MỤC LỤC Trang
Lời mở đầu…………………………………………………………2
Chương 1: Tổng quan công nghệ tiện……………………………………3
1.1. Đặc điểm công nghệ tiện…………………………… …… 3
1.2. Đặc điểm truyền động chính và truyền động ăn dao ……… 4
1.3. Những yêu cầu và đặc điểm đối với trang bị điện và truyền
động điện máy tiện……………………………………… ….8
Chương 2: Mô hình hóa hệ truyền động hệ F-Đ……………… … 12
2.1. Mô hình hóa hệ F-Đ…………………… ……………… ….12
2.1.1. Mô hình hóa máy phát ………………………………… 12
2.1.2. Mô hình hóa động cơ 1 chiều…………………………… 12
2.1.3. Tổng hợp mạch vòng dòng điện ………………………….15
2.1.4. Tổng hợp mạch vòng tốc độ …………………………… 17
2.2. Khảo sát ổn định hệ thống và khảo sát trên miền D……… 18
2.2.1. Tìm hiểu về miền D……………………………… …… 18
2.2.2. Khảo sát ổn định và xác định các tham số hệ thống…… 23
Chương 3: Tính toán thiết kế mạch điều khiển và sơ đồ lắp ráp………32
3.1 Tính toán thiết kế cho các bộ PID,mạch điều khiển………… 32
3.2 Tổng hợp bộ điều khiển và sơ đồ lắp ráp………………… 39
Kêt luận…………………………………………………………………….42
Tài liệu tham khảo………………………………………………………….43
1
LỜI MỞ ĐẦU
Sự bùng nổ của ngành công nghiệp cơ khí và điện tự động hóa đã đạt những
thành tựu to lớn, đem lại rất nhiều lợi ích trong công việc cũng như nhiều thiết
bị ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau. Mặc dù các máy gia
công kỹ thuật số đang là xu hướng mới của thị trường nhưng đây là những thiết
bị đắt tiền và phức tạp. Do đó các máy gia công kim loại như máy tiện, máy
mài, máy bào giường, máy rèn rập… vẫn là các thiết bị chủ yếu trong việc chế
tạo cơ khí. Nên việc nghiêm cứu, tìm hiểu cải tiến nó là một trong những vấn để
rất được quan tâm hiện nay.

là chuyển động chính, chuyển động di chuyển của 2 dao là
chuyển động ăn dao. Chuyển động ăn dao có thể là ăn dao dọc chi tiết, nếu dao
di chuyển dọc chi tiết ( tiện dọc) hoặc ăn dao ngang, nếu dao di chuyển
ngang(hướng kính) chi tiết. Chuyển động phụ gồm có xiết xá nới xà, trụ , di
chuyển nhanh của dao, bơm nước, hút phôi.
1.2 Đặc điểm truyền động chính và truyền động ăn dao
1.2.1. Phụ tải truyền của cơ cấu truyền động chính
Quá trình thực tiện trên máy tiện được thực hiện với các chế độ cắt khác nhau
đặc trưng bởi các thong số: độ sâu cắt, lượng ăn dao và tốc độ cắt v.
Tốc độ phụ thuộc vật liệu gia công, vật liệu dao, kích thước dao, dạng gia
công, điều kiện làm mát v v theo công thức kinh nghiệm.
VV
yX
m
v
stT
C
v

=
[m/ph]
Với :
t : chiều sâu cắt
s : lượng ăn dao, là độ dịch chuyển của dao khi chi tiết quay được một vòng,
mm/vg.
T : độ bền dao, là thời gian làm việc của dao giữa 2 lần mài dao kế tiếp, ph.
C
V
, x
V

