Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động

Giới thiệu các chuyển động của máy hàn tự động Trên máy hàn có 2 hệ truyền động riêng biệt : + Hệ truyền động tự đẩy điện cực vào vùng hàn + Hệ truyền động di chuyển xe hàn Trong quá tr

Trang 1

Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

Trang 2

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

KHOA CHUYÊN MÔN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC TRƯỞNG KHOA

Trang 3

MỤC LỤC

Mục lục………i

Lời cam đoan:……… ………vi

Danh mục ký hiệu và chữ viết tắt……….……… vii

Mục lục hình vẽ ………….……….viii

Lời cảm ơn:……….…… … ix

Lời nói đầu……… 01

Chương I……….…02

GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG … ……… 02

I.1.Công dụng của máy hàn tự động ……….……….… 02

I.2 Giới thiệu các chuyển động của máy hàn tự động……… …………03

I.2.1 Chuyển động đẩy que hàn vào vùng hàn……… ……….03

I.2.2 Chuyển động lắc que hàn……… ………….……03

I.3 Giới thiệu các thông số và các yêu cầu máy hàn tự động ……… ……05

I.4 Các phương án điều khiển ổn định tốc độ xe hàn ……….……… … 09

I.5 Tìm hiểu máy hàn tự động trong chương trình KC.03.06-10……….….…10

I.5.1 Sự ra đời của mày hàn này ……….……… 10

I.5.2 Yêu cầu rô bôt và các thông số kỹ thuật ……… 12

I.5.3 Các chuyển động điều khiển, các chuyển động của robot hàn tự động ……… 13

I.5.4 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển ……… 14

I.5.5 Xây dựng phần mềm tính toán và điều khiển robot ……… 16

Trang 4

I.5.6 Module vào ra số liệu ……… ……… 16

I.5.7 Giới thiệu hệ thống chuyển động được ứng dụng ……… 19

I.5.8 Cơ cấu robot tự hành ……….……… …… … 19

Chương II KHẢO SÁT & TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG XE HÀN MÁY HÀN TỰ ĐỘNG……….……….………25

II.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động ……….……… ….… ………….25

II.1.1 Động cơ điện xoay chiều 3 pha……… ……….……….……….…25

II.1.2 Biến tần ……… ……….……….….….…… … 27

II.1.1 Động cơ điện xoay chiều 3 pha……… ……….……….……….…27

II.1.2 Biến tần ……… ……….……….….….…… … 27

II.1.2.1 Khối động lực……….……… ……….……….……….…27

II.1.2.2 Các phương pháp điều khiển ……… ……….……….….….…… … 27

II.1.2.2.1 Xây dựng hệ điều khiển vector ……… ……….……….……… 28

II 1.2.2.1.1 Khái niệm về vector không gian ……… ……….……….….… .… 38

II 1.2.2.1.2 Trạng thái của van và các vectơ biên chuẩn ……….……….….….…… … 29

II 1.2.2.1.3 Tổng hợp vector không gian từ các vectơ biên …… ……….……….……… 30

II.1.3 TỔNG QUAN VỀ PLC S7-300……… ……….……….….… .… 31

II.1.3.1 Cấu trúc của trạm SIMATIC PLC S7-300 ……….……….….….…… … 31

II.1.3.2 Module điều khiển PID ……… ……….……….……… 33

II.1.3.3 Thiết bị tín hiệu tốc độ ……… ……… ……….……….….… .… 37

II.2 PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB 3 PHA……….……….….….…… … 39

Trang 5

II.2.1 Các phương pháp điều khiển hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 3 pha …….39

II.2.1.1 Điều khiển vectơ ( FOC …….……… ……….……….….… .… 39

II.2.1.2 Điều khiển trực tiếp mômen ( DTC)…… ……….……….….….…… … 40

II.2.2.1 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ không đồng bộ từ hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) về hệ tọa độ cố định trên stato (α,β) ……….……… 41

II.2.2.2 Quy đổi các đại lượng điện của động cơ KĐB 3 pha từ hệ tọa độ cố định trên stato (α,β) về hệ tọa độ tựa từ thông rotor (d,q)……… 42

II.2.2.3 Sự biến đổi năng lượng và mômen điện từ……… …43

II.2.2.4 Cơ sở định hướng từ thông trong hệ tọa độ tựa theo từ thông rotor (d,q)……… …….44

II.2.3 TỔNG HỢP HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN ĐỘNG CƠ ĐIỆN XOAY CHIỀU 3 PHA ĐIỀU KHIỂN BỞI PLC S7-300……… 46

II.2.3.1.Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ truyền động điện điều khiển vector biến tần II.2.3.2.Tổng hợp bộ điều chỉnh dòng điện……… 49

II.2.3.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh tốc độ.……….……….51

II.2.4 Mô phỏng trên phần mềm Matlab – Simulink……….… 53

II.2.4.1.1 Sơ đồ mô phỏng toàn hệ thống.……….……… ….54

II.2.4.1.2 Khối động cơ KĐB……… ……….54

II.2.4.1.3 Khối điều khiển vector……….……….……….….55

II.2.4.1.4 Khối điều khiển tốc độ……… ……… ……… ….… 55

II.2.5 Tính toán gần đúng các thông số……… 56

II.2.5.1 Tính toán gần đúng các thông số ghi trên nhãn động cơ……….56

II.2.5.2 Xác định các thông số của máy phát tốc………57

II.2.5.3 Tính toán thông số bộ điểu chỉnh dòng điện Ri(p) ……… ….57

II.2.5.4 Tính toán các thông số bộ điều chỉnh tốc độ Rω(p)) ……… ……57

II.2.6 Quá trình mô phỏng……… …58

Trang 6

II.2.6.1 Động cơ làm việc không tải tần số 50 Hz……….59

II.2.6.2 Động cơ làm việc có tải ở tần số 50 Hz……….……… 60

II.2.6.3 Động cơ làm việc có tải ở tần số 15Hz ……… 61

II.2.6.4 Nhận xét………63

II.3 Thí nghiệm……… 64

II.3.1 Giới thiệu bài thí nghiệm……… 64

II.3.2 Xây dựng hệ mô hình thực nghiệm………….……… 65

II.3.3 Nguyên lý làm việc………65

II.3.4 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển P trong S7-300……… ……….66

