Thiết kế hệ truyền động cho bàn máy bào giường

Truyền động chính của MBG Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỷ số giữa tốc độ lớnnhất của bàn máy tốc độ lớn nhất trong hành trình ngợc và tốc độ nhỏnhất của bàn máy tốc độ

Đồ án môn học

Tổng hợp hệ điện cơ

(Đề số 5/TC) Tên đề tài:

Thiết kế hệ truyền động cho bàn máy bào giờng.

Số liệu ban đầu:

- Bán kính quy đổi lực cắt về trục động cơ điện ( ρ =V/ ω ] 0,024 [m]

Nội dung tính toán:

- Nêu các yêu cầu về công nghệ và truyền động.

- Chọn phơng án truyền động Tính chọn công suất động cơ và mạch lực.

- Xây dựng cấu trúc điều khiển và tổng hợp hệ

- Thiết kế mạch điều khiển

- Mô phỏng (Simulink).

Ph

ơng án thiết kế:

1 Hệ truyền động động cơ một chiều dùng phơng pháp chỉnh lu.

2 Hệ truyền động động cơ xoay chiều không đồng bộ dùng phơng pháp

điều chỉnh tần số.

Chơng I

Đặc điểm công nghệ cấu tạo truyền động điện

máy bào giờng

I Đặc điểm công nghệ cấu tạo MBG

Nhìn chung, với các xí nghiệp công nghiệp loại trung bình và cácngành công nghiệp thuộc cơ khí và chế tạo, máy bào giờng là 1 thiết bị cóthể gia công phôi với các hình dáng khác nhau nh hình vuông, hình chữnhật, đa giác gần đúng so với yêu cầu của chi tiết cho các máy công cụkhác nh: máy tiện, phay, khoan, mài,

Ngoài ra, máy bào giờng có thể gia công các chi tiết lớn vừa và nhỏnh: mặt bích, hình khối dạng bậc độ nhẵn bề mặt và độ chính xác cao

Vì vậy, máy bào giờng là 1 thiết bị thuộc máy công cụ có thể đẩymạnh sản xuất trong công nghiệp Máy bào giờng có chiều dài từ 1,5 ữ12m Tuỳ thuộc vào chiều của bàn máy và lực kéo có thể phân máy bào gi-ờng thành 3 loại:

Hình 1 Cấu tạo máy bào giờng

1 Chi tiết gia công

2 Bàn máy

3 Dao cắt

4 Bàn dao đứng

5 Xà ngang+ Máy cỡ nhỏ:

Lb≤ 3m, FK = 30 ữ 50 kN+ Máy cỡ trung bình:

Lb = 4 ữ 5m; FK = 50 ữ 70 kN+ Máy cỡ nặng:

Lb ≥ 5m; FK > 70 kN

* Quá trình làm việc nguyên lý

Chi tiết gia công 1 đợc kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiếnqua lại Dao cắt 3 đợc kẹp chặt trên bàn dao đứng 4 Bàn dao đứng 4 đợc đặttrên xà ngang 5 cố định khi gia công Trong quá trình làm việc, bàn máy dichuyển theo chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm 2 hành trình: thuận vàngợc

ở hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành trìnhcắt gọt.

ở hành trình ngợc, bàn máy chạy về vị trí ban đầu không cắt gọt nêngọi là hành trình không tải

Sau khi kết thúc hành trình ngợc thì bàn dao lại di chuyển theo chiềungang một khoảng gọi là lợng ăn dao s (mm/hành trình kép) Chuyển độngtịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính Dịch chuyển củabàn dao sau mỗi hành trình kép gọi là chuyển động ăn dao Các CĐP là dichuyển nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong quá trình không tải

* Đồ thị tốc độ của bàn máy – CĐC máy bào giờng (h2-4)

