Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: DOCX | Số trang:107

Thêm vào BST

Báo xấu

3
lượt xem 1
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật "Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động" trình bày các nội dung chính sau: Giới thiệu tổng quan về máy hàn tự động; Khảo sát và tính toán hệ truyền động điều khiển truyền động xe hàn máy hàn tự động; Khảo sát tính toán hệ điều khiển truyền động ổn định vị trí xe hàn.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật: Nâng cao chất lượng hệ điều khiển truyền động xe hàn của máy hàn tự động

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 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 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 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 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 LƯỢNG 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 lượng đặt là = 10 V III.3.3.2 Mô phỏng với lượng 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
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
DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT STT Ký hiệu Diễn giải nội dung đầy đủ 1 BTKĐB~3 pha Biến tần không đồng bộ xoay chiều ba 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 Hệ số biến đổi của bộ điều khiển số dòng điện 9 Kω Hệ số của khâu lấy tín hiệu tốc độ
DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ Hình 1.1 Sơ đồ hệ truyền động dịch cực……………………………………………….. Trang Hình 1.2 Sơ đồ khối hệ truyền động cho xe hàn…………………………………….. 4 Hình 1.3 Sơ đồ động học rôbot hàn tự động………………………………………….. 9 Hình 1.4 Sơ đồ khối tổng thể hệ thống điều khiển vị trí các trục……………………… 13 Hình 1.5 Lưu sơ đồ chức năng chương trình……………………………………......... 15 Hình 1.6 Cơ cấu hệ thống điều khiển Servo robot hàn tự hành 4 trục……………….. 18 Hình 1.7 Mô hình cơ cấu robot hàn tự hành………………………………………… 19 Hình 1.8 Cơ cấu chuyển động của các khớp robot hàn………………………………. 20 Hình 1.9 Cơ cấu chuyển động của khớp robot……………………………………….. 21 Hình 1.10 Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động……………………………………… 23 Hình 2.1: Sơ đồ khối hệ truyền động biến tần động cơ……………………………….. 25 Hình 2.2.a: Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp không đổi………………………. 26 Hình 2.2.b Đặc tính cơ khi thay đổi tần số, điện áp (U/f = const)……………………. 27 Hình 2.3 Sơ đồ nghịch lưu độc lập nguồn áp 3 pha………………………………….. 28 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…………………………………… 30 Hình 2.6 Trạm PLC máy gạt phôi……………………………………………………. 31 Hình 2.7 Sơ đồ cấu trúc module điều khiển PID……………………………………… Hình 2.8 Thuật toán điều khiển PID…………………………………………………. 34 Hình 2.9 Đặc tính đo máy phát tốc 1 chiều…………………………………………... 37 Hình 2.10 Mạch đo tốc độ bằng máy phát tốc xoay chiều 3 pha…………………….. 38 Hình 2. 11 Sơ đồ điều khiển vector của hệ truyền động BT KĐC ~ 3pha……………. 39 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).. 41 Hình 2.14 Hệ tọa độ quy đổi (α,β) tựa theo từ thông rotor (d,q)……………………… 43 Hình 2.15 Sơ đồ nguyên lý hệ thống điều khiển vector động cơ KĐB bằng thiết bị biến tần………………………………………………………………………………… 46 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 47 KĐB……………………………………………………………………………………. Hình 2.18 Sơ đồ cấu trúc rút gọn hệ thống điện sử dụng biến tần và động cơ KĐB…. 48 Hình 2.19. Sơ đồ cấu trúc mạch vòng điều chỉnh dòng điện………………………… 49 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 ………………………………… 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……………………………… 57 Hình 2.27 Tốc độ động cơ ở tần số 50 Hz…………………………………………….. 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…………………………….. 60 Hình 2.31 Tốc độ đặt vào động cơ ở tần số 50 Hz có tải……………………………. 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………………………………….. 63 Hình 2.36 Mômen của động cơ ở tần số 15 Hz có tải………………………………… 64 Hình 2.37 Hệ thống điều khiển kết nối với Win CC…………………………………... 65 Hình 2.38 Mô hình thực nghiệm………………………………………………… 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 69 pha……………………………………………………………………………………… 70 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….. 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 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……………….. 