Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC

Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI Hình 4.21 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1s với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP

TRẦN MẠNH TIẾN

ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA CHÍNH XÁC ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG CƠ TUYẾN

TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

CHUYÊN NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

Thái Nguyên - 2015

MỤC LỤC Trang

Mục lục……….……….i

Lời cam đoan:……… ………… … …iv

Lời cảm ơn:……….…… … v

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

Mục lục hình vẽ ………….……….….ix

MỞ ĐẦU……… 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁYCNC……… 41.

1 CẤU TẠO……… ….4

1.1.1 Phân loại……… ……… ………….4

1.1.2 Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐBKTV… 4

1.2 Nguyên lý làm việc……… 5

1.2.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng…… ,……… 7

1.2.2 Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ……….… 8

1.3 Phạm vi ứng dụng của ðộng cõ tuyến tính với các máy công cụCNC… 9

1.3.1 Máy tiện……… ……… …9

1.3.2 Máy phay ……….……… ……… 11

1.3.4 Máy mài……… ……….………… 16

1.4 Kết luận……… 22

CHƯƠNG 2 MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC……… 23

2.1 So sánh giữa động cơ đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐB-KTVC) và động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCTĐB-KTVC) ………… 23

2.1.2 Nguyên lý làm việc……….… 23

2.1.3 Hệ tọa độ biểu diễn đại lượng vật lý ĐCĐB- KTVC……… 24

2.2 Mô hình toán học đối tượng MĐĐB-KTVC………25

2.2.1 Biểu diễn vector không gian các đại lượng 3 pha……… …… 25

2.2.2 Mô hình trạng thái liên tục của MĐĐB-KTVC………30

2.2.3 Mô hình toán học động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu (ĐCCT-ĐBKTVC)……….…33

2.2.4 Mô hình ĐCTT loại ĐB - KTVC có xét đến hiệu ứng đầu cuối… 34

2.4 Kết luận chương 2………36

CHƯƠNG 3 ỨNG DỤNG PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN TUYẾN TÍNH HÓA CHÍNH XÁC THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ CHO ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH……… …38

3.1 Cấu trúc điều khiển theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác (phương pháp phi tuyến)……….… 38

3.2 Cấu trúc điều khiển phản hồi trạng thái theo phương pháp tuyến tính hóa chính xác……….… 39

3.3 Tổng hợp các bộ điều khiển PI (Mạch vòng dòng điện, mạch vòng vận tốc)……… ……44

3.3.1.Tổng hợp mạch vòng ĐC vector dòng điện……… … 44

3.3.2 Tổng hợp vòng ĐC vận tốc ……….…45

3.4 Kết luận chương 3……….…….….… 47

CHƯƠNG 4 KẾT QUẢ MÔ PHỎNG, THỰC NGHIỆM VÀ KÊT LUẬN……… … 48

4.1 Sơ đồ và tham số mô phỏng……….……… ………… ….48

4.1.1.Sơ đồ mô phỏng với bộ điều khiển TTHCX.……….…… 48

4.2 Kết quả mô phỏng…….……….….49

4.2.1 Kết quả mô phỏng với bộ điều khiển TTHCX và PI thường.………… 49

4.2.2 Nhận xét kết quả mô phỏng……… 57

4.3 Hệ thống thí nghiệm và kết quả……….…….58

4.3.1.Thiết bị thí nghiệm……… … 58

4.3.2 Cấu trúc hệ thống điều khiển trong sơ đồ thí nghiệm………….…… 60

4.3.3 Kết quả thí nghiệm……….……… 66

4.4 Kết luận chương 4……… ….71

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……… ……….…….72

TÀI LIỆU THAM KHẢO……… ……….…73

LỜI CAM ĐOAN

Tên tôi là: Trần Mạnh Tiến

Sinh ngày: 28 tháng 08 năm 1981

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

Hiện đang côn tác tại: Trường Cao Đẳng Công Nghệ Và Kinh Tế Công Nghiệp 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 Mạnh Tiến

đã giúp đỡ và tạo điều kiện để tác giả hoàn thành thí nghiệm trong điều kiện tốt nhất

Mặc dù đã rất cố gắng, song do trình độ và kinh nghiệm còn hạn chế nên có thể luận văn còn những thiếu sót Tác giả rất mong nhận được những ý kiến đóng góp từ các thầy cô giáo và các bạn đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện và có ý nghĩa hơn trong thực tế