Tính cho 1 chu kỳ, thời điểm ban đầu đầu hành trình thuận bàn máytăng tốc độ V01 = 5 ữ 15m/ph trong 1 khoảng thời gian là t1 (tốc độ vàodao) Sau khi chạy ổn định với tốc độ V01 trong khoảng thời gian t2 thì daocắt vào chi tiết (thời gian có tải hay còn là thời gian vào dao – dao cắt vàochi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt dao hoặc chi tiết) Hết khoảng thời gian t2bàn máy tăng tốc độ đến Vth (tốc độ cắt gọt) = Vz ∈ ωĐC = 20 ữ 75 m/ph.Trong khoảng thời gian t4 bàn máy chuyển động với tốc độ Vth và thực hiệngia công chi tiết

Gần hết hành trình thuận, bàn máy từ từ giảm tốc độ đếnV02 daochuẩn bị ra khỏi chi tiết chuẩn bị cho hành trình ngợc Khi bàn máy đảochiều sang hành trình ngợc đến tốc độ Vng, thực hiện quá trình không tải, đabàn máy trở về vị trí ban đầu Hết hành trình ngợc (V03) khoảng thời gian t10

đảo chiều sang hành trình ngợc Khi bàn máy đảo chiều sang hành trình

ng-ợc đến tốc độ Vng, thực hiện quá trình không tải, đa bàn máy trở về vị tríban đầu Hết hành trình ngợc (V03) khoảng thời gian t10 đảo chiều sang hànhtrình thuận, thực hiện 1 chu kỳ khác

+ Vth = 5 ữ (75 ữ 120) m/ph+ Vzmax = 75 ữ 120 m/ph+ Vng = kVth với k = 2 ữ 3 – tăng năng suất của máy =>

Vng>Vth

ng th

CK t t

1T

1n

+

=

=

+ n: năng suất của máy

+ TCK: thời gian của 1 chu kỳ làm việc của bàn máy (s)

+ tth: thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình thuận (s)

+ tng: thời gian bàn máy chuyển động ở hành trình ngợc (s)

* Tính toán phụ tải truyền động chính của máy bào giờng.

Công thức: FK = FZ + Fms

+ FK: lực kéo tổng (N)+ FZ: lực cắt (N)+ Fms: thành phần lực ma sát (N)

II Hệ truyền động của MBG

1 Truyền động chính của MBG

Phạm vi điều chỉnh tốc độ truyền động chính là tỷ số giữa tốc độ lớnnhất của bàn máy (tốc độ lớn nhất trong hành trình ngợc) và tốc độ nhỏnhất của bàn máy (tốc độ nhỏ nhất trong hành trình thuận)

max th

max ng min

max

V

VV

+ Vùng (1) thay đổi điện áp phần ứng trong phạm vi từ (5 ữ 6)/1 vớimômen trên trục động cơ là hằng số ứng với Vb tăng từ Vmin = (4 ữ 6) m/ph

=> FK = PK = const

ở vùng (2) thông thờng điều chỉnh tốc độ bằng phơng pháp điềuchỉnh từ thông nhng sử dụng phơng pháp này thì giảm năng suất của máy,vì thời gian qtqđ tăng do hằng số thời gian mạch kích từ động cơ lớn Vìvậy ngời ta mở rộng phạm vi điều chỉnh tốc độ đảo trong cả dải bằng thay

đổi điện áp phần ngs (U)

ở chế độ xác lập, độ ổn định tốc độ ≤ 5% khi phụ tải tăng từ 0 ữ định mức

Quá trình quá độ khởi động, hãm yêu cầu phải êm, tránh va đập trong

bộ truyền với độ tác động cực đại

Thông thờng hệ TĐC của MBG nh sau:

Phạm vi điều chỉnh lợng ăn dao:

D = (100 ữ 200)/1Lợng ADmax = (80 ữ 100) mm/hành trình kép

Cơ cấu AD làm việc với tần số lớn, có thể đạt 100- lần/giờ

TĐAD đợc thực hiện bằng ĐK roto lồng sóc và hộp tốc độ Dichuyển đầu dao nhanh thực hiện theo 2 chiều ở cả chế độ di chuyển làmviệc và di chuyển nhanh

Thông thờng TĐAD sử dụng hệ thống điện – cơ:

Hệ thống điện (HTĐ) trục vít - ecu

S = ωtv t T+ Hệ thống điện (HTĐ) bánh răng - thanh răng:

S = ωtr Z t TVới: S: lợng ăn dao (mm/hành trình kép)

+ ωtv, ωbr: tốc độ góc trục vít, bánh răng (1/s)

+ Z: số bớc răng của bánh răng

+ t: bớc răng của trục vít hoặc thanh răng (mm)

+ T: thời gian làm việc của trục vít hoặc thanh răng (s)

Với máy trung bình TĐAD sử dụng bộ phận chính là hệ thống đĩa sốrăng trên các đĩa khác nhau Số đĩa sẽ là số cấp ăn dao ứng với 1 tốc độ củatrục làm việc Số đĩa là 7 hoặc 8 đĩa

7 đĩa + hộp tốc độ 3 cấp => S = 0,5 ữ 50 mm/htr kép

8 đĩa + hộp tốc độ 3 cấp => S = 0,5 ữ 100 mm/htr képVới ϕ = 1,26

Số răng trên đĩa xác định lợng ăn dao Mỗi đĩa sẽ ứng với 1 lợng ăndao.

Phần ứng rơle R sẽ di chuyển tựa trên các đĩa, khi gặp răng trên đĩarơle R nhả, tác động đến mạch điều khiển và cắt điện động cơ TĐĂD

Truyền động phụ đảm bảo di chuyển nhanh bàn dao, xà máy, nâng

đầu dao trong hành trình ngợc, đợc thực hiện bởi ĐK và NCĐ

Chơng II Tính chọn công suất động cơ - phơng án TĐĐ máy

bào giờng.

I Tính chọn công suất động cơ:

Trong hệ truyền động điện (TĐĐ) bao giờ cũng có quá trình biến đổinăng lợng điện – cơ Chính quá trình biến đổi này quyết định trạng tháilàm việc của TĐĐ Mong muốn lớn nhất trong hệ TĐĐ là tốc độ làm việccủa TĐĐ do công nghệ yêu cầu đạt đợc tốc độ nh mong muốn Tuy nhiên,trong quá trình làm việc tốc độ của động cơ thờng tăng do sự biến thiên củatải, của nguồn và do đó gây sự sai lệch tốc độ thực so với tốc độ đặt Do đó,việc lựa chọn công suất động cơ phù hợp với yêu cầu công nghệ cho hệTĐĐ của máy công cụ là một mục tiêu để đảm bảo duy trì sự làm việc lâudài, ổn định, chất lợng, kinh tế … cho thiết bị và chi tiết cần gia công

Đối với MBG nh ở chơng I đã trình bày ta tóm tắt lại các chuyển

động bao gồm nh sau:

* CĐC: là sự di chuyển qua lại của bàn máy mang chi tiết gia công

gồm nhiều chu kỳ, mỗi chu kỳ có 2 hành trình:

+ Hành trình thuận: hành trình cắt gọt (có tải)

+ Hành trình ngợc: hành trình đa bàn máy về vị trí ban đầu (khôngtải)

* CĐP : di chuyển nhanh bàn dao, bơm dầu bôi trơn, lên xuống xà…

TĐ phụ không liên quan trực tiếp đến quá trình cắt gọt, tốc độ ổn định(M,ω = const) Ta chọn động cơ rôto lồng sóc (Pđm = 0,25 ữ 1,7 (kW); Uđm =

220v/380v)

* CĐAD: là chuyển động tịnh tiến của bàn dao có tính chất chu kỳ,

thực hiện trong thời gian ngắn tính từ thời điểm ban đầu đảo chiều từ hànhtrình ngợc đến hành trình thuận và kết thúc trớc khi dao ăn vào chi tiết

1 Chọn P Đ truyền động chính (TDC) của MBG

Đặc điểm TĐC của máy bào giờng là đảo chiều với tần số lớn, Mkđ,

Mhãm lớn Quá trình quá độ chiếm tỷ lệ đáng kể trong chu kỳ làm việc.Chiều dài hành trình bàn càng giảm, ảnh hởng của qtqđ càng tăng Vì vậykhi chọn PĐ TĐC – MBG cần xét cả phụ tải tĩnh lẫn phụ tải động

a) Số liệu ban đầu:

+ Gb, Gct: trọng lợng bàn, chi tiết (kg)

+ Fy = 0,4 FZ : thành phần lực cắt thẳng đứng (N)

=> FK = 30.103 + (1000 + 1000 + 0,4.30.103).0,081

= 31,134 (kN)Công suất động cơ trong hành trình thuận:

4,2281

,0.10.60

10.35.134,31

1000.60

V.F

3 th

Vth

+ MBG luôn làm việc ở chế độ non tải vì lý do công nghệ do đó tachọn PĐ nh sau:

81,0

8,44

Ptt

=

=η

220

6,5n

.P.I

UK

dm dm

dm

076,0

0013,0L

I75,025,1

220I

.K

RK

25,1157

075,0.306220

RIUK

dm

dm dm

dm

+ T chuẩn = T + Tv0 = 0,035 + 0,016 = 0,05 (s)

Các thông số tính toán gần đúng theo công thức:

II Chọn phơng án truyền động điện:

1 Khái niệm chung:

Về phơng diện điều chỉnh tốc độ, động cơ điện một chiều có nhiều uviệt so với các loại động cơ khác, không những có có khả năng điều chỉnhtốc độ dễ dàng mà cấu trúc mạch lực, mạch điều khiển đơn giản hơn đồngthời lại đạt chất lợng điều chỉnh cao trong dải điều chỉnh tốc độ rộng

Thực tế có 2 phơng pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điệnmột chiều:

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

+ Điều chỉnh điện áp cấp cho mạch kích từ động cơ

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điệnmột chiều bao giờ cũng cần có bộ biến đổi (BBĐ) Các BBĐ này cấp chomạch phần ứng động cơ hoặc mạch kích từ động cơ

Trong công nghiệp sử dụng 4 loại bộ BBĐ chính:

+ BBĐ máy điện gồm: động cơ sơ cấp kéo máy phát một chiều hoặcmáy điện khuếch đại (KĐM)

+ BBĐ điện từ: khuếch đại từ (KĐT)

+ BBĐ chỉnh lu bán dẫn: chỉnh lu Tiristor (CLT)

+ BBĐ xung áp một chiều: Tiristor hoặc Tranzistor (BBĐXA)

Tơng ứng với việc sử dụng các BBĐ mà ta có các hệ truyền động nh:+ Hệ truyền động máy phát - động cơ (MF - Đ)

+ Hệ truyền động máy điện khuếch đại động cơ (MĐKĐ - Đ)

+ Hệ truyền động chỉnh lu Tiristor - động cơ (T-Đ)

+ Hệ truyền động xung áp - động cơ (XA-Đ)

Ngoài ra các hệ TĐ điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều đợc phânloại theo truyền động có đảo chiều quay và không đảo chiều quay Đồngthời tuỳ thuộc vào các phơng pháp hãm, đảo chiều mà ta có truyền độnglàm việc ở 1 góc phần t, hai góc phần t, bốn góc phần t

Mđ

Mc Mđ

ω Mđ

Mc

Mđ

2 Đặc tính cơ của động cơ điện một chiều

Là quan hệ giữa tốc độ và mômen của động cơ

Trong suốt quá trình điều chỉnh điện áp phần ứng thì Φ kích từ đợcgiữ nguyên, do đó Mtải cho phép của hệ sẽ là:

Hệ F-Đ có khả năng chịu quá tải lớn, trạng thái làm việc linh hoạt.Nhng có nhợc điểm là dùng nhiều máy điện quay, trong đó có ít nhất là 2máy điện một chiều, gây ồn lớn, công suất lắp đặt cao, nhợc điểm lớn nhất

là máy phát điện một chiều do có từ d, đặc tính từ hoá trễ nên khó điềuchỉnh sâu tốc độ

b) Truyền động Tiristor - động cơ 1 chiều (T-Đ)