Quá trình xảy ra liên tục với công suất cắt (KW) là hằng số:
P
z
= F
z
.v.10
-3
[KW]
Bởi vì lực cắt lớn nhất F
max
sinh ra khi lượng ăn dao và độ sâu cắt lớn, tương
ứng với tốc độ cắt nhỏ V
min
; còn lực cắt nhỏ nhất F
min
, xác định bởi t, s tương
ứng với tốc độ cắt V
max
, nghĩa là tương đương với hệ thức:
F
max
.V
min
= F
min
.V
max
Sự phụ thuộc của lực cắt vào tốc độ như hình sau:
Hình 1.2.1 Đồ thị phụ tải của truyền động chính máy tiện
Tuy nhiên như đã phân tích, dạng đồ thị phụ tải thực tế của truyền động chính

nhau của hệ số ma sát lúc đứng yên và chuyển động nên moomen cản tĩnh khi
khởi động của truyền động có thể đạt tới 60-80% momen định mức. Vì momen
quán tính tổng qui đổi trực tiếp về trục động cơ có thể đạt tới 8-9 lần momen
quán tính của động cơ nên quá trình khởi động của hệ thống diễn ra chậm với
momen cản tĩnh lớn. Theo mức độ gia tăng tốc độ của động cơ, momen cản tĩnh
sẽ giảm nhanh và khi tốc độ tăng thì nó ít thay đổi.
1.2.3. Phụ tải truyền động ăn dao
Lực ăn dao của truyền động ăn dao được xác định theo công thức:
F
ad
= kF
x
+ F
ms
+ F
d
[N ]
Công suất ăn dao của máy tiện được xác định bằng công thức:
P
ad
= F
ad
.v
ad
. 10
-3
[KW]
6
Công suất ăn dao thường nhỏ hơn công suất cắt 100 lần vì tốc độ ăn dao được
xác định bởi lượng ăn dao và tốc độ góc chi tiết :

v
l
t
3
10.
=
[s]
Trong đó : l chiều dài gia công [mm]

ct
ω
là tốc độ góc chi tiết [rad/s]
s lượng ăn dao [mm/vg]
Từ đó ta có công thức tính thời gian máy:
t
ct
NM
s
l
t
.
ω
=
[s]
Như vậy để giảm thời gian gia công, ta phải giảm thời gian gia công, ta phải
tăng tốc độ cắt và lượng ăn dao và năng suất sẽ tăng.
7
1.3. Những yêu cầu và đặc điểm đối với truyền động điện và trang bị
điện máy tiện
a, Những yêu cầu và đặc điểm chung

v
v
v
D
D
v
D
===
ω
ω
Ở những máy tiện cỡ nhỏ và trung bình, hệ thống truyền động điện chính
thường là động cơ không đồng bộ roto lồng sóc và hộp tốc độ có vài cấp tốc độ.
Ở các máy tiện cỡ nặng, máy tiện đứng, hệ thống truyền động chính điều chỉnh
2 vùng, sử dụng bộ biến đổi động cơ điện 1 chiều ( BBĐ – Đ) và hộp tốc độ ;
khi v< v
gh
đảm bảo M= const; khi v> v
gh
thì P = const. Bộ biến đổi có thể là
máy phát một chiều hoặc bộ chỉnh lưu dùng Thyristor.
*) Truyền động ăn dao : truyền động ăn dao cần phải đảo chiều quay để
đảm bảo ăn dao 2 chiều. Đảo chiều bàn dao có thể thực hiện bằng đảo chiều
động cơ điện dùng khớp ly hợp điện từ. Phạm vi điều chỉnh tốc độ của truyền
động ăn dao thường là D = (50-300)/1 với độ trơn điều chỉnh
ϕ
= 1,06 và 1,21
và momen không đổi ( M= const ).
Ở chế độ làm việc xác lập, độ sai lệch tĩnh yêu cầu nhỏ hơn 5% khi phụ tải
thay đổi từ không đến định mức. Động cơ cần khởi động và hãm êm.Tốc độ di
8

