NGHIÊN cứu và KHẢO sát hệ TRUYỀN ĐỘNG t đ ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA điện – điện tử TRƯỜNG đại học KTCN để điều KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG bàn máy GIA CÔNG TIA lửa điện CNC

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP LƯƠNG THỊ NGUYỆT NGA NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG T- Đ Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

LƯƠNG THỊ NGUYỆT NGA

NGHIÊN CỨU VÀ KHẢO SÁT HỆ TRUYỀN ĐỘNG T- Đ

Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KTCN ĐỂ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG BÀN MÁY

GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC

Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hoá

MÃ SỐ: 60520216

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Thái Nguyên, 2014

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS Võ Quang Lạp

Phản biện 1: TS Nguyễn Văn Vỵ

Phản biện 2: TS Trần Xuân Minh

Luận văn này được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận văn

Họp tại: TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN

Vào hồi 08 giờ 15, ngày 19 tháng 4 năm 2014

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

- Trung tâm học liệu Đại học Thái Nguyên

- Thư viện trường Đại Học Kỹ Thuật Công Nghiệp

MỞ ĐẦU

1 Mục tiêu của luận văn

Hiện nay trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp sử dụng rất nhiều máy CNC trong đó có máy gia công tia lửa điện CNC Trên

cơ sở nghiên cứu máy gia công tia lửa điện CNC trong đó có điều khiển chuyển động bàn máy để từ đó đề xuất lựa chọn phương án tính toán khảo sát hệ truyền động này cho thích hợp Ngoài ra, bên cạnh nghiên cứu lý thuyết thì mục tiêu của luận văn là kết hợp với thực nghiệm là hệ truyền động có ở phòng thí nghiệm của nhà trường Với cách đặt vấn đề như trên sau khi nghiên cứu yêu cầu chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện CNC và tìm hiểu hệ truyền động T- Đ ở phòng thí nghiệm, hệ truyền động này có thế ứng dụng để truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Tìm hiểu tổng quan về máy gia công tia lửa điện CNC trong

đó khảo sát kỹ hệ truyền động bàn để từ đó chọn phương án truyền động thích hợp và phương án truyền động được chọn phải kết hợp phương án truyền động có ở phòng thí nghiệm mà trong luận văn chọn hệ truyền động T-Đ

- Khảo sát và tổng hợp hệ truyền động T-Đ từ đó đề xuất ứng dụng cho truyền động bàn

- Thí nghiệm thành công hệ T-Đ, đánh gía được chất lượng từ

đó so sánh với khảo sát về lý thuyết để đề suất ứng dụng bàn máy gia công tia lửa điện CNC

- Ứng dụng hệ T-Đ sau khi đã được tính toán về lý thuyết và kiểm nghiệm ở phòng thí nghiệm để điều khiển chuyển động bàn máy gia công tia lửa điện CNC kết quả khảo sát, tính toán mô phỏng

để khẳng định chất lượng của chuyển động của hệ

3 Nội dung của luận văn

Với mục tiêu đặt ra, nội dung luận văn bao gồm 3 chương : Chương 1: Tổng quan về máy gia công tia lửa điện CNC Chương 2: Khảo sát và kiểm nghiệm hệ truyền động Thyristor

- Động cơ ở phòng thí nghiệm Điện – Điện tử trường Đại học KTCN Thái Nguyên

Chương 3: Khảo sát hệ điều khiển chuyển động vị trí cho bàn máy gia công tia lửa điện CNC

Kết luận và kiến nghị

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MÁY GIA CÔNG

TIA LỬA ĐIỆN 1.1 Một số máy CNC thường dùng trong công nghiệp

Cùng với sự phát triển không ngừng của máy tính, hệ thống điều khiển số được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong

đó có máy công cụ như máy phay CNC, máy tiện CNC, máy doa CNC, máy gia công tia lửa điện CNC…