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

Ký hiệu Đơn vị Ý nghĩa

Lsd, Lsq H Điện cảm dọc trục và ngang trục của stato

m Kg Khối lượng của bộ phận sơ cấp (stator)

us ,is V, A Vector điện áp, dòng stator

Ω e, Ω m Rad/s Vận tốc góc điện, cơ

xp ,x mm Vị trí đỉnh cực, vị trí tương đối giữa phần

sơ cấp và thứ cấp của động cơ tuyến tính

Jm, Jl, Js, Jp Kgm2 Mômen quán tính của động cơ, tải, trục

truyền chuyển động, trục vít vô tận

T fc Rad/s2 Hệ số ma sát Coulomb

B m ,Bl 1/s Hệ số ma sát nhớt của động cơ, tải

T trans(θ) Nm Mômen truyền từ động cơ đến tải

Tfcm,T fcl,T fcp Nm Mômen ma sát tại vị trí động cơ, tải, trục

vít vô tận

Tpos(θ m),T pos(θ l) Nm Thành phầnmômen bất định gây ra đối

với động cơ, tải

Fpos (x) N Nhiễu lực đẩy tác động lên động cơ

Ф g Wb Từ thông khe hở không khí

Fabc(x,t) A.vòng Sức từ động của mỗi pha (phụ thuộc vị

trí và thời gian)

F(xt) A.vòng Sức từ động tổng được tạo bởi thành

phần sơ cấp trong máy điện

kωlν Hệ số dây quấn của sóng hài bậc ν

l* m Chiều dài của p bước cực

l/3 m Khoảng cách giữa trục dây quấn của 2

pha khác nhau

Lsa ,Фsa , H, Wb, Điện cảm tự cảm, từ thông móc vòng qua

ψsa ,Bsa Tesla 1 vòng dây, từ thông móc vòng qua 1

pha, mật độ từ thông do dòng điện chảy

qua pha a sinh ra

B,Bp Wb/m2 Mật độ từ thông nói chung, mật độ từ

(Tesla) thông do thành phần nam châm vĩnh cửu

của bộ phận thứ cấp trong ĐCTT sinh ra

Bsm , Bpm Wb/m2 Mật độ từ thông tại vị trí đạt giá trị lớn

SVM Điều chế vectơ không gian

MIMO Multiinput – multioutput

ĐCTT Động cơ tuyến tính

T4R Tựa từ thông rotor

MỤC LỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Từ trường là nam châm vĩnh cửu xếp liên tiếp nhau

Hình 1.2 Mạch từ gồm 36 rãnh

Hình 1.3 Dây quấn động cơ

Hình 1.4 Chiều chuyển động của từ trường và của phần động

Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC

Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn

Hình 1.7 Vận tốc tối ýu cho ðộng cõ

Hình 1.8 Máy tiện TAKISAWA TNR200-CNC

Hình 1.9 Máy phay CNC

Hình 1.10 Máy bào giường

Hình 1.11 Nguyên lý máy bào giường

Hình 1.12 Đồ thị tốc độ cho một chu kỳ

Hình 1.13 Máy mài tròn ngoài

Hình 1.14 Máy mài tròn trong

Hình 1.15 Máy mài phẳng

Hình 1.16 Máy bào phẳng CNC

Hình 2.1 Xây dựng vector không gian dòng stator từ các đại lượng pha

Hình 2.2 Biểu diễn dòng điện stator dưới dạng vector không gian trên hệ tọa độ 

Hình 2.3 Vector dòng stator trên 3 hệ tọa độ αβ, ab và dq

Hình 2.4 Chuyển hệ tọa độ cho vector không gian bất kỳ V

Hình 2.5 Mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối đối với ĐCTT loại KĐB

Hình 2.6 (a Cấu trúc ĐCTT loại ĐB - KTVC, b Mạch từ tương đương mô tả ảnh hưởng của hiệu ứng đầu cuối)

Bảng 2.1 So sánh phần chuyển động và cố định của động cơ (ĐB-KTVC) và (ĐCCT ĐB-KTVC)

Bảng 2.2 So sánh nguyên lý làm việc của động cơ (ĐB-KTVC) và (ĐCCT ĐB-KTVC) Bảng 2.3 Bảng mô tả quan hệ tương đương của các đại lượng vật lý trong 2 loại động cơ ĐB - KTVC quay và tuyến tính

Hình 3.1 Cấu trúc điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC 3 pha sử dụng TTHCX

Hình 3.2 Cấu trúc bộ điều khiển tuyến tính hoá chính xác

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc vòng ĐC dòng điện

Hình 3.4 Sơ đồ hai vòng ĐC thay thế tương

Hình 4.13 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.14 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.15 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.16 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.17 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI Hình 4.18 Vận tốc đặt

Hình 4.9 Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc

là PI

Hình 4.20 Dòng điện pha với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI Hình 4.21 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.22 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến 0,1(s) với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.23 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến2,2(s) với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.24 Vận tốc thực và vận tốc đặt trong khoảng thời gian từ 0 đến2,2(s) với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.25 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.26 Lực điện từ thực và lực điện từ đặt với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.27 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.28 Điện áp một chiều trung gian với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.29 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.30 Điện áp dây đặt vào động cơ với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.31 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng là TTHCX và bộ điều khiển vận tốc là PI