φ
ω
−=−=
Từ phương trình đặc tính cơ trên, có thể thấy có 3 đại lượng có thể được thay
đổi để điều chỉnh tốc độ động cơ, ứng với một giá trị mômen tải đã cho, đó là
các đại lượng: U-điện áp đặt vào phần ứng, R
a
-điện trở mạch phần ứng, và Φ-từ
thông của động cơ. Từ đó dẫn đến 3 phương pháp điều chỉnh tốc độ động cơ một
chiều, xét một cách tổng quát.
Khi thay đổi điện áp phần ứng, chúng ta chỉ thay đổi giá trị ω
0
chứ không
thay đổi độ dốc của đặc tính cơ, do đó các đặc tính cơ ứng với các điện áp phần
ứng khác nhau sẽ là những đường thẳng song song nhau. Thông thường, điện áp
làm việc của động cơ được thay đổi giảm dần từ điện áp định mức (vì lý do an
toàn), do đó các đặc tính cơ sẽ thấp dần kể từ đặc tính cơ tự nhiên (nếu giữ từ
thông định mức và điện trở phần ứng tự nhiên khi thay đổi điện áp phần ứng).
9
ω
ω
0
1
ω
ω
2
U
O
M
U1

sẽ tăng nhưng độ dốc còn tăng nhanh hơn.
10
φ
ω
ω
0
O
M
φ1
φ2
φ3
ω
1
ω
2
Hình 1.3.3. Đồ thị đặc tính khi thay đổi từ thông
11
Chương 2: MÔ HÌNH HÓA HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN SỬ
DỤNG HỆ F-Đ
2.1 Mô hình hóa hệ F-Đ
2.1.1. Mô hình hóa máy phát :
F
E
+
-
+
-
ω
F
=const

R
L
J
=
Mô tả toán học như sau:
KF
(1+pT )
F
K
U
F
F
E
Trong đó:

KF
FK
F
r
CK
K
ω

=
2.1.2 Hàm truyền của động cơ 1 chiều
Mô hình động cơ như sau:
12
E
u
R

=

u
IKM
φ
=

ω
JpMM
C
=−

φω
KE
=
Từ 4 phương trình cơ bản của động cơ một chiều kích từ độc lập ta có sơ đồ
cấu trúc động cơ như sau:
φ
m
K
u
(1+sT )
u
R
1
I
u
1
Jp
K

η
Mô men định mức : M
đm)(13155.9.
4000
10.55
2
60
.
4000
10.55
33
Nm
P
M
đm
đm
đm
====
πω
Có :
dm
dm
u
I
U
R )1(5.0
η

đm
φ
Dòng điện định mức:

)(262
5.0
131
A
K
M
I
đm
đm
đm
===
φ
Điện trở phần ứng: R
ư
14

)(042.0
262
220
)9.01(5.0)1(5.0 Ω=−=−=
đm
đm
u
I
U
R

E =0
+
E
F
F
=U
(1+pT )
KF
K
F
R
I
I
*
i
(1+pT )
K
i
I
U
*
I
Hình 2.1.6 Sơ đồ cấu trúc mạch vòng dòng điện
15
Hàm truyền hệ hở:
S
0i
=
)1)(1)(1.(
.

Đặt T
F
+ T
u
= T
s

 S
oi
=
)1)(1(
1
.
.
isu
iF
pTpTR
KK
++
R
I
=
]1)[(
1
1
0
−
−
chi
FpS

δ
δ
τ
τ
+
++
Chọn T
i
=
δ
τ
Đặt
u
iF
R
KK
δ
τ
.2
= T
N

 R
I
(p) =
PT
pT
N
s
.

s
pTpT
K
pT
pT
pTpT
K
pT
pT
N
N
++
+
+
++
+
Nếu bỏ qua thành phần
0.
2
≈pTT
is
ta có :
S
I
(p)=
)1(
)1)((
)1(
iN
XiN

I
(p) =
1
1
0
+
pT

2.1.4. Tổng hợp mạch vòng tốc độ
Ta có sơ đồ cấu trúc mạch vòng tốc độ như sau:
0
(1+pT )
1
K
(1+pT )
φ
K
m
Jp
1
ω
R
U
*
ω
ω
*
U
ω
d