1.2 Công dụng và đặc điểm công nghệ máy gia công tia lửa điện CNC

Trong nửa thế kỷ qua, nhu cầu về các vật liệu cứng, lâu mòn và siêu cứng sử dụng cho tua bin máy điện, động cơ máy bay, dụng cụ ,khuôn mẫu …tăng lên không ngừng ở các nước công nghiệp phát triển Việc gia công các vật liệu đó bằng công nghệ cắt gọt thông thường (tiện, phay, mài…) là vô cùng khó, đôi khi không thể thực hiện được

Năm 1943, thông qua hàng loạt các nghiên cứu về tuổi bền các thiết bị đóng điện, hai vợ chồng Lazarenko người Nga đã tìm ra cánh cửa dẫn tới công nghệ gia công tia lửa điện Họ bắt đầu sử dụng tia lửa điện để làm một qúa trình hớt kim loại mà không phụ thuộc vào

độ cứng của vật liệu đó

Khi các tia lửa điện được phóng ra, vật liệu mặt phôi sẽ được hớt đi bởi một quá trình nhiệt – điện thông qua sự nóng chảy và bốc hơi kim loại, nó thay cho tác dụng cơ học của dụng cụ vào phôi Quá trình hớt kim loại bằng nhiệt- điện bởi sự phóng điện gọi là “gia công tia lửa điện”

* Đặc điểm của gia công tia lửa điện

Ba đặc điểm lớn của công nghệ này là:

- Điện cực (đóng vai trò dụng cụ) lại có độ cứng thấp hơn nhiều lần so với độ cứng của phôi Nói nôm na là lấy cái mềm để cắt cái cứng Điện cực là đồng, graphit còn phôi là thép đã tôi hoặc hợp kim cứng

- Vật liệu dụng cụ và phôi đều phải dẫn điện

- Khi gia công phải sử dụng một chất lỏng điện môi, đó là một dung dịch không dẫn điện ở điều kiện bình thường

Nguyên lý hớt vật liệu bắt buộc phải theo là: Vật liệu phải dẫn điện,

2.Sơ đồ máy xung định hình

1.2 Sơ đồ một máy xung định hình

Máy xung định hình có ba phần chính sau:

+ Các bàn trượt và bàn quay để tạo các chuyển động cần thiết

- Hệ thống điện, điện tử bao gồm:

+ Máy phát xung

Các máy gia công tia lửa điện cắt bằng dây, về nguyên tắc cũng

có ba phần chính như trên Tuy nhiên phần cơ khí có một số cơ cấu khác biệt so với máy xung định hình, để phù hợp với việc bố trí và điều khiển điện cực dây

1.3 Các máy gia công tia lửa điện thế hệ mới với động cơ tuyến tính

Trong những năm đầu thế kỷ 21, một thế hệ mới với các máy gia công tia lửa điện đã bắt đầu xuất hiện trên thị trường máy công

cụ thế giới Đó là các máy gia công EDM có gắn các động cơ tuyến tính cho các bàn trượt và đầu điện cực

1.4 Các yêu cầu của truyền động bàn máy CNC

1.4.1 Phạm vi điều chỉnh tốc độ

Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền động ăn dao là tỉ số giữa lượng ăn dao lớn nhất Smax và lượng ăn dao nhỏ nhất Smin

max s min

S

D = S

Với mỗi loại máy lại có dải điều chỉnh tốc độ khác nhau phù hợp với điều kiện phụ tải, nhưng nói chung khi Ds càng lớn thì khả năng chọn vùng tối ưu làm việc càng thuận lợi

ω

Trong đó ωivà ωi+1 là tốc độ thứ cấp i và i+1

Thực tế  càng nhỏ càng tốt vì ta dễ dàng chọn được điểm làm việc tối ưu theo yêu cầu công nghệ Do vậy mong muốn  1 Khi