II.3.5 Trường hợp thí nghiệm với bộ điều khiển PI trong S7-300……….67

II.3.6 So sánh đánh giá kết quả thí nghiệm với lý thuyết tính toán………68

CHƯƠNG III KHẢO SÁT TÍNH TOÁN HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG ỔN ĐỊNH VỊ TRÍ XE HÀN……….69

III.1 Khảo sát và tính toán với hệ điều khiển tuyến tính………69

III.1.1 Xây dựng sơ đồ cấu trúc hệ ổn định tốc độ BT ĐC KĐB xoay chiều 3 pha……….69

III.1.2 Xây dựng hàm số hệ truyền động BT ĐCKĐB ~ 3 pha ổn định tốc độ………70

III.1.3 Tổng hợp bộ điều chỉnh vị trí……….70

III.1.4 Tổng hợp mạch vòng điều khiển vị trí………71

III.1.5 Mô phỏng đánh giá chất lượng của hệ điều khiển chuyển động xe hàn khi dùng bộ điều khiển PID………72

III.2 Nâng cao chất lượng hệ điều khiển chuyển động xe hàn……… …72

III.2.2 Ứng dụng bộ điều khiển mờ trong mạch vòng vị trí……… …74

III.2.2.1 Sơ đồ khối của bộ điều khiển mờ………74

III.2.2.2 Các bộ điều khiển mờ………75

III.2.2.2.1 Phương pháp tổng hợp kinh điển……….75

III.2.2.2.2 Bộ điều khiển mờ tĩnh……… 75

III.2.2.2.3 Bộ điều khiển mờ động………76

III.2.3 Bộ điều khiển mờ lai PID………76

III.2.3.1 Giới thiệu chung……… 80

III.2.3.2 Bộ điều khiển mờ lai chỉnh định mờ tham số bộ điều khiển PID………80

Trang 7

III.3 Tổng hợp hệ thống với bộ điều khiển PID kết hợp với bộ điều khiển mờ cho truyền

động để điều khiển chuyển động cho xe hàn máy hàn tự động………81

III.3.1 Xây dựng bộ điều khiển mờ III.3.2 Mô phỏng hệ với bộ điều khiển mờ mắc nối tiếp….82 III.3.3 SƠ ĐỒ MÔ PHỎNG SO SÁNH CHẤT LƢỢNG BỘ ĐIỀU KHIỂN PID VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN MỜ LAI NỐI TIẾP CHO ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG XE HÀN……… 89

III.3.3.1 Mô phỏng với lƣợng đặt là = 10 V III.3.3.2 Mô phỏng với lƣợng đặt là hàm điều hòa tuần hoàn: y = Asin(ωt)………90

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ………96

IV.1 Kết luận……… 98

IV.2 Kiến nghị……… Tài liệu tham khảo

Trang 8

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Bích Ngọc

Sinh ngày: 02 tháng 11 năm 1988

Học viên lớp cao học khóa K15 - Tự động hóa - Trường Đại học kỹ thuật công nghiệp - Đại học Thái Nguyên

Hiện đang công tác tại: Công ty TNHH SamSung Electro – Mechanics Việt Nam

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi Các số liệu nêu trong luận văn là trung thực Những kết luận trong luận văn chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào Mọi thông tin trích dẫn trong luận văn đều chỉ rõ nguồn gốc

Tác giả luận văn

Trần Bích Ngọc

Trang 9

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

1 BTKĐB~3 pha Biến tần không đồng bộ xoay chiều ba pha

8 Ki , Kp Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện

Trang 10

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Sơ đồ hệ truyền động dịch cực………

Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn………

Hình 1.3 Sơ đồ động học rôbot hàn tự động………

Hình 1.4 Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển vị trí các trục………

Hình 1.5 Lưu sơ đồ chức năng chương trình………

Hình 1.6 Cơ cấu hệ thống điều khiển Servo robot hàn tự hành 4 trục………

Hình 1.7 Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành………

Hình 1.8 Cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn………

Hình 1.9 Cơ cấu chuyển động của khớp robot………

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động………

Trang 4 9 13 15 18 19 20 21 23 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần động cơ………

Hình 2.2.a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi………

Hình 2.2.b Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp (U/f = const)………

Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha………

Hình 2.4 Biểu đồ sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phương pháp PWM Hình 2.5 Vector không gian và vector biên chuẩn………

Hình 2.6 Trạm PLC máy gạt phôi………

Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc module điều khiển PID………

Hình 2.8 Thuật toán điều khiển PID………

Hình 2.9 Đặc tính đo máy phát tốc 1 chiều………

Hình 2.10 Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc xoay chiều 3 pha………

Hình 2 11 Sơ đồ điều khiển vector của hệ truyền động BT KĐC ~ 3pha………

Hình 2.12 Sơ đồ khối hệ BT KĐB ~ 3 pha điều khiển trưc tiếp momen………

Hình 2.13 Hệ tọa độ vector không gian (a,b,c) và hệ tọa độ cố định trên stator (α,β)

Hình 2.14 Hệ tọa độ quy đổi (α,β) tựa theo từ thông rotor (d,q)………

Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vector động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần………

Hình 2.16 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB……

Hình 2.17 Sơ đồ cấu trúc đơn giản hóa hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB………

Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB… Hình 2.19 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện………

Hình 2.20 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh tốc độ………

Hình 2.21 Sơ đồ khối mạch vòng điều chỉnh tốc độ ………

25

26

27

28

30

31

34

37

38

39

41

43

46

47

48

49

51

Trang 11

Hình 2.22 Cấu trúc mô phỏng hệ thống BĐBT – ĐCKĐB………

Hình 2.23 Khối động cơ xoay chiều 3 pha………

Hình 2.24 Cấu trúc khối điều khiển vector………

Hình 2.25 Cấu trúc khối điều khiển tốc độ………

Hình 2.26 Điện áp tức thời của biến tần ở tần số 50 Hz………

Hình 2.27 Tốc độ động cơ ở tần số 50 Hz………

Hình 2.28 Mômen điện từ ở tần số 50 Hz………

Hình 2.29 Tốc độ động cơ ở tần số 50 Hz………

Hình 2.30 Điện áp đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải………

Hình 2.31 Tốc độ đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải………

Hình 2.32 Mômen đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải………

Hình 2.33 Điện áp ra của biến tần không tải ở tần số 15 Hz………

Hình 2.34 Điện áp đặt vào của biến tần không tải ở tần số 15 Hz………

Hình 2.35 Tốc độ của động cơ ở tần số 15 Hz có tải………

Hình 2.36 Mômen của động cơ ở tần số 15 Hz có tải………

Hình 2.37 Hệ thống điều khiển kết nối với Win CC………

Hình 2.38 ………

52 54 55 57 58 59 60 61 61 62 63 64 65 65 Hình 3.1 Sơ đồ khối hệ điều khiển vị trí tuyến tính………