Do chỉnh lu Tiristor dẫn dòng theo 1 chiều và chỉ điều khiển đợc khi

mở, còn khoá theo điện áp lới cho nên thực hiện đảo chiều phức tạp hơn F

-Đ Nhng cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển của hệ T-Đ có đảo chiều lại

an toàn cao và có logic điều khiển chặt chẽ, có 5 loại sơ đồ chỉnh lu đợc dựatheo 2 nguyên tắc

+ Giữ nguyên chiều IƯĐ và đảo chiều IKTĐ

+ Giữ nguyên chiều IKTĐ và đảo chiều IƯĐ

* Ph ơng án I: Truyền động dùng BBĐ cấp cho phần ứng và đảo

chiều quay bằng đảo chiều IKTĐ Kiểu phơng án này dùng cho hệ truyền

động công suất lớn rất ít đảo chiều

C KĐ

* Ph ơng án II: Truyền động dùng BBĐ cấp cho phần ứng và đảo

chiều quay bằng công tắc tơ chuyển mạch ở phần ứng (giữ I= const) Phơng

án này thờng dùng cho công suất nhỏ, tần số đảo chiều thấp

~

Đ

C KĐ

* Ph ơng án IV

Phơng án này sẽ đợc sử dụng cho hệ truyền động mà đề tài đã yêucầu Hệ truyền động dùng 2 BBĐ cấp cho phần ứng điều khiển riêng Đợcdùng cho mọi giải công suất và có tần số đảo chiều lớn

Sơ đồ các tín hiệu điều khiển

t t

t

t t

b) Nguyên lý truyền động T-Đ đảo chiều điều khiển riêng:

Khi điều khiển riêng hai bộ biến đổi làm việc riêng rẽ nhau, tại mộtthời điểm chỉ phát xung vào 1 BBĐ còn bộ kia bị khoá do không có xung

điều khiển Hệ có 2 BBĐ: BBĐ1 và BBĐ2 với các mạch phát xung điềukhiển tơng ứng là FX1 và FX2, trật tự hoạt động của các bộ phát xung phụthuộc vào b1 và b2 (là các tín hiệu logic) Quá trình hãm và đảo chiều đợcmô tả nh sau:

Trong khoảng thời gian từ 0 ữ t1, BBĐ1 làm việc ở chế độ chỉnh lu vớigóc α1 < π/2; BBĐ2 khoá Tại t1 phát lệnh đảo chiều bởi iLđ, góc điều khiển

α1 tăng đột biến > π/2, dòng phần ứng giảm dần về 0, lúc này cắt xung điềukhiển để khoá BBĐ1 Thời điểm t2 đợc xác định bởi cảm biến dòng điện SI1.Trong khoảng thời gian trễ τ = t3 – t2, BBĐ1 bị khoá hoàn toàn, dòng điệnphần ứng bị triệt tiêu Tại t3, sđđ động cơ vẫn còn dơng, tín hiệu logic b2kích cho FX2 phát xung mở BBĐ2 với góc α2 > π/2 và sao cho dòng điệnphần ứng không vợt giá trị cho phép, động cơ đợc hãm tái sinh Nếu nhịp

điệu giảm α2 phù hợp với quán tính của hệ thì có thể duy trì dòng điện hãm

và dòng điện khởi động ngợc không đổi, điều này đợc thực hiện bởi cácmạch vòng điều chỉnh tự động dòng điện của hệ thống

Trên sơ đồ của khối logic thì iLđ, iL1, iL2 là các tín hiệu logic đầu vào,

b1 và b2 là các tín hiệu logic đầu ra để khoá các bộ phát xung điều khiển

iLđ = 1, phát xung điều khiển mở BBĐ1

iLđ = 0, phát xung điều khiển mở BBĐ2

i1L (i2L ) = 1; có dòng điện chảy qua BBĐ1 (BBĐ2)

b1 (b2) = 1; khoá bộ phát xung FX1 (FX2)Khoảng thời gian trễ đợc đảm bảo bởi các mạch xung có độ rộngkhông đổi τ