)(
0
0

ppTpTJ
KK
)1()1(
1
0
ω
ω
φ
++
=
17
Đặt
ω
ω
φ
s
K
J
KK
=

ppTT
K
pS
s
))(1(

)1(
1
)(
pp
ppT
K
pR
N
s
I
δδ
ω
ω
ω
ττ
+
+
=

ω
δ
δω
τ
τ
N
s
pT
p
K
+

)(
2222
++
=
++
=
pppp
pG
NN
ωωδδ
ω
ττττ
2.2. Khảo sát ổn định hệ thống và xác định các tham số trên miền D
2.2.1 Tìm hiểu về miền D
Là phương pháp tìm sự ổn định của hệ thống có tình phức tạp, do Neimark đề ra
năm 1948, nội dung như sau.
*) Mặt giới hạn
Cho phương trình đặc tính của hệ thống điều khiển:
18

0 )(
0
1
10
=+++=
−
apapapA
nn
Tổng quát phương trình này có m nghiệm bên phải và (n-m) nghiệm bên trái
trục ảo. Ứng với một tậ hợp xác định các hệ số a

,
a
3
) có một mặt S nào đó chia không gian thành các miền. Trên mặt phẳng
nghiệm trục ảo p=
ω
j
chia mặt phẳng thành hai miền bên trái ổn định và bên
phải không ổn định thì trong không gian(a
1
, a
2
, a
3
) mặt cong S cũng chia thành
các miền ổn định và không ổn định. Phương trình mặt giới hạn như sau:

0 )()()(
1
10
=+++=
−
n
nn
ajajajA
ωωω
Rõ ràng là miền xác định các thông số biến đổi a
1
,a
2

19
0)()()( =+= pMpNpA
λ
Phương trình giới hạn các miền nếu thay p=
ω
j
:
0)()()( =+=
ωλωω
jMjNjA
)()(
)(
)(
ωω
ω
ω
λ
jVU
jM
jN
+=
−
=
Thông số biến đổi
λ
là một thông số phức
)(
ωλ
j
. Khi đó cho

trên mặt phẳng nghiệm số thì miền bên trái được
gạch sọc là miền ổn định . Như vậy có thể gạch sọc đường cong giới hạn S từ
phía trái từ
−∞=
ω
đến
+∞=
ω
. Không chứng minh nhưng có thể thấy tương ứng
rằng, miền được gạch sọc nhiều lần nhất có thể là miền ổn định.
Sau khi tìm được miền D trên hình vẽ, ta sẽ lấy một điểm bất kì ở trong D
n
để
xác định trị số
λ
. Sau đó lấy
λ
ấy đem thế vào phương trình đặc tính rồi dùng
tiêu chuẩn để xét ứng với
λ
đó hệ thống có thực là ổn định hay không. Nếu xét
λ
đó mà hệ thống ổn định thì có thể khẳng định là miền D
n
là miền ổn định.
*) Chia miền D theo hai thông số biến đổi tuyến tính
20
Giả sử hệ thống có hai thông số
λ
và

ωωω
ωωω
jRRjR
jMMjM
jNNjN
Phương trình (*) sau khi tách thành 2 phương trình biến thực :



=++
=++
0)()()(
0)()()(
222
111
ωωλωδ
ωωλωδ
RMN
RMN
(**)
Nghiệm của hệ phương trình này là :
∆
∆
=
λ
λ

∆
∆
=

R
R
−
−
=∆

)(
)(
2
1
ω
ω
N
N
;
)(
)(
2
1
ω
ω
λ
M
M
=∆

)(
)(
2
1

- Khi
δλ
∆=∆=∆
khi đó hai đường thẳng trong (**) trùng khít lên nhau.
Như vậy ứng với một giá trị
ω
mà các định thức đó triệt tiêu, đường cong
giới hạn không phải xác định bởi một điểm xác định mà là một đường
21
thẳng xác định. Ta gọi đó là đường thẳng đặc biệt hay đường thẳng bổ
sung. Ta cần tìm các đường thẳng đó
+) Ứng với
0
=
ω
thì
δλ
&
có dạng
0
0
Phương trình đặc tính:
0 )(
1
10
=+++=
−
n
nn
apapapA