đó hệ truyền động ăn dao được coi là điều chỉnh trơn hay điều chỉnh

vô cấp

Các giá trị chuẩn của độ trơn điều chỉnh được sử dụng trong truyền động máy CNC là: 1,06; 1,12; 1,26; 1,41; 1,58; 1,78; 2 Nhưng thường được sử dụng là các giá trị: 1,26; 1,41; 1,58

1.4.4 Đặc tính phụ tải

Với truyền động ăn dao, nói chung momen không đổi khi điều chỉnh tốc độ Tuy nhiên ở vùng tốc độ thấp lượng ăn dao nhỏ, lực cắt

bị hạn chế bởi chiều sâu cắt tới hạn Trong vùng này khi tốc độ ăn dao giảm, lực ăn dao và momen ăn dao cũng giảm theo, nếu giữ lực

ăn dăn dao Fad lớn như cũ thì công suất truyền động sẽ quá lớn Do

đó cho phép giảm nhỏ lực ăn dao trong vùng này, momen truyền động ăn dao cũng giảm theo

Hình 1-9 Đồ thi đặc tính phụ tải của máy cắt kim loại CNC

Một hệ thống truyền động điện có đặc tính điều chỉnh tốt nếu đặc tính của nó trùng với đặc tính cơ của máy sản xuất Khi đó động cơ được sử dụng một cách hợp lý nhất, tức là có thể làm việc đầy tải ở mọi tốc độ Nhờ đó hệ thống đạt được các chỉ tiêu chất lượng cao

1.4.5 Độ chính xác vị trí

Đặc biệt với các máy có yêu cầu cao về độ chính xác dừng máy như máy khoan CNC, doa CNC, phay CNC… các bộ phận làm việc như bàn dao, bàn máy phải dừng đúng vị trí yêu cầu để đảm bảo chất lượng gia công và năng suất Ở thang máy, máy nâng hạ yêu cầu buồng máy phải dừng đúng sàn tầng hoặc các mặt bằng lấy tải, tháo tải Độ chính xác khi dừng không những ảnh hưởng tới năng suất,

chất lượng công việc mà còn ảnh hưởng tới sự an toàn cho người và máy Một trong các hệ thống điều khiển giúp xác định chính xác vị trí dừng máy đó là hệ thống điều khiển vị trí Để tìm hiểu kỹ hơn ta

sẽ xét ở chương 2

Để đáp ứng được những yêu cầu đặt ra, các máy công cụ CNC thường dùng trong các hệ thống truyền động cho bàn máy sẽ được trình bày dưới đây

1.4.2 Các hệ truyền động bàn trong máy công cụ gia công tia lửa điện CNC

- Hệ truyền động thuỷ lực

- Hệ truyền động dùng động cơ bước

- Hệ truyền động dùng động cơ tuyến tính

- Hệ truyền động Thyristor- Động cơ

- Hệ truyền động dùng động cơ servo một chiều (DC servo motor)

- Hệ truyền động dùng động cơ AC servo ( AC servo motor)

- Hệ thống truyền động điều chỉnh xung áp- động cơ một chiều (XA-Đ)

1.4.3 Các phương pháp điều khiển ổn định vị trí bàn máy

Để chuyển động bàn máy, hệ điều khiển CNC cần có các hệ dẫn động mà nó có khả năng điều khiển cả tốc độ và vị trí các trục máy công cụ Điều khiển các trục máy CNC có thể thực hiện theo hai điều khiển: điều khiển kiểu vòng hở và điều khiển kiểu vòng kín

Sự khác nhau cơ bản giữa hệ thống điều khiển kín và điều khiển hở là ở chỗ trong hệ thống điều khiển kín có mạch phản hồi

Hệ thống phản hồi dùng để đo vị trí và tốc độ thực tế của trục và so sánh chúng với vị trí và tốc độ yêu cầu Sự khác nhau giữa giá trị thực và giá trị yêu cầu là sai số

Phần tử chuyển đổi của mạch phản hồi thường sử dụng một trong hai kiểu: tương tự hoặc số