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc hệ điều khiển ổn định tốc độ truyền động BT ĐCKĐB ~ 3 pha………

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc thu gọn mạch vòng vị trí………

Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển vector biến tần ĐC xoay chiều 3 pha KĐB…

Hình 3.5 Đáp ứng vị trí bộ điều khiển PID………

Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ bộ điều khiển PID………

Hình 3.7 Đáp ứng mômen bộ điều khiển PID………

Hình 3.8 Quan hệ giữa ∆φ và ω………

69

70

71

72

Trang 12

Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ………

Hình 3.10 Mô hình chuyển đổi hiểu biết com người và điều khiển mờ………

Hình 3.11 ví dụ chọn dữ liệu vào/ra………

Hình 3.12 Hệ điều khiển mờ theo luật I………

Hình 3.13 Hệ điều khiển mờ theo luật PD………

Hình 3.14 Hệ điều khiển mờ theo luật PI………

Hình 3.15 Hệ điều khiển mờ PID………

Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển………

Hình 3.17 Mô hình bộ điều khiển mờ bù………

Hình 3.18 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID……

Hình 3.19 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ………

Bảng 3.20 Xây dựng luật điều khiển ………

Hình 3.21 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.22 Định nghĩa các tập mờ cho biến ET của bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.23 Định nghĩa các tập mờ cho biến DET của bộ điều khiển mờ PD…………

Hình 3.24 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.25 Xây dựng các luật cho bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.26 Bề mặt đặc trưng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ PD…………

Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra bộ điều khiển mờ PD………

Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.29 Đáp ứng vị trí bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.30 Đáp ứng tốc độ bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.31 Đáp ứng mômen bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………

Hình 3.32 Sơ đồ mô phỏng đánh giá chất lượng bộ điều khiển PID và mờ lai nối tiếp PD…

Hình 3.33 Đáp ứng vị trí với lượng đặt =10V………

Hình 3.34 Đáp ứng tốc độ với lượng đặt =10V………

Hình 3.35 Đáp ứng mômen với lượng đặt =10V………

Hình 3.36 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 0,1 sin(ωt) với ω=1 rad/s………

Hình 3.37 Chất lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử y= 0,1 sin(ωt) với ω=10 rad/s………

73 73 75 77 77 77 79 80

81

82

85

86

87

89

90

91

93

Trang 13

Hình 3.38 Sai lệch vị trí bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử

y= 0.1 sin(ωt) với ω=1rad/s………

Hình 3.39 Sai lệch vị trí bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử

y= 0.1 sin(ωt) với ω=10 rad/s………

Hình 3.40 Chất lƣợng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu

thử y= 1 sin(ωt) với ω=1 rad/s………

Hình 3.41 Chất lƣợng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu

thử y= 1 sin(ωt) với ω=10rad/s………

Trang 14

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng của nền công nghiệp thế giới trong những năm gần đây Một mặt chúng ta áp dụng những thành tựu khoa học kỹ thuật tiên tiến vào sản xuất, một mặt chúng ta nghiên cứu chế tạo đồng thời tiến hành sản xuất, các thiết bị cho phù hợp với trình độ vận hành và thực tiễn sản xuất

Trong sự nghiệp CNH-HĐH đất nước, ngành công nghiệp hàn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng Hiện nay ở Việt Nam, trong công nghiệp hàn, phương pháp hàn hồ quang tự động được dùng tương đối phổ biến với ưu điểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễ điều chỉnh để tạo ra những sản phẩm như mong muốn

Là một kỹ sư tương lai, em luôn xác định rõ trách nhiệm học tập của mình về kiến thức và kinh nghiệm, để sau này có thể góp phần thúc đẩy sự phát triển của nền công nghiệp nước nhà, tiến đến các nền công nghiệp tiên tiến của các nước trên thế giới Sau 2 năm học tập và nghiên cứu tại trường em được phân đề tài tốt nghiệp là:

“NÂNG CAO CHẤT LƯỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG

XE HÀN CỦA MÁY HÀN TỰ ĐỘNG”

Phục vụ cho ngành công nghiệp Qua thời gian tìm tòi nghiên cứu, với sự hướng

dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp cùng các thầy cô giáo trong khoa

Điện trường ĐHKTCN Thái Nguyên Đến nay đề tài tốt nghiệp của em đã hoàn thành

Do hạn chế thời gian và kiến thức, nên trong đề tài không tránh khỏi những sai sót, em mong các thầy cô chỉ bảo và đóng góp ý kiến để đề tài được hoàn thiện hơn

Em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp cùng các thầy cô

giáo bộ môn đã nhiệt tình giúp đỡ em hoàn thành đề tài này

Trang 15

Chương I GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ MÁY HÀN TỰ ĐỘNG

I.1 Công dụng của máy hàn tự động

Máy hàn tự động đóng vai trò quan trọng trong công nghiệp Nó góp phần nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm Một quá trình hàn gồm nhiều thao tác lặp đi lặp lại trên những chi tiết giống nhau sẽ thích hợp để tự động hóa Số lượng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hay không Nếu bình thường phải điều chỉnh để các chi tiết ăn khớp với nhau hoặc các mối hàn quá rộng hoặc có vị trí khác nhau trên mỗi chi tiết thì không thể tự động hóa được Những lợi ích của hàn tự động lớn nhất chính là độ chính xác và năng suất cao Hàn bằng máy tự động sẽ nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý, các máy hàn tự động sẽ tạo ra những mối hàn y như nhau trên các vật hàn cùng kích thước và quy cách

Chuyển động của mỏ hàn được tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lượng công việc phải làm lại Máy hàn không những làm việc nhanh hơn mà còn có thể hoạt động liên tục suốt ngày đêm, hiệu quả hơn nhiều so với thiết bị hàn tay

