn và sự khácnhau của hệ số ma sát lúc đứng yên và chuyển động nên moomen cản tĩnh khikhởi động của truyền động có thể đạt tới 60-80% momen định mức Vì momenquán tính tổng qui đổi trực tiếp về trục động cơ có thể đạt tới 8-9 lần momenquán tính của động cơ nên quá trình khởi động của hệ thống diễn ra chậm vớimomen cản tĩnh lớn Theo mức độ gia tăng tốc độ của động cơ, momen cản tĩnh

sẽ giảm nhanh và khi tốc độ tăng thì nó ít thay đổi

1.2.3 Phụ tải truyền động ăn dao

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

nhỏ hơn tốc độ cắt nhiều lần, ở đây :



2

s  [mm/rad]

Hình 1.2.3 Đồ thị phụ tải truyền động phụ tải ăn dao.

Lực và momen phụ tải truyền động ăn dao không phụ thuộc vào tốc độ của

nó, vì phụ tải truyền động ăn dao chỉ xác định bởi khối lượng của bộ phận dichuyển của máy và lực ma sát ở gờ trượt và ở hộp tốc độ

Trên đồ thị phụ tải truyền động ăn dao hình 1.2.3 ở dải tốc độ v1 < v<v2

momen phụ tải sẽ thay đổi tuyến tính theo tốc độ

Thời gian máy( thời gian gia công) của máy tiện được xác định:

ad

l

t  .103 [s]

Trong đó : l chiều dài gia công [mm]

ct là tốc độ góc chi tiết [rad/s]

s lượng ăn dao [mm/vg]

Từ đó ta có công thức tính thời gian máy:

t ct NM

s

l t

*) Truyền động chính : Truyền động chính cần phải được đảo chiều quay để

đảm bảo quay chi tiết cả 2 chiều, ví dụ khi tiện ren trái hoặc ren phải Phạm viđiều chỉnh tốc độ trục chính D trong khoảng 40-125/1 với độ trơn điều chỉnh

 = 1.06 và 1,21 và công suất là hằng số ( Pc = const)

Ở chế độ xác lập, hệ thống truyền động điện cần đảm bảo độ cứng đặc tính cơtrong phạm vi điều chỉnh tốc độ với sai số tĩnh nhỏ hơn 10% khi phụ tải thay đổi

từ không đến định mức Quá trình khởi động, hãm yêu cầu phải trơn tránh vađập trong bộ truyền lực Đối với máy tiện cỡ nặng và máy tiện đứng dùng giacông chi tiết có đường kính lớn, để đảm bảo tốc độ cắt tối ưu và không đổiv=const khi đường kính chi tiết thay đổi, thì phạm vi điều chỉnh tốc độ được xácđịnh bởi phạm vi thay đổi tốc độ dài và phạm vi thay đổi đường kính:

min

max min

max min

max min

max min

ct

d x

ct

D v

v v

D D

Ở các máy tiện cỡ nặng, máy tiện đứng, hệ thống truyền động chính điều chỉnh

2 vùng, sử dụng bộ biến đổi động cơ điện 1 chiều ( BBĐ – Đ) và hộp tốc độ ;khi v< vgh đảm bảo M= const; khi v> vgh thì P = const Bộ biến đổi có thể làmáy phát một chiều hoặc bộ chỉnh lưu dùng Thyristor

*) Truyền động ăn dao : truyền động ăn dao cần phải đảo chiều quay để

đảm bảo ăn dao 2 chiều Đảo chiều bàn dao có thể thực hiện bằng đảo chiềuđộng cơ điện dùng khớp ly hợp điện từ Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyềnđộng ăn dao thường là D = (50-300)/1 với độ trơn điều chỉnh  = 1,06 và 1,21

và momen không 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 hãm êm.Tốc độ dichuyển bàn dao của máy tiện đứng cần liên hệ với tốc độ quay chi tiết để đảmbảo nguyên lượng ăn dao

Ở máy tiện cỡ nhỏ và thường truyền động ăn dao được thực hiện từ động cơchính, còn ở những máy tiện nặng thì được thực hiện từ một động cơ riêng là

động cơ một chiều cấp điện từ khuếch đại máy điện hoặc bộ chỉnh lưu có điềukhiển

*) Truyền động phụ: truyền động phụ của máy không yêu cầu điều chỉnh tốc

độ và không yêu cầu gì đặc biệt nên thường sủ dụng động cơ không đồng bộroto lồng sóc kết hợp với hộp tốc độ

*) Các phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ 1 chiều :

Từ phương trình của tốc độ :

L

a L

k

R T

k

R k

U

2 0

Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị ω0 chứ khôngthay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phầnứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau Thông thường, điện áplàm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do antoàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từthông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng)