ωωωω
Như vậy thì hệ số a
n
= 0 trong phương trình đặc tính cũng giống như tần số
ω
=0 trong phương trình đường cong giới hạn S. Vậy phương trình đường
thẳng bổ sung với tần số
0
=
ω
là:
a
n
= 0
+) Ứng với
∞=
ω
thì
δλ
&
có dạng
∞
∞
:
Phương trình đặc tính được viết ở dạng khác :
0
)(

)(
)(

δλ
,
) trục hoành là
λ
, đường cong giới hạn S gạch chéo
bên trái nếu
0>∆
và gạch chéo bên phải nếu
0<∆
theo chiều tăng của
ω
.
22
2- Ứng với
0=
i
ω
(hoặc
∞=
i
ω
), đường thẳng đặc biệt được gạch chéo một
lần cùng phía với đường cong giới hạn đã gạch chéo còn ở nửa còn lại của
nó sẽ được gạch chéo ở phia kia.
3- Ứng với
0≠
i
ω
hoặc (
∞≠

ω
vẽ đường cong

)(
δλ
theo
ω
đã tính.
2- Vẽ các đường thẳng đặc biệt có phương trình a
0
= 0, a
n
=0 .
3- Gạch chéo các đường cong giới hạn và đường thẳng đặc biệt theo
quy tắc đã trình bày.
4- Xác định miền ổn định là miền được gạch chéo toàn vộ và nhiều
lần nhất.
Thử lại bằng cách lấy một điểm trong miền đó rồi xét ổn định và đi
đến kết luận cho cả miền.
2.2.2 Khảo sát ổn định hệ thống và xác định các hệ số cho các cấu trúc
Mô hình động cơ một chiều là mô hình mà các tham số phụ thuộc vào các
thuộc tính của động cơ. Các thuộc tính này là cố định không thay đổi do đó
không có bộ điều khiển nào đó cần điều chỉnh.
Mô hình mạch vòng dòng điện và mô hình mạch vòng tốc độ là những mô
hình mà các tham số trong đó có thể lựa chọn và thay đổi. Do đó ta sẽ khảo sát
hai bộ điều khiển này.
2.2.2.1 Xét ổn định và xác định các tham số cho mạch vòng dòng điện
Đầu ra của mạch vòng dòng điện là hàm theo tiêu chuẩn tối ưu modul có
dạng:
23

Phương trình đặc tính hàm truyền:

01)(
0
=+=
pTpA
Thay
ω
jp =
ta có phương trình đường cong chia miền là:

01)()(
0
=+=
ωω
jTjA

)()(1)(
0
ωωω
jVUjT +=−=
T
0
=
ω
j
1−
=
ωω
j

(ω)
D
0
Hình 2.2.3. Chia miền D cho mạch vòng dòng
24
Theo quy tắc gạch chéo ta gạch phía bên trái của đường thẳng giới hạn ở
phần
ω
từ 0 đến
ω
+
ta được miền D như hình vẽ. Miền D này là miền ổn
định của hệ thống.
Ta kiểm nghiệm lại với 1 giá trị của hệ thống là U(
ω
) = -1 và V(
ω
)=-1 thì
nghiệm của phương trình đặc tính có là một số phức có phần thực âm ( nằm
bên trái mặt phẳng phức). Vậy hệ ổn định trên miền D.
Như vậy ta sẽ tính chọn các tham số có thể lựa chọn vào những giá trị nằm
trong khu vực miền D.
*) Mô phỏng mạch vòng dòng điện
Từ mô hình đã xây dựng ở phần trước ta có các tham số sau:
R
u
= 0.042 (
Ω
)
L

K
ω
T
i
= 0.002 (s)
K
i
= 0.1

004.022
.
)
2
(
0
=====
i
u
iF
u
iF
X
N
R
KK
R
KK
K
T
T