Quá trình hàn được tự động hóa giải phóng người công nhân khỏi những tác hại do tiếp xúc với bức xạ hồ quang,vẩy hàn nóng chảy, khí độc

Trong ngành công nghiệp: công nghiệp ô tô, công nghiệp đóng tàu thì ngành công nghiệp hàn là một trong những công việc quan trọng nhất, nó chiếm phần lớn trong toàn

bộ công nghệ sản xuất để tạo ra một chiếc ô tô hay một con tàu Các công nghệ hàn thường sử dụng hiện nay là:

- Hàn hồ quang tay: Phương pháp đơn giản, dễ sử dụng, đầu tư trang thiết bị ít Tuy nhiên cho năng suất thấp, hồ quang cháy không ổn định do mọi thao tác đều được thực hành bằng tay, điều kiện làm việc của người thợ hàn nặng nhọc do phải tiếp xúc trực tiếp với hồ quang hàn, khói bụi và kim loại lỏng bắn tung tóe Vì thế chỉ chủ yếu sử dụng trong sửa chữa

- Hàn hồ quang bán tự động trong môi trường khí bảo vệ: Phương pháp này chuyển động cấp dây hàn được tự động hóa hoàn toàn nhờ nguồn hàn được thiết kế có tính năng tự động lựa chọn tốc độ dây hàn phù hợp dòng điện hàn đã chọn Còn lại chuyển động của

Trang 16

mỏ hàn dọc theo trục mối hàn được thực hiện bằng tayvà cho năng suất, chất lượng mối hàn cao hơn Tuy nhiên do chỉ mới tự động hóa được một trong hai chuyển động quyết định đến năng suất và chất lượng hàn nên phương pháp này vẫn có những hạn chế nhất định, năng suất hàn chưa cao, chất lượng mối hàn vẫn còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề người thợ hàn, điều kiện lao động vẫn chưa được cải thiện về bản chất

- Hàn hồ quang tự động dưới lớp thuốc: Phương pháp này khắc phục được các nhược điểm của hai phương pháp hàn kể trên do các chuyển động cấp dây hàn và chuyển động dọc trục mối hàn được thực hiện hoàn toàn tự động Năng suất và chất lượng mối hàn rất cao, đặc biệt có thể hàn một lần với chiều sâu ngấu lớn Tuy nhiên phương pháp này chỉ được hàn ở vị trí hàn bằng Khi hàn ở vị trí hàn đứng, trần , thuốc hàn và kim loại lỏng sẽ

bị rơi xuống do sức hút trọng lực, do đó mối hàn không thực hiện được Chính vì vậy phương pháp này chỉ được sử dụng trong trường hợp hàn các mối hàn bằng ( có thể hàn cho mối hàn ngang ) và chỉ thực hiện trong nhà xưởng, không thích hợp ngoài hiện trường vì trang thiết bị cồng kềnh

I.2 Giới thiệu các chuyển động của máy hàn tự động

Trên máy hàn có 2 hệ truyền động riêng biệt :

+ Hệ truyền động tự đẩy điện cực vào vùng hàn

+ Hệ truyền động di chuyển xe hàn

Trong quá trình làm việc, máy hàn đảm bảo các thao tác hàn: Mồi hồ quang, duy trì ngọn lửa hồ quang cháy ổn định trong quá trình hàn; Đẩy điện cực vào vùng hàn; di chuyển xe hàn quay đầu hàn, cấp trợ dung vào vùng hàn

Hệ truyền động trên máy hàn hồ quang tự động yêu cầu điều chỉnh tốc độ êm, phạm vi điều chỉnh tốc độ tới D = 10:1

I.2.1 Chuyển động đẩy que hàn vào vùng hàn

Sơ đồ hệ truyền động dịch cực Hình 1.1

Trang 17

Hình 1.1 Sơ đồ hệ truyền động dịch cực

- Chế độ làm việc bằng tay: Dùng để nhắp thử, tiếp điểm tự động TĐ mở ra, tiếp điểm bằng tay T đóng lại Muốn thực hiện nâng hạ điện cực, tiếp điểm N đóng lại, tiếp điểm H

mở ra Ngược lại, muốn hạ điện cực, tiếp điểm N mở ra, tiếp điểm H đóng lại

- Chế độ làm việc tự động: Tiếp điểm tự động TĐ đóng lại, tiếp điểm bằng tay T mở ra Khi đặt điện áp U0 ền động có xu hướng nâng điện cực lên, còn Uhq có xu hướng đẩy que hàn đi xuống.Khi hàn ổn địnhvới công suất hàn xác định ( Ihq xác định ) hay với khoảng cách h thì:

Zhq =

hq

hqI

U

= const

Với Zhq = const thì : = 0

Khi mồi (nhắp) Uhq = 0 lúc này điện cực được nâng lên Khi hàn, giả thiết hàn ở chế độ

ổn định = 0 Trong quá trình hàn thì que hàn sẽ cháy làm khoảng cách giữa điện cực và vật hàn tăng lên, dẫn đến Uhq tăng lên và lúc này tín hiệu sẽ điều khiển hệ thống đẩy điện cực xuống Điện cực càng đẩy xuống thì Uhq càng giảm đến khi

Trang 18

= 0 điện cực dừng lại Quá trình cứ xảy ra như vậy cho đến khi không hàn nữa Cắt điện áphàn ra, điện cực được đẩy lên

I.2.2 Chuyển động lắc que hàn

- Với công nghệ hàn được xác định thì tốc độ chuyển động lắc que hàn cũng là xác định hay vị trí chuyển động của mỏ hàn cũng được xác định

Chiều dài chuyển động: S = k.V Ih(1-1)

Đối với các mối hàn yêu cầu chất lượng không cao, ta sử dụng dòng hàn xoay chiều

I.3 Giới thiệu các thông số và các yêu cầu máy hàn tự động

Động cơ trục chính của máy hàn tự động là động cơ tạo ra chuyển động tịnh tiến theo dọc trục mối hàn ( theo phương Ox ) Tính toánđộng cơ chính cần đảm bảo các yêu cầu sau:

- Máy hàn di chuyển khi không hàn với vận tốc yêu cầu Thời gian để tăng vận tốc của máy hàn trong giới hạn cho phép ( thời gian mở máy)