Hình 1-12 Sơ đồ hệ thống điều khiển vòng kín dùng Tachometer,

Resolver

Hình 1-13.Sơ đồ điều khiển vòng kín dùng Tachometer, Encoder

Resolver

Phản hồi vị trí

Qua phân tích các hệ thống truyền động trên ta thấy các hệ truyền động mới như động cơ tuyến tính, hệ T- Đ, hệ xung áp động

cơ điện một chiều và hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều Các hệ thống này đều có thể ứng dụng để truyền động cho bàn máy gia công tia lửa điện Nhưng với yêu cầu của đề tài là nghiên cứu và ứng dụng hệ T- Đ ở phòng thí nghiệm của nhà trường để truyền động cho bàn máy Mặt khác hệ truyền động này đã được thí nghiệm thành công Vì vậy, tôi chọn hệ T-Đ để truyền động cho bàn máy gia công tia lửa điện

CHƯƠNG 2

KHẢO SÁT VÀ KIỂM NGHIỆM HỆ TRUYỀN ĐỘNG T- Đ

Ở PHÒNG THÍ NGHIỆM ĐIỆN- ĐIỆN TỬ TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN 2.1 Giới thiệu về hệ truyền động T- Đ

Sơ đồ nguyên lý

Hình 2.1 : Sơ đồ nguyên lý module chỉnh lưu cầu 3 pha

Bố trí thiết bị trên module

Hình 2.2: Sơ đồ bố trí thiết bị trên modul chỉnh lưu cầu 3 pha

2.2 Nguyên lý làm việc của sơ đồ mạch điện

Nguyên lý làm việc hệ thống tự động ổn định dòng điện và ổn định

tốc độ:

Để ổn định dòng điện khi động cơ làm việc trong vùng quá tải thì mạch phản hồi âm dòng điện sẽ tác động để hạn chế quá tải Để

ổn định tốc độ nhờ mạch phản hồi âm tốc độ

Với sơ đồ nguyên lý hệ truyền động T- Đ ở phòng thí nghiệm ta

có sơ đồ khối như sau:

Tom tat luan van NGA.rar

Hình 2-9 Sơ đồ sơ khối hệ truyền động T- Đ

2.3 Thực nghiệm

Để đo và kiểm nghiệm dùng máy hiện sóng 3 tia đo được:

* Điện áp đồng bộ hoá ở một mạch tạo xung

R R

BI

M

DC

CRM

CRM

MTX

TM

Hình 2-10 Điện áp khâu đồng bộ hóa

* Điện áp răng cưa ở một kênh tạo xung

Hình 2-11 Điện áp đầu ra khâu phát sóng răng cưa

* Điện áp khâu sửa xung và gửi xung

Hình 2-12 Điện áp khâu sửa xung và gửi xung

Thí nghiệm

Quá trình thí nghiệm được tiến hành như sau:

- Thí nghiệm với hệ thống có tải và không tải

- Thí nghiệm với bộ điều chỉnh tốc độ là khâu P và PI

- Thí nghiệm đảo chiều

*Thí nghiệm 1: Khi động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P

Hình 2-13 Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển P

*Thí nghiệm 2: Khi động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI

Hình 2-14 Động cơ quay theo chiều thuận với bộ điều khiển PI

*Thí nghiệm 3:Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P

Hình 2-15 Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển P

*Thí nghiệm 4: Động cơ quay theo chiều ngược với bộ điều khiển

+ Thời gian quá độ: 3s

CHƯƠNG 3:

KHẢO SÁT HỆ ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG VỊ TRÍ CHO

BÀN MÁY GIA CÔNG TIA LỬA ĐIỆN CNC

Trên cơ sở đã khảo sát và kiểm nghiệm hệ truyền động T-Đ Xây

sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính như hình vẽ:

Hình 3-3 Sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính

Để ổn định bàn máy sản xuất thì chúng ta phải xây dựng được

hệ truyền động điện ổn định tốc độ từ đó ta tạo ra một mạch vòng vị trí R như vậy với mạch vòng vị trí này khi chúng ta tính toán R

thích hợp thì hệ điều khiển ổn định vị trí sẽ ổn định

- Hệ truyền động điện ổn định tốc độ động cơ T-Đ có sơ đồ khối như hình 2-9 Hàm số truyền của hệ ổn định tốc độ động cơ

- Từ sơ đồ khối hệ điều chỉnh vị trí tuyến tính thay hệ truyền động ổn định tốc độ động cơ vào sơ đồ hình 3-3 ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng vị trí như hình vẽ:

Hệ truyền động điện ổn định tốc độ

-

Hình 3-6 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí

Quá trình tổng hợp hệ truyền động ta có hàm truyền của bộ điều chỉnh vị trí theo tiêu chuẩn tối ưu đối xứng :

RT(p) cũng là khâu tỷ lệ - đạo hàm (PD)

Sau khi tổng hợp các bộ điều khiển, ta có sơ đồ cấu trúc điều khiển

vị trí động cơ điện một chiều như hình vẽ 3-7

Hình 3-7 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển vị trí

r

K p

R  (p)

φ φ

3.3 Mô phỏng hệ thống truyền động bàn trên matlab, Simulink 3.3.1 Tính toán các thông số hệ điều chỉnh vị trí đối với động cơ một

chiều kích từ độc lập (Thực hiện ở phần phụ lục 3)

3.3.2 Xây dựng sơ đồ mô phỏng trên matlab, Simulink

Thay các thông số đã tính được vào sơ đồ hình 3-7 và dùng simulink ta có sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển như trên hình 3-8

Hình 3.8 Sơ đồ mô phỏng hệ điều khiển bằng bộ điều khiển PID

Kết quả mô phỏng :

Hình 3-9 Các tín hịệu vị trí đầu ra tương ứng với các giá trị khác

nhau của vị trí đặt đầu vào φ đặt = 10 (V)

Từ kết quả mô phỏng trên ta thấy chất lượng của hệ truyền động có

các thông số sau:

- Thời gian quá độ của bàn máy: 11s

- Độ quá điều chỉnh của bàn máy: 5%

- Sai lệch tĩnh của bàn máy: 0

STT Thông số động

Hệ truyền động T- Đ thí nghiệm

Hệ truyền động T- Đ tính toán

2 Kết quả thí nghiệm và tính toán cụ thể với những chỉ tiêu được thể hiện trên bảng thì tương ứng nhau cho thấy phương pháp tính toán là đúng và từ kết quả này ta nhận thấy hệ truyền động T- Đ ở phòng thí nghiệm có thể ứng dụng để truyền động cho bàn máy gia công tia lửa điện CNC

Nhận xét và đánh giá chuyển động bàn máy:

- Thời gian quá độ của bàn máy: 11s

- Độ quá điều chỉnh của bàn máy: 5%

- Sai lệch tĩnh của bàn máy: 0

Với kết quả thì hệ truyền động này có thể thoả mãn được yêu cầu truyền động bàn máy gia công tia lửa điện CNC Song khi tính toán ta chọn khâu Rφ là khâu tuyến tính nhưng thực tế khâu này là khâu phi tuyến nên thời gian quá độ 11s

Để khắc phục tính phi tuyến của của bộ điều khiển PID bằng bộ điều khiển mờ lai, mờ thích nghi, hoặc mờ trượt….để nâng cao chất lượng hệ thống Một số công trình đã ứng dụng các bộ điều khiển phi tuyến trên cho kết quả tốt

Vì nội dung luậnvawn có nhiều vấn đề phức tạp cần giải quyết nhất là phần thí nghiệm đã thực hiện chiếm nhiều thời gian Vì vậy phần kiến nghị của luận án chúng tôi sẽ đề cập đến vấn đề của phần này