Hình 4.32 Dòng lưới pha A với bộ điều khiển dòng và bộ điều khiển vận tốc là PI Hình 4.33 Hình ảnh tổng thể về thí nghiệm

Hình 4.40Hệ thống xác định vị trí ban đầu của động cơ

Hình 4.41 Hệ rơ le đầu ra của hệ vi điều khiển kết nối với PLC

Hình 4.42 Sơ đồ mạch điện của hệ thống thí nghiệm

Hình 4.43 Sơ đồ nguyên lý cấu trúc hệ thống điều khiển trong hệ thống thí nghiệm Hình 4.44 Sơ đồ chi tiết của biến tần nguồn áp có dòng điều khiển được

Hình 4.45 Nguyên lý điều khiển Hystereris một pha

Hình 4.46 Sơ đồ điều khiển Hystereris dòng một pha, i R là dòng điện đặt

Hình 4.47 Sơ đồ chức năng điều khiển trễ Hystereris dòng 3 pha

Hình 4.48 Bộ so sánh của sơ đồ điều khiển trễ Hystereris

Hình 4.49 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1hZ

Hình 4.50 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt ở 1hZ

Hình 4.51 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt giảm từ 2hZ xuống 1Hz

Hình 4.52 Dòng điện vào biến tần khi tần số đặt từ 2Hz giảm về 0Hz

Hình 4.53 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1 Hz

Hình 4.54 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt ở 1Hz

Hình 4.55 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ 1Hz tăng lên 2 Hz

Hình 4.56 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ 2Hz giảm xuống 1Hz

Hình 4.57 Dòng điện dây vào động cơ khi tần số đặt từ xuống 1Hz về 0

Hình 4.58 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 0 đến 1 Hz

Hình 4.60 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt tăng từ 1Hz đến 2 Hz Hình 4.61 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt giảm từ 2 Hz đến 1 Hz Hình 4.62 Điện áp đặt vào động cơ khi tần số đặt giảm từ 1 Hz về 0

MỞ ĐẦU

Trong thực tế sản xuất hiện nay, chuyển động thẳng là dạng chuyển động phổ biến, xuất hiện nhiều, đặc biệt trong lĩnh vực cơ khí Xuất phát từ công nghiệp chế tạo máy với những dịch chuyển của bàn gá, mũi khoan, trong các máy gia công cho đến sự ra đời của máy CNC đã dẫn đến nhu cầu đòi hỏi tạo ra chuyển động thẳng có chất lượng cao Ngoài ra những chuyển động thẳng này còn tồn tại nhiều trong các thiết bị khác như Robot công nghiệp hay máy móc phục vụ ngành công nghiệp bán dẫn,… và nó còn xuất hiện ở cả những lĩnh vực tưởng chừng xa lạ như ngành giao thông vận tải với tàu đệm

từ trường ở các nước phát triển (Đức, Nhật, )

Cho đến nay việc tạo ra các chuyển động thẳng hầu hết được thực hiện một cách gián tiếp thông qua các động cơ quay tròn với những ưu thế như bền vững, không nhạy với nhiễu, độ tin cậy cao, Tuy nhiên đối với những hệ thống này do phải bổ sung các cơ cấu chuyển đổi trung gian như hộp số, trục vít, nên dẫn đến sự phức tạp về kết cấu cơ khí, tiềm ẩn bên trong nó những dao động riêng, tổn hao năng lượng cũng như ảnh hưởng đến chất lượng chuyển động của hệ thống Việc sử dụng loại động cơ có khả năng tạo chuyển động thẳng trực tiếp (động cơ tuyến tính) cho phép loại bỏ những nhược điểm nói trên và những nghiên cứu về loại động cơ này hy vọng sẽ phần nào khắc phục được những đặc điểm đó

Luận văn có nhiệm vụ đặt ra “Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác để điều khiển động cơ tuyến tính trong các máy CNC” với mục tiêu Thiết kế bộ điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính ứng

dụng trong các máy CNC

Điều khiển động cơ tuyến tính đóng vai trò là một thiết bị chấp hành được

sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp (đảm bảo chiếm ưu thế so với

hệ chuyển động thẳng gián tiếp) đạt được đáp ứng tốt về các mặt động học,

Luận văn còn có nhiệm vụ cho thấy khả năng vận dụng loại động cơ này trong công nghiệp Đây là công việc khó khăn bởi đó là loại động cơ không được sử dụng phổ biến trong nền công nghiệp nước ta Trên thế giới, mặc dù ĐCTT đã có từ rất lâu (năm 1895) nhưng phương án sử dụng nó trong hệ thống chuyển động thẳng chỉ được quan tâm khi xuất hiện những phương pháp điều khiển phi tuyến mới cùng với sự phát triển của kỹ thuật vi xử lý, điện tử tạo điều kiện thuận lợi trong việc điều khiển loại động cơ này Thực tế sản xuất ở các nước phát triển đã cho thấy xu thế ĐCTT dần dần đóng vai trò quan trọng trong các máy công cụ đòi hỏi điều khiển nhiều chuyển động thẳng

Trong quá trình thực hiện nhiệm vụ trên đây, luận văn đã tập trung giải quyết một số vấn đề Về lý thuyết, luận văn tập trung nghiên cứu sử dụng các phương pháp điều khiển phi tuyến vận dụng vào ĐCTT loại ĐB - KTVC và đưa ra phương pháp chọn thời gian ngắn nhất ứng với khoảng dịch chuyển s trên cơ sở tính chọn vận tốc tối ưu cho động cơ Về thực nghiệm, luận văn đã xây dựng được một mô hình thí nghiệm kiểm chứng những lý thuyết đã đề xuất

Bản luận văn có bố cục như sau:

Chương 1 Tổng quan về cấu tạo, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng

dụng của động cơ tuyến tính trong các máy CNC

Chương 2 Mô tả toán học động cơ tuyến tính

Chương 3 Ứng dụng phương pháp điều khiển tuyến tính hóa chính xác

thiết kế bộ điều khiển vị trí cho động cơ tuyến tính

Chương 4 Kết quả mô phỏng, thực nghiệm và kết luận Toàn bộ các kết

quả mô phỏng MATLAB & Simulink Đặc biệt để thêm tính khách quan, mô hình đối tượng động cơ, biến tần, lưới điện sẽ sử dụng của hãng PLECS, một

bộ phần mềm thêm vào Simulink để mô phỏng các hệ thống điện và thực nghiệm được trình bày trong chương này với những thuyết minh kèm theo

Cuối cùng là Kết luận và kiến nghị

Liên quan đến chủ đề ĐCTT còn nhiều vấn đề phức tạp, đòi hỏi nhiều công sức với sự tham gia của nhiều người, trong nỗ lực đưa ĐCTT ứng dụng vào thực tế Đề tài nghiên cứu đã tạo ra cơ sở ban đầu cho những bước phát triển tiếp theo sau này

Bản luận văn được viết với sự cảm thông, giúp đỡ to lớn của gia đình Tác giả luận văn cũng xin bày tỏ tấm lòng cảm ơn sâu sắc đối với sự chỉ dẫn tận tình cũng như sự động viên chân thành của thầy giáo hướng TS Cao Xuân Tuyển trong suốt quá trình, từ lúc hình thành ý tưởng đến các bước thực hiện

cụ thể của đề tài nghiên cứu này Xin cảm ơn Phòng sau đại học, phòng thí nghiệm, khoa điện của Trường Đại Học KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP THÁI NGUYÊN đã tạo điều kiện giúp đỡ em hoàn thành đề tài luận văn này

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ CẤU TẠO, NGUYÊN LÝ LÀM VIỆC VÀ PHẠM VI ỨNG DỤNG CỦA ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH TRONG CÁC MÁY CNC

1.1 CẤU TẠO

1.1.1 Phân loại

Hiện nay động cơ chạy thẳng sử dụng phổ biến hai loại sau:

+ Động cơ chạy thẳng kiểu động cơ bước

+ Động cơ chạy thẳng kiểu ĐB-KTVC

Trong giới hạn của đề tài,luận văn tập trung nghiên cứu động cơ chạy thẳng kiểu đồng bộ kích thích vĩnh cửu ba pha

1.1.2 Cấu tạo động cơ chạy thẳng kích thích vĩnh cửu (ĐCCT-ĐBKTVC)

a Phần đứng yên: Nam châm vĩnh cửu gồm nhiều cực từ đặt liên tiếp nhau

    (1.1)

N S N S

Hình 1.3 Dây quấn động cơ

1.2 Nguyên lý làm việc

Khi đặt hệ thống điện áp nguồn 3 pha đối xứng vào dây quấn ba pha của

động cơ đồng bộ tuyến tính, trong ba pha sẽ có các dòng điện iA, iB, iC

ds v

dt  (1.12)

Sức từ động tổng ba pha trong khe hở không khí giữa phần cố định và phần chuyển động sẽ là:

.

2F fm  p I (1.16) W: Số vòng dây của một pha

Kdq : Hệ số dây quấn sóng cơ bản

Từ trường chuyển động tịnh tiến F sẽ tương tác với từ trường nam châm vĩnh cửu FNC , do nam châm vĩnh cửu được đặt ở phần cố định, phản lực sẽ làm phần động (gồm lõi thép và dây quấn) chuyển động tịnh tiến theo chiều ngược với chiều chuyển động của từ trường F với tốc độ chuyển động là:

Chiều chuyển động của phần động

Hình 1.4 Chiều chuyển động của từ trường và của phần động

Về mặt năng lượng: Động cơ đã biến đổi điện năng thành cơ năng

1.2.1 Đặc điểm của một hệ chuyển động thẳng

Hệ thống chuyển động thẳng có thể được thực hiện bằng hai cách trực tiếp hoặc gián tiếp, trong đó ĐCTT sẽ được sử dụng trong hệ chuyển động thẳng trực tiếp (hình 1-5)còn hệ thống chuyển động thẳng gián tiếp được xây dựng dựa trên động cơ quay (hình 1.6)

Hình 1.5 Hệ chuyển động thẳng trực tiếp sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC

Nam châm vĩnh cửu

Hình 1.6 Hình ảnh ĐCTT thu được khi trải dài động cơ quay tròn

1.2.2 Xác định vận tốc tối ưu cho động cơ

Chọn thời gian ngăn nhất ứng với thời gian dịch chuyển s trên cơ sở

tính chọn vận tốc tối ưu cho động cơ

Hình 1.7 Vận tốc tối ưu cho động cơ

tg α = a (1.18)

amin ÷ amax (1.19) chọn amax từ biến tần ứng với αmax

S = v.t = SABCD (1.20)

S = am t12 + am t1t2(1.8) (1.21)Hàm mục tiêu: F = 2t1+ t2 → min (1.22) Ràng buộc: t1,t2 ≥ 0 (1.23)

S = am t12 + am t1t2 (*) (1.24)

S ≥ 0 (1.25) Giải bài toán tối ưu

Từ F = 2t1+ t2 suy ra t2 = F - 2t1 (1.26) Thay vào (*) suy ra S = am t12 + am t1 (F - 2t1) (1.27)

S = am t12 + F am t1 - 2 am t12 (1.28) = F am t1 - am t12 (1.29)

2 1 1

21 2 2 2.

.

m m m

m

s

s a a

s a

+ Dao chuyển động tịnh tiến ngang, dọc, xiên để cắt gọt(trong trường hợp đặc biệt có thể ngược lại) Hướng tiến của dao gồm 5 hướng:

- Dao tiến vuông góc với đường tâm-> Tiện mặt đầu (a)

- Dao tiến song song với đường tâm -> Mặt trụ (b)

- Dao tiến một góc α so với đường tâm -> Tiện côn (c)

- Dao tiến lồi lõm so với đường tâm-> Tiện định hình (d)

- Dao tiến theo bước ren-> Tiện ren (e)

*Công dụng:

Máy tiện được dùng rộng rãi trong ngành cơ khí chế tạo máy, máy tiện ren vit vạn năng gia công được mặt phẳng, mặt trụ(trong ngoài) mặt côn ngoài, ren (trong, ngoài), mặt cầu, mặt định hình, ngoài ra trên máy tiện còn gia công khoan, khoét, doa, taro

Trong những bộ phận của máy tiện có bộ phận hộp bước tiến là cơ cấu dùng để truyền chuyển động quay từ chục chính cho trục trơn và vít- me Đồng thời thay đổi bước tiến của hộp xe dao cũng bằng cơ cấu này thành chuyển động tịnh tiến của dao Đối với một hệ chuyển động thẳng gián tiếp,

do bổ sung cơ cấu trung gian nên nhược điểm đầu tiên cần kể đến là ảnh hưởng của khe hở trong khu vực ghép nối giữa động cơ – trục truyền hay tải – trục truyền, trong quá trình gia công dẫn đến nhiều sai lệch về cơ khí, độ dơ của bánh răng ảnh hưởng đến độ chính xác của máy CNC Để khắc phục nhược điểm này người ta tìm cách loại bỏ hệ thống bánh răng trục vít bằng cách sử dụng động cơ tuyến tính thay thế cho động cơ secvo và động cơ bước.Như máy tiện CNC TAKISAWA TNR 200 ta quan sát hình khi di chuyển ăn dao thay bằng động cơ tuyến tính giảm bớt được thành phần trung gian như hộp số trục, trục vít Tổn thất tổng giảm đáng kể và đảm bảo độ chính xác cao hơn, đặc biệt các sai số do hao mòn cùng với thời gian sử dụng

sẽ giảm đi Đạt được động học hệ thống tới mức cao nhất, đồng thời loại được các dao động riêng tiềm ẩn trong chuyển động xoắn của trục vít

MÁY TIỆN CNC TAKISAWA TNR 200

Hình 1.8 Máy tiện TAKISAWA TNR200-CNC

1.3.2 Máy phay

a Công dụng

Máy phay là máy công cụ dung để gia công một hay nhiều bề mặt chính xác trên một sản phẩm hay một chi tiết gia công Chi tiết được cắt bởi một hay nhiều dao tùy công nghệ Máy phay vạn năng có thể điều khiển, vận hành thong dụng như các máy công cụ khác Máy phay không chỉ dung để phay các mặt phẳng mà có thể gia công các bề mặt định hình phức tạp như mặt răng, cắt ren, mặt rãnh định hình…Ngoài phay, trên máy phay còn có thể khoan khoét, doa và xọc…Tính vạn năng của máy phay chứng tỏ không thể thiếu trong phân xưởng cơ khí

Hình 1.9 Máy phay CNC

b Nguyên lý hoạt động của máy phay vạn năng 676π

Để thực hiện quá trình tạo hình trên máy phay vạn năng cần có các chuyển động sau:

- Chuyển động chính: Là chuyển động quay tròn của trục chính mang dao, đây là chuyển động cắt chính nhận được từ động cơ chính thong qua hộp số tốc độ(iv) làm trục chính mang dao quay đều Chuyển động này nhằm tạo ra đường sinh của bề mặt gia công Tốc độ của chuyển động chính là tốc độ cắt

- Chuyển động chạy dao: Đây là chuyển động tạo nên đường chuẩn trên

bề mặt gia công Nó là chuyển động cơ bản nhằm duy trì quá trình cắt gọt Chuyển động chạy dao gồm 3 chuyển động tịnh tiến Sd, Sn, Sđ Các chuyển động này thực hiện được nhờ chuyển động của động cơ chạy dao thông qua hộp chạy dao đến các trục vít me dọc ngang và đứng

- Chuyển động chạy dao nhanh: Để giảm thời gian phụ nhằm tăng năng suất gia công , thực hiện quá trình đó là bố trí xích chạy dao nhanh đi từ động

cơ chạy dao nhanh qua các cặp bánh răng đơn đến các vít me chạy dao mà không cần đi qua phần điều chỉnh của hộp chạy dao

Các chuyển động phụ khác: Bao gồm các chuyển động quay của bàn máy, chuyển động quay của đầu dao, chuyển động phân độ…

- Phay có thể gia công được các mặt phẳng, mặt cong, với niều kiểu máy, kiểu dao và bằng nhiều phương pháp khác nhau Để đảm bảo độ chính xác kích thước và độ bóng đạt được khi phay cũng như tăng năng suất gia công, ta thay thế hệ thống bánh răng, vit- me, bằng động cơ tuyến tính cho bộ phận chạy dao Động cơ này chuyển động tịnh tiến trực tiếp cho chuyển động ăn dao

Hình 1.10 Máy bào giường

Máy bào mặt phẳng hay còn gọi là máy bào giường hiện nay được sử dụng rộng rãi trong các loại máy cơ khí Nó dùng để gia công bề mặt các chi tiết kim loại có biến dạnh lớn Ngoài ra máy bào giường dùng để xẻ dãnh hình

T, U, đuôi én Máy bào có thể gia công bề mặt các chi tiết ở mức độ thô hoặc tinh khác nhau Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển động tịnh tiến của bàn máy, bàn máy được kéo bằng một động cơ điện Chất lượng

và năng suất của máy bào mặt phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ bàn máy, lực cắt mô men cắt của dao…

Vì vậy việc điều khiển động cơ truyền động là hết sức quan trọng mà ta cần nghiên cứu và giải quyết

a Phân loại

Máy bào mặt phẳng hiện nay có nhiều chủng loại, dựa vào số trụ được phân ra:

- Máy bào một trụ: ví dụ như 710: 71120:7116

- Máy bào hai trụ : ví dụ như máy 7210: 7212:7216

- Dựa vào chiều dài của bàn máy (Lb)và lực kéo (Fk)ta phân ra:

- + Máy cỡ nhỏ : Chiều dài bàn Lb < 3m, lực kéo Fk = 30÷50 (KN)

- + Máy cỡ trung bình: Chiều dài bàn Lb= 4÷5 m, lực kéo Fk = 50÷70 (KN)

- + Máy cỡ nặng(lớn): Chiều dài bàn Lb= >5 m, lực kéo Fk >70 (KN) Kết cấu máy bào mặt phẳng

Máy bào giường được chế tạo từ nhiều chi tiết phức tạp, nhiều khối khác nhau Ở đây ta mô tả kết cấu bên ngoài và các bộ phận của máy

Hình 1.11 Nguyên lý máy bào giường

Chi tiết gia công 1 được kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiến qua lại Dao cắt 3 được kẹp chặt trên bàn dao đứng 4 Bàn dao 4 được đặt trên

xà ngang 5 cố định khi gia công Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo các theo các chu kỳ lặp đi lặp lại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược Ở hành trình thuận, thực hiện gia công chi tiết, nên gọi là hành trình cắt gọt Ở hành trình ngược, bàn máy chạy về vị trí ban đầu, không cắt gọt, nên gọi là hành trình không tải Cứ sau khi kết thúc hành trình ngược thì bàn dao lại di chuyển theo chiều ngang một khoảng gọi là lượng ăn dao Chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính Dịch chuyển của bàn dao sau mỗi một hành trình kép là chuyển động ăn dao Chuyển động phụ là di chuyển nhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao trong hành trình không tải