- Momen hãm của phanh phải đủ để giữ xe không bị trượt xuống khi ngắt điện ( tính tụ hãm)

* Công suất cần thiết của động cơ truyền động xe hàn di chuyển được với vận tốc yêu

cầu: P = v.m.g(1-2)

Trong đó:

P: Công suất cần thiết để xe hàn di chuyển với vận tốc v

v : Vận tốc tối đa của xe hàn

m : Khối lượng của xe hàn

Trang 19

C 0yc = P e f s (1-6) Trong đó:

Trang 20

Trong đó:

η : Hiệu suất tính toán

do : Đường kính danh nghĩa của trục vit me

h1 : Chiều sâu chảy (mm)

s : Chiều dày của chi tiết (mm)

Trang 21

hàn có đặc tính thoải, cường độ dòng điện hàn tỉ lệ thuận với tốc độ cấp dây( như công thức 1-9) khi tốc độ cấp dây cho trước và các thông số khác giữ nguyên Với đường kính dây hàn cho trước, khi cường độ dòng điện hàn trong dải cho phép, chiều sâu chảy và chiều rộng mối hàn tăng, kích thước mối hàn tăng

Tốc độ hàn:

Để giữ cho hình dạng hình học của vùng hàn luôn luôn không thay đổi trong quá trình hàn, tạo điều kiện cho sự kết tinh kim loại tốt nhất, cần phải đảm bảo hệ số hình dạng vùng hàn φ , hằng số này được xác định theo công thức:

Vì công suất hữu ích của hồ quang (q) phụ thuộc chủ yếu vào cường độ dòng điện hàn

Ih, nên muốn giữ hình dạng hình học của vùng hàn không đổi thí tích giữa cường độ dòng điện hàn và tốc độ hàn phải luôn nằm trong một giới hạn xác định Tức là tích Ih vh = N

Uh: Điện áp hàn (V)

d : Đường kính dây hàn (mm)

Ih : Cường độ dòng điện (A)

Trang 22

η : Hệ số hữu ích của hồ quang hàn

Như trên đã phân tích thì tíchIh νh = N = const Vậy với cường độ dòng điện hàn không đổi thì để đảm bảo công thức trên ta phải giữ sao cho vận tốc hàn νh không đổi Do đó ta phải thiết kế hệ thống ổn định tốc độ hàn

I.4 Các phương án điều khiển ổn định tốc độ xe hàn

* Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn: Hình 1.2

Us

Hình 1.2Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn

- Xe hàn: Đây là chuyển động tịnh tiến ( nếu chỉ chuyển động theo một trục)

- Hệ truyền động cho xe hàn tự động: Để truyền động cho xe hàn (đầu hàn), hệ thống tự động ổn định tốc độ, công suất không lớn ( vài trăm W ÷ 1 kW) nhưng yêu cầu chất lượng hệ truyền động này phải cao Cụ thể:

+ Phạm vi điều chỉnh tốc độ lớn

Bộ điều khiển vị trí máy hàn

Hệ truyền động cho máy hàn tự động ổn định tốc

Trang 23

+ Điều chỉnh trơn

+ Phải được ổn định tốc độ trong suốt quá trình làm việc

+ Có đảo chiều

I.5 Tìm hiểu máy hàn tự động trong chương trình KC.03.06-10

I.5.1 Sự ra đời của mày hàn này :

Nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot hàn đã được quan tâm trong một số năm gần đây nhằm mục đích chủ động chế tạo sản phẩm trong nước với giá thành thấp so với ngoại nhập Ngành đóng tàu ở Việt nam với những bước phát triển đòi hỏi sử dụng các robot hàn tự hành, góp phần nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Các nghiên cứu thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành đã và đang được thực hiện nhằm tạo cơ sở chế tạo trong nước robot hàn đáp ứng nhu cầu công nghiệp đóng tàu ở Việt Nam với chất lượng cao, giá thành thấp so với ngoại nhập Trong đó đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo robot hàn tự hành phục vụ cho ngành đóng tàu ở Việt Nam.”Mã số: KC 03.06/06-10; thuộc chương trình Nghiên cứu, phát triển và ứng dụng công nghệ tự động hóa

Cơ quan chủ trì đề tài: Trường Đại Học Bách khoa Hà Nội, chủ nhiệm đề tài: TS Bùi Văn Hạnh, thì có nhiều ưu điểm kể cả mặt lý thuyết củng như ứng dụng Đề tài đã được thực hiện từ tháng 12/2007 đến tháng 12/2009 và nghiệm thu tháng 3/2010 đạt yêu cầu

Nhóm đề tài đã đặt ra mục tiêu và thực hiện việc nghiên cứu tính toán, thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh một hệ thống thiết bị hàn tự động dùng cho ngành đóng tàu, bao gồm robot tự hành, thiết bị tạo quỹ đạo không gian cho robot chuyển động (ray dẫn hướng) để mở rộng quỹ đạo robot có thể thực hiện được các đường hàn là đường cong không gian, phạm vi hoạt động của robot, kết hợp với chức năng lập trình theo quỹ đạo, thiết bị hàn, thiết bị tạo dao dộng zích zắc đầu hàn,được điều khiển lập trình thông qua phần mềm được lập ra và tích hợp trong bộ điều khiển của robot, có các chỉ tiêu và tính năng kỹ thuật tương đương với thiết bị cùng loại của các nước trong khu vực Robot hàn tự động được điều khiển theo chương trình lập sẵn Ở chế độ lập trình người vận hành dắt robot đi hết chiều dài đường hàn(theo hệ thống ray dẫn hướng) bằng các núm di chuyển nằm trong bảng lập trình Tại các điểm dạng quỹ đạo đường

Trang 24

hàn bằng thuật toán nội suy Spine và làm trơn hàm Ở chế độ tự động robot chạy đúng theo quỹ đạo đã tính toán, thiết bị điều khiển trung tâm là một máy tính công nghiệp được cài đặt hệ điều hành Window chúng nhằm giảm thiểu các chức năng không cần thiết Máy tính này có nhiệm vụ tính toán giải các bài toán động học để tìm ra quỹ đạo điều khiển Hệ thống chấp hành gồm các động cơ Servo với ecoder có độ phân giải rất cao được điều khiển bởi máy tính thông qua các card điều khiển Để truyền chuyển động quay thanh chuyển động tịnh tiến sử dụng vít me bi, để tăng mô men dùng các hộp số giảm tốc có độ chính xác cao với khe hở ăn khớp gần như bằng 0 Bảng lập trình dùng để cài đặt các hệ thống số và lập trình dùng một màn hình cảm ứng, có thể kết với máy tính thông qua cổng giao tiếp tiêu chuẩn Các thiết bị tính toán, điều khiển

và chấp hành với các tính năng ưu việt và độ chính xác cao được nhập khẩu Phần mềm tính toán và điều khiển được viết bởi 03 nhóm chuyên gia (chuyên gia về robot,

về tự động hóa điều khiển và chuyên gia công nghệ hàn) của Đại Học Bách Khoa Hà Nội Thiết bị được thiết kế và chế tạo bởi đè tài này kết hợp được những tính năng ưu việt của các sản phẩm kể trên được sản xuất bởi các hàng uy tín trên thế giới đó là hệ thống hàn tự động FWR1000 của ESAB, đó là sử dụng ray dẫn hướng để mở rộng phạm vi hoạt động của robot kết hợp với chức năng lập trình theo quỹ đạo để robot có thể thực hiện được các đường hàn không gian như khi hàn mũi và đuôi tàu khi đó vượt quá vùng biến dạng đàn hồi( khi đó ray không trở về trạng thái thẳng ban đầu) Trong trường hợp này nhờ các chuyển động lên xuống ( khâu 3 của rô bôt) và dịch ngang sang bên trái, bên phải của đầu hàn( khâu 2) so với trục mối hàn mà rô bôt có thể thực hiện được các mối hàn có biến dạng là đường cong không gian Đây là ý tưởng sáng tạo của nhóm tác giả Tuy nhiên trong khuôn khổ đề tài này, nhằm giảm thời gian nghiên cứu và sớm đưa ra sản phẩm ứng dụng vào thực tiễn, nhóm tác giả giới hạn rô bôt chỉ hàn các mối hàn leo khi ghép nối tổng đoạn Đây là các mối hàn khó, với chiều dài đường hàn đến hàng ngàn mét trong các con tàu, do vậy sử dụng rô bôt này sẽ rất hiệu quả

- Tính mới, tính độc đáo, tính sáng tạo

Tính mới của đề tài thể hiện ở nội dung nghiên cứu thiết kế và chế tạo đầu tiên ở Việt Namhệ thống hoàn chỉnh robot hàn tự động sử dụng cho ngành đóng tàu

I.5.2 Yêu cầu rô bôt và các thông số kỹ thuật

Trang 25

Robot tự hành bao gồm: Tay máy, bộ điều khiển, bảng lập trình, nguồn hàn, mỏ hàn,

bộ cấp dây hàn, đồng hồ cấp khí bảo vệ, thiêt bị tạo dao động đầu hàn và hệ thống ray dẫn hướng, có các chỉ tiêu

+ Tay máy: Có khả năng tự hành theo quỹ đạo đường hàn

+ Bộ điều khiển, bảng dạy: Có chức năng lập trình và chức năng vận hành bằng tay

+ Ray dẫn hướng: Độ dài ray 2,5m Số lượng ray 02

+ Nguồn hàn: Có thể thực hiện được các mối hàn leo giáp mối khi đấu ( 3Gu) cho phép nhận được mối hàn chất lượng thỏa mãn theo TCVN 6115- 1: 2005 và TCVN 7472: 2005

+ Thiết bị tạo dao động đầu hàn: Có thể lắc đầu hàn để tăng chiều rộng mối hàn; Tần số lắc từ 0- 60 lần/ phút, biên độ lắc từ 0- 15mm

I.5.3 Các chuyển động điều khiển, các chuyển động củarobot hàn tự động

- Phương án thiết kế tay máy robot

Sơ đồ động học robot hàn tự động:

Trang 26

+ Chuyển động tịnh tiến của rôbốt q1( theo trục mối hàn)

+ Chuyển động dịch ngang đầu hàn q2 ( vuông góc với trục mối hàn);

+ Chuyển động lên xuống đầu hàn q3

+ Chuyển động quay góc nghiêng mỏ hàn q4

12

3

45

6

7

Trang 27

+ Chuyển động lắc đầu hàn

Do quá trình làm việc góc nghiêng mỏ hàn ít thay đổi và mỏ hàn luôn có xu hướng vuông góc với bề mặt vỏ tàu mà điều này điều này đạt được do ray dẫn hướng có khả năng uốn theo độcong của vỏ tàu nên robot hàn tự hành trong đề tài này chưa đề cập đến chuyển động quay góc nghiêng mỏ hàn q4

I.5.4 Thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển

Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu thiết kế, chế tạo, lắp ráp hệ thống điều khiển robot hàn tự hành

Cấu trúc của hệ thống điều khiển robot:

Trang 28

Hình 1.4Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển vị trí các trục

Hệ thống điều khiển robot hàn tự hành bao gồm:

-Bộ phận chính là một máy tính công nghiệp sử dụng hệ điều hành Windows

- Card điều khiển vị trí 4 trục

- Bảng dạy dùng màn hình cảm ứng và các nút ấn

- Hộp vận hành

- Bộ phận chấp hành dùng 4 động cơ servo

I.5.5 Xây dựng phần mềm tính toán và điều khiển robot

Phần này trình bày các kết quả nghiên cứu và xây dựng phần điều khiển chuyển động điều khiển các chế độ hàn cho robot hàn tự hành

Phần mềm gồm các module chương trình sau:

* Module điều khiển vào ra dữ liệu phục vụ lập trình điều khiển robot theo hai cách là:

* Thiết kế giao diện người máy đảm bảo các chức năng giao tiếp thuận tiện với người sử dụng gồm các chức năng chính là:

- Lập trình quỹ đạo chuyển động 4 bậc tự do: X,Y,Z,U

- Lập trình các chế độ hàn

- Chạy điều khiển bằng tay

- Chạy điều khiển tự động

- Lưu cất chương trình dưới dạng File, để sử dụng lặp lại

* Module điều khiển tổng thể robot trên nền Windows

I.5.6 Module vào ra số liệu

Nhiệm vụ của Module vào ra số liệu

- Điều khiển vào ra dữ liệu phục vụ lập trình cho robot theo hai cách là nhập trực tiếp từ màn hình hoặc ghi lại quỹ đạo chuyển động mẫu