Mạch điều khiển nhờ bộ logic (có đảo chiều) có dạng:

B1 = iLd i.1L + i2L; b2 = iLd i + i1L 1LSơ đồ mạch logic

b 2

b 1

* Thiết kế BBĐCL Thyristor:

- Yêu cầu đối với bộ chỉnh lu:

Nguồn điện lới V: 3 x 380V, 50Hz

Bộ chỉnh lu cầu 3 pha có điều khiển - đảo chiều

Điện áp chỉnh lu: Ud = 220 (V)

Dòng chỉnh lu: Id = 306 (A)

Dòng hiệu dụng cầu 3 pha: Ihd = Id/ 3 = 306/ 3 = 176,7 (A)

Phía sơ cấp đấu ∆, phía thứ cấp đấu Y (∆/Y)

Tăng số vòng dây 3 , giảm thiết diện dây 3 lần

- Tính chọn máy biến áp( MBA): máy biến áp nguồn dùng để tạo điện

áp U2 phù hợp với điện áp động cơ và cách ly phần mạch lực BBĐ với lới

điện

Điện áp sụt trên thyzistor nối tiếp = 2V

Giá trị hiệu dụng điện áp thứ cấp nối ∆/Y

1273

3.23

)234,1.220.(

14,33

U.23

Uk

2

=Dòng thứ cấp MBA:

3,353I

Id1 = P/ 3 U1 = 134,6/ 3 380 = 208,4 (A)+ Chọn van Thyzistor trong BBĐ:

Giá trị dòng:

1,2524

,1

3,3532

/3

84I

)A(843

1,

312

= 535 (V)(Với K1 = K2 = 1,2 là hệ số dự trữ của van)

Chọn Thyzistor do hãng G.E của Mỹ chế tạo: C392

Uim = 600 (V) di/dt = 800 A/ms

Itb = 550 (A); fđm = 50 Hz du/dt = 200 V/ms

toff = 10 às Uđiều khiển chuẩn = 6V

tx = 200 às Iđiều khiển chuẩn = 1A

α = 6405’

Ki = 1,2 Ku = 1,2Chế độ làm mát = quạt gió

Bảo vệ dòng điện cho van :

ra suất điện động cảm ứng rất lớn trong các điện cảm làm cho quá trình

T

®iÖn ¸p gi÷a Anod vµ Catod cña tiristor khi cã m¹ch R-C m¾c song song víitiristor, t¹o ra m¹ch vßng phãng ®iÖn tÝch trong qu¸ tr×nh chuyÓn m¹ch nªn tiristor kh«ng bÞ qu¸ ®iÖn ¸p.

Chơn g III Xây dựng cấu trúc điều khiển và tổng hợp hệ

I Xây dựng cấu trúc điều khiển

1 Cấu trúc chung:

Với mục tiêu cơ bản của hệ điều chỉnh tự động truyền động điện làphải đảm boả giá trị yêu cầu của các đại lợng điều chỉnh mà không phụthuộc vào tác động nhiễu loạn lên hệ điều chỉnh

THĐ

R

ĐL BBĐ

NL

+ M: động cơ truyền động+ Mx: máy sản xuất

+ BBĐ: thiết bị biến đổi năng lợng+ ĐL: thiết bị đo lờng

+ R: bộ điều chỉnh+ THĐ: tín hiệu đặt cho hệ thống + NL: tín hiệu nhiễu loạn

2 Sơ đồ cấu trúc

Đối với hệ TĐĐ 1 chiều cấu trúc cơ bản có dạng điều khiển nối tiếpgồm 2 mạch vòng điều chỉnh: mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ:

+ Mạch vòng tốc độ có chức năng nâng cao độ ổn định tốc độ độngcơ

+ Mạch vòng dòng điện có chức năng điều chỉnh dòng, điều chỉnh giatốc, bảo vệ động cơ khỏi quá dòng

* Cấu trúc cơ bản của hệ TĐĐ 1 chiều: