đồ án truyền động một chiều máy bào giường

thiết kế mạch lực, mạch điều khiển truyền động một chiều máy bào giường . mô hình hóa,mô phỏng các bộ điều khiển 1 234

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

Thiết kế hệ truyền động cho

máy bào giường

ĐỒ ÁN

Tên đề tài: Thiết kế hệ truyền động một chiều cho máy bào giường

Số liệu ban đầu:

Tốc độ hành trình thuận: V th = 25 (m/ph)

Tốc độ hành trình ngược: V ng = 60 (m/ph)

Tóm tắt nội dung đồ án

Đề tài “ Thiết kế hệ truyền động một chiều cho máy bào giường” là một

đề tài mang tính thực tiễn cao, thực hiện trên máy công nghiệp được sử dụng rấtphổ biến hiện nay Đồng thời đề tài cũng áp dụng nhiều nội dung kiến thức đãđược giảng dạy trong trường

Với đề tài “ Thiết kế hệ truyền động một chiều cho máy bào giường”, em

đã thực hiện phân tích hoạt động của bàn máy trong máy bào giường, từ đó đưa

ra được các yêu cầu về công nghệ cũng như truyền động Từ đó thực hiện cácvấn đề sau:

MỤC LỤC

DANH MỤC HÌNH VẼ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VÀ TÍNH CHỌN ĐỘNG

CƠ MÁY BÀO GIƯỜNG

Máy bào giường có thể gia công các chi tiết lớn, chiều dài bàn có thể từ1,5m đến 12m Về cơ bản, hoạt động của nó là cho chuyển động tịnh tiến củalưỡi dao cắt vào đối tượng gia công, và bằng việc điều khiển vị trí tương đối của

2 đối tượng đó mà gia công hình dáng theo ý muốn

1.1.1 Khái niệm chung về máy cắt kim loại.

Máy cắt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loại bằng cáchcắt bớt các lớp kim loại thừa để sau khi gia công chi tiết có hình dáng gần đúngyêu cầu, hoặc thỏa mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định vềkích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công

Tùy thuộc vào quá trình công nghệ đặc trưng bởi phương pháp gia công,dạng dao, đặc tính chuyển động… Các náy cắt kim loại được chia thành các loại

cơ bản như: Máy Tiện, May Phay, Máy Bào, Máy Khoan, Máy Doa, Máy Mài…

1.1.2 Khái quát chung về máy bào giường

Máy bào giường có thể gia công các chi tiết lớn, chiều dài bàn có thể từ1,5m đến 12m Tùy theo chiều dài bàn máy và lực kéo có thể phân máy bàogiường thành 3 loại:

kN

Chi tiết gia công 1 được kẹp chặt trên bàn máy 2 chuyển động tịnh tiếnqua lại Dao cắt 3 được kẹp trên bàn dao đứng 4, bàn dao được được kẹp chặttrên xà ngang 5 cố định khi gia công, xà ngang 5 được giử cố định trên khungmáy 6.

Trong quá trình làm việc, bàn máy di chuyển qua lại theo các chu kỳ lặp đi lặplại, mỗi chu kỳ gồm hai hành trình thuận và ngược Ở hành trình thuận thực hiệngia công chi tiết nên gọi là hành trình cắt gọt Ở hành trình ngược bàn máy chạy

về vị trí ban đầu mà 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 ngangmột khoảng gọi là lượng ăn dao s (mm/hành trình kép) Chuyển động tịnh tiếnqua lại của bàn máy gọi là chuyển động chính Dịch chuyển của bàn dao sau mỗihành trình kép gọi là chuyển động ăn dao Chuyển động phụ là những di chuyểnnhanh của xà, bàn dao, nâng đầu dao của hành trình không tải

Hình 1 2 Đồ thị tốc độ máy bào giường

Trên hình 1.2 là đồ thị tốc độ cơ bản thường gặp nhất, trong thực tế còn cónhiều dạng đơn giản hay phức tạp hơn

- Giả thiết bàn máy đang ở đầu hành trình thuận và được tăng tốc đến tốc

bắt đầu vào chi tiết Dao cắt vào chi tiết ở tốc độ thấp nhằm mục đích tránh sứt

mẻ dao hoặc chi tiết

- t3 dao cắt vào chi tiết và cắt với tốc độ v0 cho đến hết thời gian t3.

tốc độ cắt gọt

ngược

giảm tốc về 0 để đảo chiều

làm việcvà chuẩn bị cho chu kỳ làm việc tiếp theo

thường thì tốc độ hành trình thuận nằm trong khoảng từ 5 đến 120 m/ph, tốc độgia công có thể đạt 75 ÷ 120 m/ph Do hành trình ngược là hành trình chạykhông tải nên để tăng hiệu suất của máy người ta thường chọn tốc độ hành trình

Năng suất của máy phụ thuộc vào số hành trình kép trong một đơn vị thờigian: n= = (1.1.)

Giảsử tốc độ bàn máy lúc tăng và giảm tốc độ không đổi thì:

tốc (g: gia tốc) và quá trình giảm tốc (h: hãm) ở hành trình thuận

tốc và quá trình giảm tốc ở hành trình ngược

bàn máy

n =

= (1.4)

+ k = : Là tỉ số giữa tốc độ hành trình ngược và hành trình thuận

máy tăng nhưng khi k > 3 thì năng suất của máy tăng không đáng kể vì lúc đó

phải giảm thời gian quá trình quá độ

Một trong những biện pháp hiệu quả là xác định tỉ số truyền tổi ưu của cơcấu truyền động của động cơ đến trục làm việc, Đảm bảo máy khởi động với giatốc cao nhất

Công thức xác định tỉ số truyền tổi ưu:

Trong đó: + M: Mômen của động cơ lúc khởi động (Nm)

khá quan trọng Thời gian quá độ phụ thuộc vào mômen quán tính của máy.Mômen quán tính của máy tỉ lệ với chiều dài máy

Tuy nhiên thời gian quá trình quá trình quá độ không thể giảm nhỏ quá được vì bịhạn chế bởi:

Như vậy phạm vi điều chỉnh tốc độ nằm trong khoảng D = (12,5÷30)/1

1.2.2 Truyền động ăn dao.

Là sự dịch chuyển của bàn dao sau mỗi hành trình kép của chuyển độngchính Cứ sau khi kết thúc một hành trình ngược thì bàn dao lại dịch chuyển théochiều ngang một khoảng gọi là lượng ăn dao

Chuyển động ăn dao làm việc có tính chất chu kỳ, trong mỗi hành trìnhkép làm việc một lần, từ thời điểm đảo chiều từ hành trình ngược sang hành trìnhthuận, và kết thúc trước khi dao cắt và chi tiết.

Cơ cấu ăn dao làm việc với tần số rất lớn (có thể đạt 1000 lần/h) Hệ thống

di chuyển đầu dao vận hành theo hai chiều là di chuyển làm việc và di chuyểnnhanh Chuyển động ăn dao có thế thục hiện bằng nhiều hệ thống: cơ khí, điệnkhí, thủy lực, khí nén… Nhưng đồng thời sử dụng hệ thống điện cơ (động cơđiện và hệ thống trục vít-ecu hoặc bánh răng, thanh răng)

Truyềnđộng kẹp nhả xà:

Là truyền động được định vị để kẹp chặt xà trên hai trục của máy để giacông chi tiết, hoặc nới lỏng xà để nâng giá dao, hạ dao Truyền động được thựchiện nhờ động cơ xoay chiều qua hệ thống cơ khí Tác dụng của lực nêm chặtbao nhiêu tùy ý do ta điều chỉnh chuyển động với việc nâng hạ xà như trên

Bơm dầu:

Khi cấp điện cho hệ truyền động làm việc thì bơm dầu cũng phải được làmviệc, lượng dầu trong máy đảm bảo thì rơle áp lực mới hoạt động kích hoạt làmkín mạch cho chuyển động của bàn Áp lực cần thiết là 2,5 atm, hệ thống bơmdầu được thực hiện từ động cơ xoay chiều

Quạt gió:

Động cơ quạt gió là động cơ xoay chiều đảm bảo cho hoạt động của máylàm việc với nhiệt độ cho phép

Phụ tải của truyền động chính được xác định bởi lực kéo tổng Nó là tổngcủa hai thành phần lực cắt và lực masat:

Bán kính lực cắt quy đổi lực cắt về trục động cơ điện: ρ= = 0,004 (m)

Hiệu suất định mưc của động cơ: η = 0,81

Hệ số masat sát trượt giữa bàn và gờ trượt: µ=0,081

Tốc độ góc khi vào dao:

Đổi chiều khi hết chu kỳ làm việc là đặc điểm làm việc của máy bàogiường, do vậy yêu cầu của hệ truyền động cho máy bào giường là khả năng quátải lớn, momen khởi động lớn Do vậy đối với máy bào giường thì ta chọn động

cơ một chiều với ưu điểm momen khởi động lớn, dễ điều chỉnh tốc độ, dể đảochiều quay

Do công nghệ phát triển hiện nay người ta đã thiết kế các van điện tử dùng

để chỉnh lưu dòng xoay chiều thành một chiều với công suất lớn, hiệu quả cao Nhược điểm cơ bản của động cơ một chiều là do cấu tạo phức tạp nên giáthành đắt

- Ứng với mỗi chế độ cắt gọt, xác định lực kéo tổng trên trục vít của bộ truyền,công suất đầu trục động cơ và công suất tính toán Lực kéo tổng được xác định : = +

- tổn hao không tải trong hành trình thuận;

- tổn hao do ma sát trên gờ trượt của bàn máy

b Xác định dòng điện trong các khoảng thời gian động cơ làm việc ở quá trìnhquá độ:

Để đơn giản cho việc phân tích ta sử dụng phương pháp gần đúng

Hệ thống truyền động điện có tự động điều chỉnh, đảm bảo có hạn chế dòngđiện và duy trì nó ở giá trị cực đại cho phép trong quá trình quá độ Đối với động

c Xác định thời gian của các khoảng làm việc

d Xây dựng đồ thị phụ tải toàn phần I = f(t) :

Từ các số liệu dòng điện trong quá trình quá độ và xác lập ở các khoảng thời giantương ứng, ta vẽ được đồ thị dòng điện biến thiên theo thời gian như ở hình sau :

Hình 1 4 Biểu đồ tốc độ và dòng điện của máy bào giường

e Kiểm nghiệm động cơ theo điều kiện phát nóng

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ VÀ PHÂN TÍCH MẠCH LỰC

Cấu trúc phần lực của hệ truyền động điều chỉnh tốc độ động cơ điện 1 chiềubao giờ cũng cần có bộ biến đổi Các bộ biến đổi này cấp cho mạch phần ứng động

cơ hoặc mạch kích từ động cơ Cho đến nay trong công nghiệp sử dụng bốn loại bộbiến đổi chính:

Bộ biến đổi máy điện gồm :động cơ sơ cấp kéo máy phát 1 chiều hoặc máyđiện khuếch đại (KĐM)

- Bộ biến đổi điện từ: khuếch đại từ (KĐT)

- Bộ biến đổi chỉnh lưu bán dẫn: chỉnh lưu tiristo (CLT)

- Bộ biến đổi xung áp một chiều: tiristo hoặc tranzito (BBĐXA)

Tương ứng với việc sử dụng các bộ biến đổi mà ta có các hệ truyền động như sau:

- Hệ truyền động máy phát-động cơ (F-Đ)

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

- Hệ truyền động khuếch đại từ -động cơ (KĐT- Đ)

- Hệ truyền động chỉnh lưu tiristo- động cơ (T-Đ)

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

Ngoài các hệ truyền động ,thực tế có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnhtốc độ động cơ điện 1 chiều:

- Điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ

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

Lựa chọn: Chọn phương pháp điều chỉnh điện áp cấp cho phần ứng động cơ và hệ

truyền động chỉnh lưu tiristo-động cơ (T-Đ) bởi vì:

+ Khả năng làm việc ổn định ở phụ tải nhỏ khá hạn chế

+ Hệ số cosφ nói chung của hệ thống thấp (0,6÷0,65)

+ Khi hệ thống truyền động có công suất lớn, dòng điện không sin gây ra tổnhao phụ trong hệ thống và ảnh hưởng đáng kể đến điện áp lưới

+ Mạch điều khiển phức tạp

R và đưa vào bộ phát xung (BFX) rồi đưa tín hiệu đến bộ biến đổi.

+ Hệ thống sử dụng khâu phản hồi tốc độ, lấy từ máy phát tốc (FT) đểnâng cao tính ổn định tốc độ của động cơ và cả hệ thống

Để cung cấp nguồn 1 chiều cho phần ứng động cơ một chiều kích từ độc lập,

ta phải sử dụng một mạch chỉnh lưu để biến đổi năng lượng dòng điện xoay chiều cósẵn thành năng lượng dòng điện 1 chiều Thực tế có rất nhiều phương án có thể sửdụng được, tuy nhiên để có một mạch chỉnh lưu phù hợp với yêu cầu thiết kế ta cầnxét một cách tổng quan về các sơ đồ chỉnh lưu Với yêu cầu thay đổi được điện ápđặt vào phần ứng động cơ thì các bộ chỉnh lưu điốt không thể làm thay đổi điện áp

ra nên ta chỉ xét các mạch chỉnh lưu điều khiển Với công suất đặt >5kw ta phảichọn sơ đồ ba pha ,một mặt để tránh mất cân bằng điện áp lưới ,mặt khác giảm nhỏđược kích thước máy biến áp nếu cần thiết Để chất lượng điện áp được tốt ,emchọn sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha

2.3.1 Sơ đồ mạch chỉnh lưu cầu 3 pha

Hình 2 2 Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha

Sơ đồ chỉnh lưu cầu 3 pha đối xứng cấu tạo từ 6 tiristo :

- Nhóm katốt chung gồm 3 triristor: T1,T3,T5

- Nhóm anốt chung gồm 3 triristor: T2,T4,T6

Thứ tự đánh dấu các van trên sơ đồ cũng có ý nghĩa quan trọng vì là thứ tự hoạtđộng của các van sau mỗi 60

Điện áp các pha thứ cấp MBA có phương trình:

Nhóm cactot chung :pha nào dương nhất thì van pha đó dẫn

Nhóm anot chung : pha nào âm nhất thì van của pha đó dẫn

Hai đường điện áp pha giao nhau sẽ tạo thành các điểm chuyển mạch tự nhiên Góc

mở α được tính từ điểm chuyển mạch tự nhiên này

Nguyên lý hoạt động: giả thiết trong khoảng t=0 đến t= van T5,T6 đang chodòng đi qua

+Tại thời điểm t = ,lúc này điện áp pha A là dương nhất và pha B là âm nhất nhưngvan T1 chưa dẫn vì chưa có xung điều khiển, dòng điện vẫn qua 2 van T% và T6

+ Tại thời điểm t=θ1

= + ( là góc điều khiển ) van T1 được mở và T5 bị khóa lại.dòng điện sẽ đi từ pha A qua T1 qua tải qua van T6 về pha B Điện áp trên tải chính

= + ( là góc điều khiển ) van T2 được mở và T6 bị khóa lại.dòng điện sẽ đi từ pha A qua T1 qua tải qua van T2 về pha C Điện áp trên tải chính

Và lúc nào cũng có 2 van hoạt động

+ Các xung điều khiển lệch nhau π/3 được lần lượt đưa đến các cực điều khiển củacác thyristor theo thứ tự T1, T2, T3, T4, T5, T6, T1, Trong mỗi nhóm, khi 1thyristor mở thì nó sẽ khoá ngay thyristor trước nó, như trong bảng sau:

Bảng 2.1: Các thời điểm mở khóa của thyristor

2.3.3 Đồ thị điện áp và dòng điện:

Hình 2 3 Đồ thị điện áp và dòng điện chỉnh lưu cầu 3 pha

2.3.4 Ưu điểm ,nhược điểm

- Ưu điểm:

+ Điện áp ra đập mạch nhỏ do vậy mà chất lượng điện áp tốt

+ Hiệu suất sử dụng máy biến áp tốt do dòng điện chạy trong van đối xứng

với điện áp khá cao

- Nhược điểm:

+ Cần phải mở đồng thời hai van theo đúng thứ tự pha nên rất phức tạp

+ Sụt áp trong mạch van gấp đôi sơ đồ hình tia nên cũng không phù hợp với cấpđiện áp ra tải dưới 10 V

+ Nó gây khó khăn khi chế tạo vận hành và sửa chữa

2.4 Lựa chọn phương án đảo chiều

2.4.1 Khái quát chung

Quá trình đảo chiều chuyển động bàn máy cũng có rất nhiều phương pháp,nhưng chung quy có 2 phương phá :

+ Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng kích từ

+ Đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiều dòng phần ứng

Tuy nhiên sử dụng phương pháp đảo chiều dòng kích từ có nhiều hạn chế, do cuộncảm có hệ số tự cảm lớn (quán tính từ lớn) nên làm tăng thời gian đảo chiều, khôngthoả mãn cho truyền động máy bào giường Vì vậy ta chỉ xét quá trình đảo chiềuđộng cơ bằng đảo chiều dòng phần ứng

2.4.2 Các phương án đảo chiều quay động cơ

Với hệ truyền động T -Đ để đảo chiều dòng phần ứng động cơ có hai cách:+ Đảo chiều nhờ các tiếp điểm công tắc tơ đặt trên mạch phần ứng

+ Đảo chiều quay nhờ hai BBĐ thyristor mắc song song ngược

Đảo chiều dòng điện phần ứng bằng cách dùng công tắc tơ

Sơ đồ truyền động:

Hình 2 4 Sơ đồ truyền động đảo chiều động cơ bằng công tắc tơ

Trên sơ đồ: Cuộn kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi nguồn 1 chiều cố định

Bộ chỉnh lưu tạo ra dòng điện một chiều có chiều không đổi ở phía đầu ra,trước khi đưa vào phần ứng động cơ, người ta bố trí các tiếp điểm công tắc tơ T và Nsao cho khi điều khiển các công tắc tơ này đóng tiếp điểm thì đảo được chiều dòngđiện phần ứng, dẫn đến đảo được chiều quay động cơ

Phương pháp này chỉ sử dụng cho các truyền động công suất nhỏ vì dòng hồquang phát ra giữa các tiếp điểm lớn Mặt khác do quán tính cơ điện của các khí cụlớn nên tần số đảo chiều không cao, không phù hợp cho bàn máy bào giường

Sơ đồ truyền động:

Hình 2 5 Sơ đồ đảo chiều động cơ bằng chỉnh lưu

Trên sơ đồ :

+ Cuộn dây kích từ CKĐ được cấp nguồn bởi nguồn điện 1 chiều không đổi

+ Phần ứng động cơ được cấp nguồn bởi 2 bộ chỉnh lưu CL1 và CL2 mắc song songngược

+ Muốn đảo chiều quay động cơ, ta đưa tín hiệu điều khiển vào 2 bộ chỉnh lưu sao

Phương pháp này vì sử dụng các khí cụ không tiếp điểm nên quá trình đảo chiều êm,diễn ra nhanh, nhưng đòi hỏi mạch lực phức tạp hơn Quá trình đảo chiều còn phụthuộc vào việc lựa chọn phương pháp điều khiển, đó là phương pháp điều khiểnchung hay riêng:

+ Phương pháp điều khiển chung: Tại một thời điểm cả 2 BBĐ nhận được

xung mở, nhưng chỉ có một BBĐ cấp dòng cho nghịch lưu, còn BBĐ kia làm việc

ở chế độ chờ Phương pháp này có các đặc tính cơ của hệ thống ở chế độ động vàchế độ tĩnh rất tốt Nhưng nó lại làm xuất hiện dòng cân bằng tiêu tán năng lượng vôích và luôn tồn tại do đó cần phải có cuộn kháng san bằng để làm giảm dòng cânbằng Với sơ đồ hình cầu 3 pha mắc song song ngược thì cần phải có 4 cuộn khángsan bằng Phương pháp này điều khiển phức tạp

+ Phương pháp điều khiển riêng: Khi điều khiển riêng 2 BBĐ làm việc

riêng rẽ nhau Tại một thời điểm chỉ phát xung điều khiển vào1 BBĐ còn bộ kia bịkhoá do không có xung điều khiển Phương pháp này, đặc tính đảo chiều của nókhông tốt bằng phương pháp điều khiển chung, do có một khoảng thời gian trễ đểdòng qua bộ van đang làm việc giảm về = 0 thì mới cho bộ van thứ hai mở Tuynhiên nó lại có ưu điểm hơn là làm việc an toàn vì không có dòng cân bằng chạy quagiữa các BBĐ và hệ thống điều khiển đỡ phức tạp hơn

⇒ Từ hai phương pháp điều khiển trên, do đặc điểm và yêu cầu công nghệcủa máy bào giường, thấy rằng phương pháp đảo chiều quay động cơ nhờ đảo chiềudòng phần ứng bởi hai bộ chỉnh lưu cầu thyristor mắc song song ngược là phù hợp