- Các điều khiển có thể thực hiện được:

Trang 29

+ Điều khiển dịch chuyển bằng tay các trục X, Y, Z, U

+ Điều khiển ghi lại các điểm trên quỹ đạo chuyển động phục vụ lập trình

+ Điều khiển bằng tay các chế độ hoạt động của máy hàn ( bật/ tắt hồ quang, nhả dây/ thu dây, xả khí )

+ Điều khiển nhập hoặc sửa số liệu điều khiển di chuyển trực tiếp từ màn hình bằng cách sử dụng chuột hoặc nhắp từ màn hình

+ Điều khiển các chế độ hàn, các thông số hồ quang

Hình 1.5Lưu sơ đồ chức năng chương trình:

Trang 30

Panel điều khiển bằng tay

Điều khiển di chuyển

Điều khiển chế

độ hàn

Điều khiển chung

U+ Quay trái theo U

U- Quay phải theo U

Điều khiển từ màn hình

Trang 31

+ Module nhập dữ liệu từ màn hình cảm ứng

Để thuận tiện cho người sử dụng khi lập trình cho robot bằng cách nhập dữ liệu trực tiếp từ màn hình Mỗi khi người sử dụng nhấn chuột vào ô dữ liệu nào đó thì NUM PANEL sẽ hiện ra cho phép đánh số cần nhập sau đó ấn OK Sau khi ấn OK giá trị được chọn trong NUM PANEL sẽ được chuyển vào ô giá trị đang được chọn

I.5.7 Giới thiệu hệ thống chuyển động được ứng dụng

Dựa vào hệ thống robot tự hành, sẽ xây dựng mô hình toán học tổng quát cơ cấu robot tự hàn Cơ cấu robot có tỉ số truyền bộ truyền khá lớn, ảnh hưởng ràng buộc giữa các khớp và tính phi tuyến của hệ thống truyền động nhỏ Trên cơ sở đó, sẽ xây dựng mô hình toán học độc lập cho một khớp robot, khi coi thành phần mô men phi tuyến ràng buộc của hệ thống chuyển động robot là tín hiệu nhiễu tải đối với chuyển động một khớp Hệ thống điều khiển chuyển động một khớp được thiết kế với 3 mạch vòng điều khiển dòng điện, tốc độ động cơ và vị trí đầu hàn Hệ thống điều khiển đơn giản, dễ thực hiện trong thực tế do các bộ điều khiển chuyển động của khớp có thể được thiết kế độc lập, không phụ thuộc vào tham số các khớp lân cận đảm bảo độ chính xác di chuyển của đầu hàn theo yêu cầu công nghệ hàn

I.5.8 Cơ cấu robot tự hành

Robot tự hành với cơ cấu di chuyển bao gồm 4 trục với các chuyển động để hàn các mối hàn leo giáp mối khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thủy như mô tả là cơ cấu robot hàn tự hành

Hình 1.6 Cơ cấu hệ thống điều khiển Servo robot hàn tự hành 4 trục

Trang 32

Robot tự hành với cơ cấu di chuyển bao gồm 4 trục với các chuyển động để hàn các mối hàn leo giáp mối khi ghép nối tổng đoạn vỏ tàu thủy như mô tả hình 1 và hình 2 là cơ cấu robot hàn tự hành

Trục thứ nhất di chuyển đầu hàn theo trục Y, trục thứ 2 di chuyển đầu hàn theo trục X, trục thứ 3 di chuyển đầu hàn theo trục Z có phương vuông góc với thân tàu, thục thứ tư có chức năng lắc đầu hàn ngang đường hàn theo độ rộng cần thiết đường hàn Trong đó 3 chuyển động treo các trục x, y,z được phối hợp để tạo thành quỹ đạo chuyển động của đầu hàn bám theo mép hàn trên thân tàu

Hình 1.7 Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành

Mô tả hệ tọa độ và các thông số của cơ cấu robot Coi khối lượng nối robot tập trung tại các điểm cuối các thanh tương ứng

Mép hàn

Đường ray

Đầu mỏ hàn

Xe robot

Trang 33

Hình 1.8 Cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn

Trên hình 1.9 mô tả cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn Động cơ Đ là động cơ biến tần xoay chiều được cấp điện từ bộ điều khiển biến tần (ĐKBT) sẽ truyền chuyển động cho trục vít TV thông qua bộ truyền lực, cơ cấu khớp robotchuyển động tịnh tiến với tốc độ Vs nhờ

hệ thống trục vít với bước răng so

Hình 1.9 Cơ cấu chuyển động của khớp robot

Trang 34

Trang 35

Trong đó : Hoii – Thành phần chỉ thị chứa các hằng số khớp i

∆ Hii – Thành phần chỉ thị chứa các hằng số khớp I và biến khớp

Khi đó ta có thể viết lại dưới dạng:

Thành phần đầu của mô men khớp (1-23) chỉ phụ thuộc vào tham số hằng số khớp I, thành phần thứ hai biểu thị sự rằng buộc giữa các khớp và sự phi tuyến của robot

Mô men khớp robot quy đổi về trục động cơ ở dạng toán tử laplace có dạng:

M’i(p) = Kgi{ Hoiip2qi(p) + [∆ Hii p2qi(p) + Gi (q)]}

Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động

Mô hình toán học cơ cấu động cơ – robot của khớp được mô tả bằng các phương trình (2-18), (2-20)và (1-24) được trình bày trên hình(1.10) Trên hình (1.10) ta có:

Moi = Moi + Kgi [∆Hii qi + Gi(q) ] – Mô men cản hệ truyền động khớp i

Moi – Mô men tổn hao trong hộp truyền

Kgi = - Hệ số truyền từ trục vit về động cơ

J� i = JDi + Hoii - Mô men quán tính tổng quy về đổi về trục động cơ

Vi – tốc độ của thanh nối robot (mm/s)

– tốc độ quay động cơ

(1-23)

(1-24)

Trang 36

JDi – Mô men quán tính động cơ khớp (Kgm2)

Mô men cản biểu thị sự rằng buộc phi tuyến giữa các khớp Do hộp giảm tốc của các khớp robot hàn có giá trị lớn, nên hệ số truyền kgi nhỏ, có thể coi thành phần moomen biểu thị sự rằng buộc giữa các khớp là thành phần nhiễu của khớp i Nhƣ vậy mô hình robot sẽ gồm 3 hệ thống độc lập nhau Điều đó cho phép dễ dàng tổng hợp hệ thống điều khiển các khớp

Kết luận: Trên cơ sở nắm được yêu cầu tổng quan về máy hàn tự động đặc biệt là những yêu cầu kỹ thuật về chuyển động xe hàn kết hợp với việc tìm hiểu xe hàn trong robot hàn của chương trình KC 03.06-10 , trong bài luận văn này sẽ đề xuất ứng dụng hệ truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 3 pha ( BT ĐC ~ 3 pha ) Rotor ngắn mạch được điều khiển bởi module PID mềm của PLC S7-300 để thiết kế truyền động cho xe hàn của máy hàn tự động

Việc ứng dụng hệ truyền động này cũng là thuận lợi cho việc kiểm nghiệm vì ở phòng thí nghiệm Điện –Điện tử trường đại học KTCN có hệ truyền động này Vì thế chương II

sẽ đề cập việc tính toán khảo sát hệ truyền động BT ĐC ~ 3 pha trong việc ứng dụng cho truyền động xe hàn của máy hàn tự động

Trang 37

CHƯƠNG II KHẢO SÁT & TÍNH TOÁN HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG XE HÀN MÁY HÀN TỰ ĐỘNG

II.1 Xây dựng sơ đồ khối hệ truyền động

Sơ đồ khối hệ thống truyền động biến tần động cơ điện xoay chiều 3 pha được điều khiển

bởi các Module PID mềm của PLC được thiết kế như hình vẽ dưới đây:

Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần động cơ

Trong đó:

- Động cơ điện 3 pha

- Biến tần 3 pha dùng nghịch lưu áp 3 pha

- PID ( S7-300) dùng CPU làm bộ điều khiển

- FT tạo mạch vòng phản hồi âm tốc độ

Động cơ điện xoay chiều ba pha được điều chỉnh tốc độ nhờ thay đổi tần số của điện áp cung cấp cho nó lấy từ biến tần ba pha Điều kiện hệ truyền động này được thực hiện nhờ

bộ điểu khiển PID tương tự của PLC S7-300 Để ổn định tốc độ thì có một mạch vòng phải hồi âm tốc độ dùng máy phát tốc Tín hiệu đặt để điều chỉnh tốc độ động cơ thông thường được lấy ra từ máy tính hoặc một khâu riêng Mạch vòng phản hồi âm dòng điện được cài sẵn tích hợp trong biến tần

II.1.1 Động cơ điện xoay chiều 3 pha

ω

U*

Trang 38

Động cơ này trong sơ đồ được điều chỉnh tốc độ bằng cách thay đổi tần số Từ phương trình momen của động cơ không đồng bộ

Từ đó ta có hai phương pháp điều khiển tốc độ:

Trong đó : =

= k’.ϕ.f tỉ lệ thuận với

- Từ đó ta có 2 phương pháp điều khiển tốc độ :

- Phương pháp thay đổi tần số nhưng giữ nguyên điện áp có dạng đặc tính

Hình 2.2.a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi

-Phương pháp vừa điều chỉnh tần số vừa điều chỉnh điện áp, U/f = const có dạng đặc tính:

Trang 39

Hình 2.2b Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp (U/f = const)

Hiện nay để điều khiển tốc độ động cơ người ta dùng biến tần điều khiển tần số tạo ra khả năng ứng dụng của động cơ này rất lớn Vì vậy, hệ thống biến tần động cơ điện xoay chiều đã và đang được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

II.1.2 Biến tần

Biến tần hay còn gọi là nghịch lưu và thiết bị dùng để biến đổi điện áp hay dòng điện 1 chiều thành điện áp xoay chiều ở tần số khác nhau Biến tần có thể là một pha hay ba pha Hiện tại biến tần có nhiều hãng sản xuất, biến tần có hai khối chủ yếu là: khối động lực và khối điều khiển

II.1.2.1 Khối động lực

Khối động lực của biến tần có thể dùng các linh kiện bán dẫn Thyristor hoặc Tranzitor công suất Biến tần được ứng dụng để điiều chỉnh tốc độ động cơ, thông thường là biến tần nguồn áp, với linh kiện là Tranzitor công suất, sơ đồ mạch động lực như hình vẽ

Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha

Trong sơ đồ này các Tranzitor T1 ÷ T6 làm nhiệm vụ nghịch lưu, diot D1÷D6 làm nhiệm

vụ chỉnh lưu để tăng trả năng lượng của phụ tải cho nguồn(ví dụ khi hãm tải sinh) Với

Trang 40

sơ đồ nghịch lưu trên dựa vào tính chất của điện áp 3 pha xoay chiều, chúng ta khống chế

sẽ nhận được điện áp xoay chiều ba pha trên phụ tải( , ) với tần số khác nhau

II.1.2.2 Các phương pháp điều khiển

Khối điều khiển của biến tần làm nhiệm vụ điều khiển điện áp ra và tần số ra của biến tần, đối với biến tần ba pha có ba phương pháp điều khiển:

- Phương pháp kinh điển

- Phương pháp biến điệu bề rộng xung quanh(Pulse Width Modulation-PWM)

-Phương pháp biến điệu động cơ vectơ không gian(Space Vector Modulation-SVM) Dạng sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phương pháp PWM có dạng như hình vẽ:

Hình 2.4 Biểu đồ sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phương pháp PWM

Với dạng điện áp này ta thấy điện áp ra tức thời là những xung có tần số rất lớn nhưng điện áp ra trung bình có dạng hình sin với tần số ra yêu cầu, và điện áp trung bình này đặt lên động cơ làm động cơ quay với tần số đặt

Kết luận: Thông thường trong máy sản xuất hay dùng điều khiển vector không gian

Nội dung của phương pháp điều khiển vector không gian được trình bày như sau:

II.1.2.2.1 Xây dựng hệ điều khiển vector

II 1.2.2.1.1 Khái niệm về vector không gian

Một hệ thống điện áp, dòng điện ba pha bất kỳ có thể biểu diễn như một vectơ gồm 3 thành phần: u=( , , ) hoặc i =( , ) Cách biểu diễn này không thuận tiện vì mỗi

Định dạng
Số trang	113
Dung lượng	5,41 MB