73 Hình 3.11 ví dụ chọn dữ liệu vào/ra…………………………………………………… 73 Hình 3.12. Hệ điều khiển mờ theo luật I………………………………………………. 75 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……………………………………………………… 77 Hình 3.16 Mô hình bộ điều khiển mờ lai kinh điển…………………………………… 79 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……... 80 Hình 3.19 Cấu trúc bên trong bộ chỉnh định mờ………………………………………. 81 Bảng 3.20 Xây dựng luật điều khiển …………………………………………………. 82 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……………. 82 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……………. 82 Hình 3.25 Xây dựng các luật cho bộ điều khiển mờ PD…………………………….. 85 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……………………………. 86 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…………………………… 87 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………………………… 89 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…………………………………………… 89 Hình 3.34 Đáp ứng tốc độ với lượng đặt =10V…………………………………………. 89 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 90 y= 0,1 sin(ωt) với ω=1 rad/s………………………………………………………….. 91 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…………………………………………………………. 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 93 y= 0.1 sin(ωt) với ω=10 rad/s………………………………………………………… 93 Hình 3.40 Chất lượng 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 lượng bám của bộ điều khiển PID và mờ nối tiếp PID với tín hiệu 95 thử y= 1 sin(ωt) với ω=10rad/s……………………………………………………...
12 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.
13 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
14 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
15 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 U hq 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 = = 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 U hq càng giảm đến khi = 0 điện cực dừng lại.
16 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) 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 I h và V phải được ổn định. - Tùy vào yêu cầu chất lượng, ta sử dụng dòng hàn một chiều hay xoay chiều.Dòng hàn một chiều liên tục: Đối với các mối hàn yêu cầu chất lượng cao, ta sử dụng dòng hàn một chiều . 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.
17 g :Gia tốc trọng trường. Công suất mở máy được 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 lượng của xe hàn. Momen xoắn tại trục gây ra bởi trọng lượng bản thân máy hàn: Mo = P.r = m.g.r(1-4) Trong đó: m : Khối lượng của xe hàn. g : Gia tốc trọng trường 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 thường. 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
18 Trong đó: η : Hiệu suất tính toán. do : Đường kính danh nghĩa của trục vit me. Ph: Bước 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) Cường độ dòng điện: Cường độ dòng điện hàn được tính theo công thức: Ih = ( 80 ÷ 100).h1 (1-9) Đường kính dây hàn: d = 1.33. (1-10) Trong đó: d : Đường kính dây hàn (mm). Ih : Cường độ dòng điện hàn (A). j : Mật độ dòng điện trong dây hàn (A/mm2). Tốc độ cấp dây được tính công thức: νd = (1-11) Trong đó: αd : Hệ số đắp của dây (g/Ah) g : Khối lượng 1 mét dây hàn (g/m). Dòng điện hàn trong dải thích hợp được chọn theo đường 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 hàn có đặc tính thoải, cường độ dòng điện hàn tỉ lệ thuận với tốc độ cấp dây( như công
19 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: φ = M = const (1-12) Trong đó: M: Hằng số. q : Công suất hữu ích của hồ quang. vh : Vận tốc hàn. 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 I h. vh = N = const. Do đó: νh =N/Ih (m/h) (1-13) Điện áp hàn: Theo đường kính dây hàn và cường độ dòng điện hàn đã xác định ta có thể tính điện áp hàn như sau: 50. 10-3 Uh = 20 +________ . Ih (1-14) d0.5 Trong đó: Uh: Điện áp hàn (V). d : Đường kính dây hàn (mm). Ih : Cường độ dòng điện (A). Tính năng lượng đường:
20 0.24.Uh.Ih.η qd = (1-15) νh Trong đó: qd : Năng lượng đường (j/cm). νh : Vận tốc hàn (cm/s). Uh: Điện áp hàn (V). Ih: Cường độ dòng điện hàn (A). η : Hệ số hữu ích của hồ quang hàn. Như trên đã phân tích thì tíchI h. 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 ν h 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. + Điều chỉnh trơn.