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

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN BÍCH NGỌC NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG XE HÀN CỦA MÁY HÀN TỰ ĐỘNG LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Thái Nguyên - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC KỸ THUẬT CÔNG NGHIỆP TRẦN BÍCH NGỌC NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG HỆ ĐIỀU KHIỂN TRUYỀN ĐỘNG XE HÀN CỦA MÁY HÀN TỰ ĐỘNG Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa Mã số: 60.52.02.16 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC KHOA CHUYÊN MÔN TRƢỞNG KHOA PGS.TS. VÕ QUANG LẠP PHÒNG ĐÀO TẠO Thái Nguyên - 2015 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 Chƣơng 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 phƣơng án điều khiển ổn định tốc độ xe hàn ………………….………………….....…. 09 I.5 .Tìm hiểu máy hàn tự động trong chƣơng 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ I.5.6 Module vào ra số liệu..…………………………………………………………..……….....16 I.5.7. Giới thiệu hệ thống chuyển động đƣợc ứng dụng..………………………………………....19 I.5.8 Cơ cấu robot tự hành ……………………….…………………………………..……..….....19 Chƣơng 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 phƣơng 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 PHƢƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN HỆ TRUYỀN ĐỘNG BIẾN TẦN – ĐỘNG CƠ ĐIỆN KĐB 3 PHA………………………………….……………….….….……..…..39 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ II.2.1 Các phƣơng 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 lƣợng 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 lƣợng 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 lƣợng và mômen điện từ…………………………………………...…43 II.2.2.4 Cơ sở định hƣớng 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 Trƣờng hợp thí nghiệm với bộ điều khiển P trong S7-300………………………..……….66 II.3.5 Trƣờng 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 CHƢƠNG 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 lƣợng của hệ điều khiển chuyển động xe hàn khi dùng bộ điều khiển PID………………………………………………………………………………………………72 III.2 Nâng cao chất lƣợng 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 Phƣơng 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 - Trƣờng 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 chƣa từng đƣợc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Diễn giải nội dung đầy đủ STT Ký hiệu 1 BTKĐB~3 pha 2 ADC Analog Digital Convert 3 DAC Digital Analog Convert 4 PID Proportional Intergal Derivative 5 PI Proportional Intergal 6 PD Proportional Derivative 7 Ucđ Điện áp chủ đạo 8 Ki , K p 9 Kω Biến tần không đồng bộ xoay chiều ba pha Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 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 Lƣu sơ đồ chức năng chƣơng 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……………………………………… 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 lƣu độc lập nguồn áp 3 pha………………………………….. Hình 2.4 Biểu đồ sóng điện áp ra biến tần khi điều khiển theo phƣơng 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 trƣc 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 ………………………………… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Trang 4 9 13 15 18 19 20 21 23 25 26 27 28 30 31 34 37 38 39 41 43 46 47 48 49 51 Hình 2.22 Cấu trúc mô phỏng hệ thống BĐBT – ĐCKĐB……………………………. 52 Hình 2.23 Khối động cơ xoay chiều 3 pha…………………………………………… 54 Hình 2.24 Cấu trúc khối điều khiển vector…………………………………………… 55 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…………………………………………….. 57 58 Hình 2.28 Mômen điện từ ở tần số 50 Hz……………………………………………. 59 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……………………………. 60 61 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…………………………... 61 Hình 2.34 Điện áp đặt vào của biến tần không tải ở tần số 15 Hz……………………. 62 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 ………………………………………………… 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…………………………………….. 69 70 Hình 3.4 Sơ đồ mô phỏng hệ thống điều khiển vector biến tần ĐC xoay chiều 3 pha KĐB….. 71 Hình 3.5 Đáp ứng vị trí bộ điều khiển PID……………………………………………………. Hình 3.6 Đáp ứng tốc độ bộ điều khiển PID…………………………………………………... 71 Hình 3.7 Đáp ứng mômen bộ điều khiển PID…………………………………………………. 71 Hình 3.8 Quan hệ giữa ∆φ và ω………………………………………………………... 72 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ Hình 3.9 Sơ đồ khối bộ điều khiển mờ………………………………………………… 73 Hình 3.10 Mô hình chuyển đổi hiểu biết com ngƣời và điều khiển mờ……………….. 73 Hình 3.11 ví dụ chọn dữ liệu vào/ra…………………………………………………… 75 Hình 3.12. Hệ điều khiển mờ theo luật I………………………………………………. 77 Hình 3.13. Hệ điều khiển mờ theo luật PD……………………………………………. 77 Hình 3.14 Hệ điều khiển mờ theo luật PI……………………………………………… 77 Hình 3.15 Hệ điều khiển mờ PID……………………………………………………… 79 Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển…………………………………… Hình 3.17 Mô hình bộ điều khiển mờ bù………………………………………………. 80 Hình 3.18 Mô hình bộ điều khiển mờ lai chỉnh định tham số bộ điều khiển PID……... 81 Hình 3.19 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ………………………………………. 82 Bảng 3.20 Xây dựng luật điều khiển …………………………………………………. Hình 3.21 Định nghĩa các biến vào ra của bộ điều khiển mờ PD……………………… 82 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………… 82 Hình 3.24 Định nghĩa các tập mờ cho biến U của bộ điều khiển mờ PD……………. 85 Hình 3.25 Xây dựng các luật cho bộ điều khiển mờ PD…………………………….. Hình 3.26 Bề mặt đặc trƣng cho quan hệ vào ra của bộ điều khiển mờ PD………….. 86 Hình 3.27 Quan sát tín hiệu vào ra bộ điều khiển mờ PD……………………………. 87 Hình 3.28 Sơ đồ mô phỏng bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………………………… 87 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………………………… 89 Hình 3.31 Đáp ứng mômen bộ điều khiển mờ lai PD nối tiếp………………………… Hình 3.32 Sơ đồ mô phỏng đánh giá chất lƣợng bộ điều khiển PID và mờ lai nối tiếp PD….. Hình 3.33 Đáp ứng vị trí với lƣợng đặt =10V…………………………………………… Hình 3.34 Đáp ứng tốc độ với lƣợng đặt =10V…………………………………………. Hình 3.35 Đáp ứng mômen với lƣợng đặt =10V……………………………………….. Hình 3.36 Chất lƣợng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử 89 89 90 91 y= 0,1 sin(ωt) với ω=1 rad/s………………………………………………………….. Hình 3.37 Chất lƣợng 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…………………………………………………………. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 93 Hình 3.38 Sai lệch vị trí bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu thử 93 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……………………………………………………... Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 93 93 95 1 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 nƣớc, ngành công nghiệp hàn đóng một vai trò đặc biệt quan trọng. Hiện nay ở Việt Nam, trong công nghiệp hàn, phƣơng pháp hàn hồ quang tự động đƣợc dùng tƣơng đối phổ biến với ƣu điểm cơ bản là đơn giản, tiện lợi, dễ điều chỉnh để tạo ra những sản phẩm nhƣ mong muốn. Là một kỹ sƣ tƣơng 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 nƣớc nhà, tiến đến các nền công nghiệp tiên tiến của các nƣớc trên thế giới. Sau 2 năm học tập và nghiên cứu tại trƣờng em đƣợc phân đề tài tốt nghiệp là: “NÂNG CAO CHẤT LƢỢNG 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 hƣớng dẫn tận tình của thầy giáo PGS.TS Võ Quang Lạp cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện trƣờng 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 đƣợc 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. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 2 Chƣơng 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 lƣợng 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 lƣợng chi tiết cần hàn trong quá trình chế tạo quyết định xem có nên tự động hóa quá trình hay không. Nếu bình thƣờng 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 đƣợc. 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 đƣợc lập trình hợp lý, các máy hàn tự động sẽ tạo ra những mối hàn y nhƣ nhau trên các vật hàn cùng kích thƣớc và quy cách Chuyển động của mỏ hàn đƣợc tự động hóa sẽ giảm nguy cơ mắc lỗi trong thao tác, do vậy giảm phế phẩm và khối lƣợng 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 đƣợc tự động hóa giải phóng ngƣời 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 thƣờng sử dụng hiện nay là: - Hàn hồ quang tay: Phƣơng pháp đơn giản, dễ sử dụng, đầu tƣ trang thiết bị ít. Tuy nhiên cho năng suất thấp, hồ quang cháy không ổn định do mọi thao tác đều đƣợc thực hành bằng tay, điều kiện làm việc của ngƣời 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 trƣờng khí bảo vệ: Phƣơng pháp này chuyển động cấp dây hàn đƣợc tự động hóa hoàn toàn nhờ nguồn hàn đƣợc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 3 mỏ hàn dọc theo trục mối hàn đƣợc thực hiện bằng tayvà cho năng suất, chất lƣợng mối hàn cao hơn. Tuy nhiên do chỉ mới tự động hóa đƣợc một trong hai chuyển động quyết định đến năng suất và chất lƣợng hàn nên phƣơng pháp này vẫn có những hạn chế nhất định, năng suất hàn chƣa cao, chất lƣợng mối hàn vẫn còn phụ thuộc nhiều vào tay nghề ngƣời thợ hàn, điều kiện lao động vẫn chƣa đƣợc cải thiện về bản chất. - Hàn hồ quang tự động dƣới lớp thuốc: Phƣơng pháp này khắc phục đƣợc các nhƣợc điểm của hai phƣơng pháp hàn kể trên do các chuyển động cấp dây hàn và chuyển động dọc trục mối hàn đƣợc thực hiện hoàn toàn tự động. Năng suất và chất lƣợng mối hàn rất cao, đặc biệt có thể hàn một lần với chiều sâu ngấu lớn. Tuy nhiên phƣơng pháp này chỉ đƣợc 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 đƣợc. Chính vì vậy phƣơng pháp này chỉ đƣợc sử dụng trong trƣờng hợp hàn các mối hàn bằng ( có thể hàn cho mối hàn ngang ) và chỉ thực hiện trong nhà xƣởng, không thích hợp ngoài hiện trƣờng 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 4 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. Ngƣợc 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 hƣớng nâng điện cực lên, còn Uhq có xu hƣớng đẩy que hàn đi xuống.Khi hàn ổn địnhvới công suất hàn xác định ( Ihq xác định ) hay với khoảng cách h thì: U hq Zhq = I hq = const Với Zhq = const thì : =0 Khi mồi (nhắp) Uhq = 0 lúc này điện cực đƣợc 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 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 5 = 0 điện cực dừng lại. Quá trình cứ xảy ra nhƣ vậy cho đến khi không hàn nữa. Cắt điện áphàn ra, điện cực đƣợc đẩy lên I.2.2. Chuyển động lắc que hàn - Với công nghệ hàn đƣợc xác định thì tốc độ chuyển động lắc que hàn cũng là xác định hay vị trí chuyển động của mỏ hàn cũng đƣợc xác định. Chiều dài chuyển động: S = k.V. Ih(1-1) Trong đó : Ih : Dòng điện hàn V : Tốc độ chuyển động k : Hệ số Trong quá trình làm việc, để đảm bảo chiều dài chuyển động S ổn định thì Ih và V phải đƣợc ổn định. - Tùy vào yêu cầu chất lƣợng, ta sử dụng dòng hàn một chiều hay xoay chiều.Dòng hàn một chiều liên tục: Đối với các mối hàn yêu cầu chất lƣợng cao, ta sử dụng dòng hàn một chiều . Đối với các mối hàn yêu cầu chất lƣợng 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 phƣơng 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 trƣợt xuống khi ngắt điện ( tính tụ hãm). * Công suất cần thiết của động cơ truyền động xe hàn di chuyển đƣợc 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 lƣợng của xe hàn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 6 g :Gia tốc trọng trƣờng. Công suất mở máy đƣợc xác định: Pmm = P + m.a.v(1-3) Trong đó: Pmm: Công suất mở máy. a : Gia tốc của xe hàn. v : Vận tốc tối đa của xe hàn. m : Khối lƣợng của xe hàn. Momen xoắn tại trục gây ra bởi trọng lƣợng bản thân máy hàn: Mo = P.r = m.g.r(1-4) Trong đó: m : Khối lƣợng của xe hàn. g : Gia tốc trọng trƣờng Hệ số tải trọng tĩnh C: C = Pmax. fs(1-5) Trong đó: Pmax: Tải trọng lớn nhất (kg) fs : Hệ số an toàn. Làm việc trong điều kiện bình thƣờng. fs = 1 ÷ 1,5 Mức tải trọng động cơ yêu cầu Co: C0yc = Pe.fs (1-6) Trong đó: Pe: Tải trọng trung bình (kg) fs : Hệ số an toàn. Hiệu suất tính toán của vit me bi: 1 η= (1-7) d0.µΠ 1+ Ph Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/ 7 Trong đó: η : Hiệu suất tính toán. do : Đƣờng kính danh nghĩa của trục vit me. Ph: Bƣớc ren. µ = 0,006 Chiều sâu chảy: h1 = + (2 ÷ 3) (mm) (1-8) Trong đó: h1 : Chiều sâu chảy (mm). s : Chiều dày của chi tiết (mm) Cƣờng độ dòng điện: Cƣờng độ dòng điện hàn đƣợc tính theo công thức: Ih = ( 80 ÷ 100).h1 (1-9) Đƣờng kính dây hàn: d = 1.33. (1-10) Trong đó: d : Đƣờng kính dây hàn (mm). Ih : Cƣờng độ dòng điện hàn (A). j : Mật độ dòng điện trong dây hàn (A/mm2). Tốc độ cấp dây đƣợc tính công thức: νd = (1-11) Trong đó: αd : Hệ số đắp của dây (g/Ah) g : Khối lƣợng 1 mét dây hàn (g/m). Dòng điện hàn trong dải thích hợp đƣợc chọn theo đƣờng kính dây hàn, dạng dịch chuyển kim loại và chiều dày kim loại cơ bản, dòng điện quá thấp sẽ dẫn đến hàn không “ ngấu”, dòng điện quá cao sẽ gây bắn tóe, rỗ khí, hình dạng mối hàn kém. Với nguồn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu - ĐHTN http://www.lrc-tnu.edu.vn/