Hình 1.12 Đồ thị tốc độ cho một chu kỳ

Giả sử bàn đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc đến tốc đô V0 =

5 ÷ 15m/ph trong khoảng thời gian t1 Sau khi chạy ổn định với tốc đô V0 trong khoảng thời gian t2, thì dao cắt vào chi tiết (dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp để tránh sứt dao hoặc chi tiết) Bàn máy tiếp tục chạy ổn định với tốc độ V0 cho đến hết thời gian t22 thì tăng tốc đến tốc độ Vth (tốc độ cắt gọt) Trong thời gian t4, bàn máy chuyển động với tốc độ Vth và thực hiện gia công chi tiết Gần hết hành trình thuận, bàn máy sơ bộ giảm tốc đến tốc độ V0, dao được đưa ra khỏi chi tiết gia công Sau đó bàn máy đảo chiều quay sang hành trình ngựơc đến tốc độ Vng, thực hiện hành trình không tải , đưa bàn về vị trí ban đầu Gần hết hành trình ngược, bàn máy giảm sơ bộ tốc độ đến V0, đảo chiều sang hành trình thuận, thực hiện một chu kỳ khác Bàn dao được di chuyển bắt đầu thời điểm bàn máy đảo chiều từ hành trình ngược

Tốc độ hành trình thuận được xác định tương ứng bởi chế độ cắt; thường vth = 5 ÷ 120m/ph; tốc độ gia công lớn nhất có thể đạt vmax = 75 ÷ 120m/ph

Để tăng năng suất máy, tốc độ hành trình ngược thường chọn lớn hơn tốc độ hành trình thuận

Truyền động chính trong máy bào mặt phẳng là chuyển động tịnh tiến của bàn máy, bàn máy được kéo bằng một động cơ điện Chất lượng và năng suất của máy bào mặt phẳng phụ thuộc vào nhiều yếu tố như tốc độ bàn máy, lực cắt, mô men cắt của dao…nâng cao chất lượng gia công tinh, gia công tinh mỏng thay thế động secvo trục vít bằng động cơ tuyến tính, trực tiếp chuyển động tịnh tiến của bàn máy khi mang phôi và chuyển động tịnh tiến của đầu dao

1.3.4 Máy mài

Hình 1.13 Máy mài tròn ngoài Hình 1.14 Máy mài tròn trong

Máy mài là nhóm máy đặc biệt sử dụng để gia công tinh các chi tiết bằng

dụng cụ chế tạo từ hạt mài Nó cho phép đạt độ chính xác cấp 5 đến cấp 6 Ở điều kiện gia công bình thường dễ dàng đạt được độ nhám bề mặt Ra = 0,8 đến 0,2 các thong số trên rất khó đạt được trên các loại máy khác

Đá mài quay tròn( chuyển động chính), chuyển động tịnh tiến

Phôi quay tròn và chuyển động tịnh tiến (trên máy mài tròn ngoài) hoặc phôi chuyển động tịnh tiến(trên máy mài phẳng)

a Phân loại máy mài: Có máy mài tròn trong, ngoài, máy mài dụng cụ, máy

mài phẳng…

b Cấu tạo cơ bản của máy mài phẳng:

Mặc dù kết cấu của các loại máy mài rất đa dạng nhưng tất cả chúng đều

có các bộ phận chính như: than máy, bàn máy, ụ trước, ụ sau, ụ đá, thiết bị thủy lực, hệ thống điện và bảng điều khiển

Ụ trước và ụ sau sử dụng trên các máy mài tròn vì chi tết được gá trên hai mũi tâm, với máy mài lỗ chỉ có ụ trước Trên trục chính người ta lắp mâm cặp hoặc đồ gá để gá kẹp chi tiết gia công Trên các máy mài phẳng ụ trước và ụ sau được thay bằng bàn máy, vì vhi tiết gia công được gá trực tiếp lên bàn máy hoặc đồ gá Đồ gá gá trực tiếp lên bàn máy Ụtrước dung để tạo chuyển động quay cho chi tết gia công

Thân máy là chi tiết cơ sở của máy.Trên than máy người lắp tất cả cá cụm còn lại, yêu cầu cơ bản với than máy là phải đảm bảo chính xác yêu cầu cho tất cả các cụm lắp trên đó trong suốt thời gian dài làm việc Trên than máy người ta lắp bàn máy có các dãnh chữ T và dẫn động tạo chuyển động tịnh tiến khứ hồi của bàn…

Bàn máy có hình dáng chữ nhật và chuyển động tịnh tiến khứ hồi Trên các máy mài phẳng bàn máy dung để gá chi tiết gia công trực tiếp lên bàn máy hoặc đồ gá; đồ gá gá trực tiếp lên bàn máy Đối với máy mài tròn ngoài ụ trước ụ sau được gá trên bàn máy

Ụ đá gồm than ổ đỡ trục chính và dẫn động của nó Trục chính là một chi tiết quan trọng bậc nhất của đá mài, độ chính xác kích thước và hình dáng của chi tết mài phụ thuộc vào trục chính và các ổ đỡ nó Trục chính có yêu cầu rất cao về độ cứng vững, độ chống rung , độ bền, độ chịu mài mòn của các bề mặt làm việc

Bơm là cơ cấu cung cấp chất lỏng cho công tác cho hệ thống thủy lực

c Nguyên lý làm việc của máy bào phẳng

Đối với máy bào phẳng: khi đá mái quay theo chiều mũi tên, còn chi tiết chuyển động tịnh tiến theo chiều mũi tên các hạt mài nằm trên mặt làm việc của đá mài sẽ bóp đi một lớp kim loại mỏng tạo ra bề mặt gia công theo yêu cầu

Hình 1.16 Máy bào phẳng CNC

+ Bàn xe dao

Các nhà cung cấp máy công cụ phải tạo ra một bàn xe dao phù hợp với mỗi máy và có lợi nhất về mặt công suất cũng như thuận lợi cho việc cắt gọt kim loại mà không ảnh hưởng đến độ chính xác khi gia công Độ cứng vững của bàn xe dao sẽ làm cho công suất của quá trình cắt kim loại được tăng lên Những nhà chế tạo thiết kế các bàn xe dao cho phép chúng chỉ điều khiển đài dao và chức năng phay Thêm nữa, nếu các thành phần khác chuyển động thì thành phần nào điều khiển chúng một cách tốt hơn?

Trục chính là thành phần có tính quyết định nhất trong máy công cụ Một trục ổn định sẽ hợp nhất với sự điều khiển của động cơ - quyết định độ cứng vững hệ thống, hệ thống bôi trơn và nguồn điện cung cấp, đảm bảo độ chính xác và có thể đoán trước được năng suất của máy Như vậy, quá trình thiết kế trục và tối ưu tốc độ quay của trục chính sẽ mang lại quá trình cắt gọt được tốt nhất và độ chính xác cao nhất cho máy

+ Nguồn (năng lượng) Khi tìm hiểu để mua một máy công cụ cho xưởng sản xuất, thì việc nắm được cấu tạo của máy là một điều quan trọng để lựa chọn một cách phù hợp loại máy đáp ứng được yêu cầu Đây là cách để bạn đảm bảo thực hiện một cách chính xác cho sự tối ưu hoá quá trình sản xuất

Và nếu xảy ra trục trặc, nhà cung cấp có thể nhanh chóng tìm ra căn nguyên của vấn đề, vì mọi thứ đã được tích hợp sẵn trong máy

1.4 Kết luận

Từ những nội dung đã trình bày ở trên cho thấy ưu thế của việc sử dụng ĐCTT trong hệ chuyển động thẳng nói chung Với những hệ thống đòi hỏi độ chính xác cao như robot công nghiệp, máy công cụ như máy tiện, máy phay, máy bào (CNC, ) thì sử dụng ĐCTT loại ĐB - KTVC là phù hợp Để điều khiển TTHCX điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC có đề cập đến những xử lý hiệu chỉnh ngược khi điện áp đi vào vùng giới hạn hay ưu thế khi vận hành ở chế độ phi tuyến Ngoài ra luận văn còn đề cập phương pháp chọn thời gian ngắn nhất ứng với thời gian dịch chuyển s trên cơ sở tính chọn vận tốc tối ưu

cho động cơ

Về thực nghiệm, luận văn đã xây dựng được một mô hình thí nghiệm giúp xác định thời gian ngắn nhất và điều khiển ĐCTT loại ĐB - KTVC đảm bảo đạt được tốc độ cho phép và vận hành trong chế độ đảo chiều Việc xây dựng

hệ thí nghiệm giúp chứng minh cho khả năng hoàn toàn có thể tạo ra được một biến tần điều khiển ĐCTT có sử dụng cấu trúc điều khiển được xây dựng trong luận văn

Chương 2

MÔ TẢ TOÁN HỌC ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH LOẠI ĐB – KTVC 2.1 SO SÁNH GIỮA ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (ĐB-KTVC) VÀ ĐỘNG CƠ CHẠY THẲNG KIỂU ĐỒNG BỘ KÍCH THÍCH VĨNH CỬU (ĐCCT ĐB-KTVC)

Bảng 2.1 So sánh phần chuyển động và cố định của động cơ (ĐB-KTVC) và

Mạch từ và dây quấn 3 pha trải phẳng, chuyển động tịnh tiến(chuyển động thẳng)

Phần cố

định

Mạch từ có kết cấu hình vành trụ tròn, trong có xẻ rãnh đặt dây quấn 3 pha

Nam châm vĩnh cửu gồm nhiều cực từ đặt liên tiếp nhau, cực tính luân phiên nhau