 0 1

Hình 1.3.1 Đồ thị đặc tính khi thay đổi U

Điện trở phần ứng chỉ có thể được tăng lên từ giá trị điện trở phần ứng tựnhiên (thêm điện trở vào mạch phần ứng) Khi thực hiện điều này, chỉ có độ lớn

của độ dốc của đặc tính cơ là bị ảnh hưởng (tăng lên), do đó các đặc tính cơ sẽ

có cùng giá trị ω0 nhưng với độ dốc tăng dần khi điện trở phần ứng được tănglên

M O

Hình 1.3.2 Đồ thị đặc tính khi thay đổi R u

Các động cơ nhỏ sử dụng nam châm vĩnh cửu không có khả năng điều chỉnh

từ thông, nhưng các động cơ lớn hơn sử dụng dây quấn kích từ có thể thực hiệnđiều này Tương tự như cách phân tích ở trên, trong trường hợp này cả giá trị ω0

lẫn độ dốc của đặc tính cơ đều bị thay đổi Thông thường từ thông định mứctrong máy đã khá gần với giá trị từ thông bão hòa, do đó cách thay đổi khả dĩ làgiảm từ thông trong máy, khi đó ω0 sẽ tăng nhưng độ dốc còn tăng nhanh hơn

Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ

( ) (1 )

KF KF

KF KF

pT r

U p

r

C K

2.1.2 Hàm truyền của động cơ 1 chiều

Mô hình động cơ như sau:

U +

M

Ud

Hình 2.1.3 Sơ đồ khối động cơ điện 1 chiều

Từ đó ta có sơ đồ mô phỏng trên Simulink như sau:

Hình 2.1.4 Sơ đồ mô phỏng trên Simulink

Với các tham số như sau:

60 4000

10

Nm

P M

đm u đm đm

K

U K

I R U

131

A K

M I

đm

đm

Điện trở phần ứng: Rư

0 042 ( )

262

220 ) 9 0 1 ( 5 0 )

01 0

Kết quả mô phỏng trên Simulink:

Hình 2.1.5 Kết quả mô phỏng động cơ 1 chiều

2.1.3 Hàm truyền mạch vòng dòng điện

Ta có sơ đồ cấu trúc như sau :

R u (1+sT ) u

1 (-)u

E =0 +

E F =UF(1+pT ) KF

S0i = .(1 )(1. )(1 )

i u

F u

i F

pT pT

pT R

K K

.

p T T T p T T T T T p T T p pT R

K K

u F i u

F i u F u

F i

u

i F

F u

i F

pT T

T p R

K K





Đặt TF + Tu = Ts

 Soi = . .(1 )(11 )

i s

u

i F

pT pT

R

K K

1 (

1

1

2

2p p

pT pT

R

K K

i s

u

i F

1 (

2

1

p pT

pT

p R

K K

i s

u

i F

SI(p) = 1 . ( () )

0

0

p S R

p S R

i I

i I



=

) 1 )(

1 (

1 1

) 1 )(

1 ( 1

i s

X s

i s

X s

pT pT

K p

T pT

pT pT

K p

T pT

T s i ta có :

SI(p)=

) 1 (

) 1 )(

(

) 1 (

i N

X i N

i N

X

pT T

K pT p

T

pT p

T K









=

X N

X X

i N

X

K pT

K K

pT pT

K(1+pT )

K p T p S







1

1 1

1 ) (

0 0

1 ( ) (

0 0

 S p K pT p

N

s

) 1

( ) (

) 1

( 2 ) 1

(

1 )

(

p p

p pT K p

R

N s I

p K

R

2

1 )

(  (Khâu P )Hàm truyền của mạch vòng tốc độ là:

1 2

2

1 1

2

2

1 )

p p

có thể thay đổi dịch chuyển trên mặt phẳng phức từ phải qua trái hoặc ngược lại.Chẳng hạn xét không gian 3 hệ số a1, a2, a3 biến thiên Phương trình đặc tính cónghiệm p=j , thì hệ thống ở giới hạn ổn định Khi đó trong không gian (a1, a2,

a3 ) có một mặt S nào đó chia không gian thành các miền Trên mặt phẳngnghiệm trục ảo p= j chia mặt phẳng thành hai miền bên trái ổn định và bênphải không ổn định thì trong không gian(a1, a2, a3) mặt cong S cũng chia thànhcác miền ổn định và không ổn định Phương trình mặt giới hạn như sau:

0

) ( ) (

lại tức là ứng với các nghiệm chạy từ bên phải qua bên trái mặt phẳng nghiệm.Mặt S chia không gian thành các miền ký hiệu là Dn-m( n là bậc của phương trìnhđặc tính; m là số nghiệm ở bên phải trục ảo) Khi m=0, hệ thống có thể ổn định,tương ứng với miền Dn

S

0 a3

a1

a2

Hình 2.2.1 Ví dụ về chia miền D

*) Chia miền D khi trong phương trình đặc tính có một thông số biến đổi.

Giả sử có một thông số biến đổi tuyến tính  trong phương trình đặc tính:

0 ) ( )

II 1

từ phía trái từ  đến   Không chứng minh nhưng có thể thấy tươngứng rằng, miền được gạch sọc nhiều lần nhất có thể là miền ổn định

Sau khi tìm được miền D trên hình vẽ, ta sẽ lấy một điểm bất kì ở trong Dn đểxác định trị số  Sau đó lấy  ấy đem thế vào phương trình đặc tính rồi dùngtiêu chuẩn để xét ứng với đó hệ thống có thực là ổn định hay không Nếu xét

 đó mà hệ thống ổn định thì có thể khẳng định là miền Dn là miền ổn định

*) Chia miền D theo hai thông số biến đổi tuyến tính

Giả sử hệ thống có hai thông số  và  biến đổi tuyến tính Khi đó phươngtrình đặc tính có dạng:

0 ) ( ) ( )

( )

(

) ( )

( )

(

) ( )

( )

(

2 1

2 1

2 1

j

R

jM M

j M

jN N

j

N

Phương trình (*) sau khi tách thành 2 phương trình biến thực :

)(

) (

)(

- Khi        khi đó hai đường thẳng trong (**) trùng khít lên nhau.Như vậy ứng với một giá trị  mà các định thức đó triệt tiêu, đường conggiới hạn không phải xác định bởi một điểm xác định mà là một đườngthẳng xác định Ta gọi đó là đường thẳng đặc biệt hay đường thẳng bổsung Ta cần tìm các đường thẳng đó

+) Ứng với   0 thì  &  có dạng 00

Phương trình đặc tính:

0

p a

p a p p

Như vậy thì hệ số an = 0 trong phương trình đặc tính cũng giống như tần số

=0 trong phương trình đường cong giới hạn S Vậy phương trình đườngthẳng bổ sung với tần số   0là:

an = 0

+) Ứng với  thì  &  có dạng 



:Phương trình đặc tính được viết ở dạng khác :

0 ) (

) ( )

a j

a a

nó sẽ được gạch chéo ở phia kia

3- Ứng với i  0 hoặc (i  ) nếu đường cong giới hạn cắt qua đườngthẳng đặc biệt mà định thức  không đổi dấu thì đường thẳng đặc biệt sẽkhông gạch chéo; nếu định thức  đổi dấu thì đường thẳng đặc biệt đượcgạch chéo mỗi nửa cùng phía gạch sọc với đường cong giới hạn

 ) Tóm tắt lại phương pháp giải cho bài toán chia miền D theo 2 thông sốbiến đổi:

1- Xác định các đường cong giới hạn chia miền D

Tính các giá trị ,   ,   ,,  Cho   0 đến   vẽ đườngcong

 (  ) theo  đã tính

2- Vẽ các đường thẳng đặc biệt có phương trình a0= 0, an =0

3- Gạch chéo các đường cong giới hạn và đường thẳng đặc biệt theoquy tắc đã trình bày

4- Xác định miền ổn định là miền được gạch chéo toàn vộ và nhiềulần nhất.

Thử lại bằng cách lấy một điểm trong miền đó rồi xét ổn định và điđến kết luận cho cả miền

2.2.2 Khảo sát ổn định hệ thống và xác định các hệ số cho các cấu trúc

Mô hình động cơ một chiều là mô hình mà các tham số phụ thuộc vào các

thuộc tính của động cơ Các thuộc tính này là cố định không thay đổi do đókhông có bộ điều khiển nào đó cần điều chỉnh

Mô hình mạch vòng dòng điện và mô hình mạch vòng tốc độ là những môhình mà các tham số trong đó có thể lựa chọn và thay đổi Do đó ta sẽ khảo sáthai bộ điều khiển này

2.2.2.1 Xét ổn định và xác định các tham số cho mạch vòng dòng điện

Đầu ra của mạch vòng dòng điện là hàm theo tiêu chuẩn tối ưu modul códạng:

1 2 2

1 )

p

G I



 Tuy nhiên do tốc độ biến thiên nhanh của dòng điện, và do hệ số 2



 quá nhỏnên khi viết lại hàm truyền đạt ta rút gọn được hàm truyền mạch vòng dòngnhư sau: