Giáo trình Trang bị Điện, Điện tử trên Máy - Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định

Tìm hiểu chi tiết giáo trình Trang bị Điện, Điện tử trên Máy. Nội dung bao gồm lý thuyết, ứng dụng thực tế, và kiến thức chuyên sâu cho kỹ thuật viên.

• Tác giả: Phạm Văn Chính
• Trường học: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điện
• Đề tài: Trang bị điện, điện tử trên máy
• Loại tài liệu: Giáo trình
• Năm xuất bản: 2011
• Địa điểm: Nam Định

Tóm tắt

I. Tổng quan về giáo trình trang bị điện điện tử trên máy

Giáo trình Trang bị điện, điện tử trên máy là tài liệu giảng dạy chính thức tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Nam Định, do Th.s Phạm Văn Chính và Th.s Phạm Thị Hoa biên soạn năm 2011. Giáo trình được thiết kế cho sinh viên các ngành Công nghệ Tự động, Công nghệ Điện - Điện Tử và Công nghệ Kỹ thuật điện với học phần 2 tín chỉ. Nội dung cung cấp kiến thức nền tảng về phần điện - điện tử của máy gia công kim loại và máy công nghiệp dùng chung. Giáo trình gồm hai chương chính: Trang bị điện - điện tử máy cắt gọt kim loại và Trang bị điện - điện tử máy công nghiệp dùng chung. Tài liệu cập nhật kiến thức mới, gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất. Phương pháp tiếp cận từ tổng quan đến chi tiết giúp sinh viên nắm vững nguyên lý hoạt động, cấu tạo mạch điện và kỹ thuật điều khiển các loại máy công nghiệp phổ biến trong sản xuất.

1.1. Định nghĩa và phạm vi nghiên cứu

Trang bị điện điện tử trên máy là hệ thống các thiết bị, mạch điện và thiết bị điện tử được sử dụng để điều khiển, bảo vệ và vận hành máy gia công kim loại. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phần điện của động cơ truyền động, hệ thống khởi động, điều khiển tốc độ, bảo vệ quá tải và ngắn mạch. Giáo trình tập trung phân tích nguyên lý làm việc của các nhóm máy tiện, bào, khoan, doa, mài và phay. Nội dung涵盖 các loại hệ thống truyền động từ cơ bản đến nâng cao như hệ thống máy phát - động cơ điện một chiều (hệ F-Đ) và hệ thống SCR-D hiện đại.

1.2. Mục tiêu đào tạo và đối tượng sử dụng

Mục tiêu chính của giáo trình là trang bị cho sinh viên kiến thức toàn diện về phần điện - điện tử trong hệ thống máy công nghiệp. Đối tượng sử dụng chủ yếu là sinh viên đại học các ngành kỹ thuật điện, tự động hóa và cơ khí. Giáo trình giúp người học hiểu rõ cấu tạo, nguyên lý hoạt động và cách đọc phân tích mạch điện điển hình. Ngoài ra, tài liệu còn phục vụ kỹ sư sản xuất và nhân viên kỹ thuật trong việc bảo trì, sửa chữa hệ thống điện máy công nghiệp tại nhà máy, xí nghiệp chế tạo cơ khí.

II. Phân tích hệ thống trang bị điện điện tử máy cắt gọt kim loại

Máy cắt gọt kim loại là nhóm máy chủ yếu trong gia công cơ khí, bao gồm máy tiện, máy bào, máy khoan, máy doa, máy mài và máy phay. Mỗi loại máy có đặc điểm công nghệ riêng, đòi hỏi hệ thống trang bị điện phù hợp. Hệ thống truyền động điện phải đáp ứng yêu cầu về công suất, tốc độ quay và mô-men xoắn theo từng chế độ gia công. Lực cắt, tốc độ cắt và công suất cắt là ba tham số cơ bản quyết định lựa chọn động cơ truyền động. Phương pháp chọn công suất động cơ dựa trên phân tích phụ tải của các cơ cấu truyền động điển hình. Điều chỉnh tốc độ là yêu cầu quan trọng nhằm tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Các sơ đồ mạch điện được thiết kế để đảm bảo vận hành an toàn, ổn định và hiệu quả cho từng loại máy cắt gọt kim loại.

2.1. Các nhóm máy gia công kim loại chính

Nhóm máy tiện bao gồm máy tiện ren, tiện trục và tiện vạn năng, sử dụng động cơ DC hoặc AC với hệ thống điều khiển tốc độ phức tạp. Nhóm máy bào giường có đặc điểm chuyển động tịnh tiến qua lại của bàn dao, yêu cầu động cơ công suất lớn và hệ thống hãm cuối chính xác. Nhóm máy khoan có cấu tạo đơn giản hơn với động cơ kéo spindle và hệ thống cấp liệu tự động. Nhóm máy doa dùng để gia công lỗ chính xác cao. Nhóm máy mài yêu cầu tốc độ quay trục chính rất cao, thường dùng động cơ đặc biệt. Nhóm máy phay có nhiều chuyển động phức tạp cần hệ thống truyền động đa dạng.

2.2. Hệ thống truyền động và điều khiển tốc độ

Hệ thống truyền động điện gồm động cơ chính kéo trục spindle và các động cơ phụ trợ cho chuyển động tiến dao, cấp liệu, làm mát. Điều chỉnh tốc độ trong máy cắt gọt nhằm duy trì tốc độ cắt không đổi khi gia công bề mặt có đường kính thay đổi. Phương pháp phổ biến sử dụng biến trở cảm ứng hoặc cảm biến không tiếp điểm để đo đường kính chi tiết. Hệ thống điều khiển tỉ lệ tích phân PI đảm bảo độ chính xác cao. Điện áp phản hồi tỉ lệ với tốc độ góc động cơ được so sánh với điện áp đặt để điều chỉnh tự động. Độ chính xác phụ thuộc vào độ tuyến tính của biến trở và độ ổn định tham số hệ thống.

III. Phân tích mạch điện điển hình và hệ thống bảo vệ máy công nghiệp

Mạch điện máy công nghiệp được thiết kế với nhiều chức năng: khởi động, đảo chiều, hãm, điều chỉnh tốc độ và bảo vệ. Mỗi loại máy có sơ đồ mạch điện đặc trưng phản ánh yêu cầu công nghệ riêng. Máy tiện sử dụng hệ thống khởi động từ với các nút ấn dừng khẩn cấp, công tắc hành trình và rơle bảo vệ quá tải. Máy bào giường Liên Xô kiểu 7112 ứng dụng hệ truyền động máy phát - động cơ điện một chiều (hệ F-Đ) với công suất động cơ chính lên đến 67,5kW. Hệ thống bảo vệ bao gồm cầu chì chống ngắn mạch, rơle nhiệt PT chống quá tải và rơle điện áp bảo vệ cực tiểu. Các mạch liên động đảm bảo thứ tự vận hành an toàn, ngăn ngừa sự cố do thao tác sai. Thiết bị bảo vệ điểm không và hãm cuối bằng công tắc hành trình giúp dừng máy chính xác, bảo vệ thiết bị và người vận hành.

3.1. Cấu trúc mạch điện máy bào giường điển hình

Mạch điện máy bào giường 7112 gồm nhiều động cơ với chức năng riêng biệt. Động cơ kéo máy phát và máy khuếch đại từ trường ngang công suất 40KW, điện áp 220/380V. Động cơ kéo máy kích từ công suất 2,8kW. Động cơ quạt mát công suất 1kW. Động cơ di chuyển bàn dao trên xà và bàn dao hông công suất 1,7kW. Động cơ nới xiết xà công suất 0,6kW. Động cơ DC truyền động bàn chính công suất 67,5kW, điện áp 230V. Hệ thống sử dụng nam châm điện EM nâng đầu dao và khởi động từ để cấp nguồn theo trình tự liên động.

3.2. Hệ thống bảo vệ và liên động an toàn

Bảo vệ ngắn mạch sử dụng cầu chì có dòng định mức phù hợp với từng mạch điện. Bảo vệ quá tải áp dụng rơle nhiệt PT có đặc tính thời gian - dòng phù hợp với đặc trưng làm việc của động cơ. Rơle điện áp 1P thực hiện bảo vệ cực tiểu và bảo vệ điểm không, ngắt mạch khi điện áp nguồn giảm dưới ngưỡng cho phép. Hệ thống liên động đảm bảo động cơ chỉ hoạt động khi các điều kiện an toàn được đáp ứng. Công tắc hành trình KB-1 điều khiển hãm cuối, ngăn bàn dao vượt hành trình cho phép. Thứ tự khởi động được kiểm soát bằng mạch logic relay-contact.

IV. Ứng dụng giáo trình trang bị điện điện tử trong đào tạo kỹ thuật

Giáo trình trang bị điện điện tử trên máy có vai trò quan trọng trong đào tạo kỹ sư kỹ thuật điện và cơ khí. Nội dung giáo trình gắn liền lý thuyết với thực tế sản xuất, giúp sinh viên hiểu rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống điện trong nhà máy. Kiến thức về phân tích mạch điện, điều khiển tốc độ và bảo vệ máy được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp chế tạo. Giáo trình cung cấp nền tảng để người học tiếp cận các hệ thống tự động hóa hiện đại như CNC, PLC và hệ thống điều khiển số. Ứng dụng thực tiễn bao gồm thiết kế hệ thống điện máy công nghiệp, bảo trì sửa chữa và cải tiến nâng cấp thiết bị. Giáo trình cũng phục vụ đào tạo nghề, đào tạo lại công nhân kỹ thuật tại các nhà máy cơ khí. Với nội dung cập nhật và tính thực tiễn cao, giáo trình là tài liệu tham khảo hữu ích cho kỹ sư sản xuất và nghiên cứu khoa học kỹ thuật điện.

4.1. Vai trò trong đào tạo kỹ sư kỹ thuật

Giáo trình trang bị kiến thức nền tảng về hệ thống điện - điện tử máy công nghiệp cho sinh viên ngành Công nghệ Tự động và Điện - Điện Tử. Người học được rèn luyện kỹ năng đọc, phân tích và thiết kế mạch điện điều khiển máy gia công. Nội dung thực tế giúp sinh viên liên kết lý thuyết với ứng dụng trong nhà máy. Giáo trình cũng phát triển tư duy hệ thống, khả năng phân tích sự cố và đề xuất giải pháp kỹ thuật. Đây là hành trang quan trọng cho kỹ sư khi làm việc tại các xưởng sản xuất, phòng kỹ thuật và bộ phận bảo trì công nghiệp.

4.2. Ứng dụng thực tiễn trong sản xuất công nghiệp

Kiến thức từ giáo trình được áp dụng trực tiếp trong thiết kế, lắp đặt hệ thống điện máy gia công kim loại tại nhà máy cơ khí. Kỹ sư sử dụng nguyên lý điều khiển tốc độ để tối ưu hóa quá trình gia công, nâng cao chất lượng sản phẩm. Hệ thống bảo vệ mạch điện giúp giảm thiểu sự cố, kéo dài tuổi thọ thiết bị. Nền tảng về hệ thống F-Đ và điều khiển SCR-D hỗ trợ kỹ sư tiếp cận công nghệ CNC hiện đại. Kiến thức cũng áp dụng cho công tác cải tiến, nâng cấp hệ thống điện máy cũ, tiết kiệm chi phí đầu tư mới cho doanh nghiệp sản xuất.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TRANG BỊ ĐIỆN - ĐIỆN TỬ MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI 1. Khái niệm chung 1. Phân loại máy cắt gọt kim loại Máy cắt gọt kim loại được dùng để gia công các chi tiết kim loại bằng cách cắt hớt các lớp kim loại thừa để sau khi gia công chi tiết có hình dáng gần đúng yêu cầu (gia công thô) hoặc thoả mãn hoàn toàn yêu cầu đặt hàng với độ chính xác nhất định về kích thước và độ bóng cần thiết của bề mặt gia công (gia công tinh). Máy cắt gọt kim loại gồm nhiều chủng loại và rất đa dạng trong từng nhóm máy, nhưng có thể phân loại chúng dựa trên các đặc điểm sau: 1.

Theo đặc điểm quá trình công nghệ Tuỳ thuộc vào quá trình công nghệ đặc trưng bởi phương pháp gia công trên máy, dạng dao cắt, đặc tính chuyển động., các máy cắt gọt kim loại được chia thành một số nhóm máy sau: - Máy tiện - Máy khoan và doa - Máy mài và đánh bóng - Máy phay - Máy liên hợp - Máy gia công ren, răng - Máy bào, máy xọc và máy chuốt - Máy cắt kim loại - Một số máy đặc chủng 2. Theo đặc điểm quá trình sản xuất Theo đặc điểm quá trình sản xuất có thể chia thành: máy vạn năng, máy chuyên dùng và máy đặc biệt. - Máy vạn năng là các máy có thể thực hiện được một số phương pháp gia công khác nhau trên cùng một máy như tiện, khoan, bào. để gia công các chi tiết khác nhau về hình dáng và kích thước.

- Máy chuyên dùng là các máy dùng để gia công các chi tiết có cùng hình dáng nhưng khác nhau về kích thước. - Máy đặc biệt là các máy chỉ thực hiện gia công các chi tiết có cùng hình dáng và kích thước. Theo kích thước và khối lượng chi tiết gia công trên máy Theo kích thước và khối lượng chi tiết gia công trên máy có thể chia thành các nhóm máy sau: - Các máy bình thường có thể gia công các chi tiết có khối lượng tới 10. - Các máy cỡ lớn có thể gia công các chi tiết có khối lượng tới 30.

- Các máy cỡ nặng có thể gia công các chi tiết có khối lượng tới 100. - Các máy siêu nặng có thể gia công các chi tiết có khối lượng lớn hơn 100. Theo độ chính xác gia công Theo độ chính xác gia công có thể chia thành các nhóm máy sau: - Máy có độ chính xác bình thường. - Máy có độ chính xác cao.

- Máy có độ chính xác rất cao. Sơ đồ phân loại các máy cắt gọt kim loại được biểu diễn như hình 1. MÁY CẮT GỌT KIM LOẠI Đặc điểm quá Đặc điểm quá Trọng lượng và Độ chính xác trình công nghệ trình sản xuất kích thước chi gia công tiết Tiện Thường Thường Vạn năng Bào Lớn Doa , Cao Khoan Chuyên dùng Nặng Phay Đặc biệt Rất nặng Rất cao Mài Hình 1. Sơ đồ phân loại máy cắt gọt kim loại.

Các chuyển động và các dạng gia công điển hình trên máy cắt gọt kim loại Trên các máy cắt gọt kim loại có hai loại chuyển động: chuyển động cơ bản và chuyển động phụ. Chuyển động cơ bản là sự di chuyển tương đối của dao cắt so với phôi để thực hiện quá trình cắt gọt. Chuyển động cơ bản được chia thành hai dạng chuyển động: chuyển động chính (chuyển động làm việc) và chuyển động ăn dao. - Chuyển động chính (chuyển động làm việc) là chuyển động thực hiện quá trình cắt gọt kim loại bằng dao cắt.

- Chuyển động ăn dao là chuyển động xê dịch của dao hoặc của phôi (tuỳ thuộc vào chủng loại máy) để tạo ra phôi mới. Chuyển động phụ là những chuyển động không liên quan trực tiếp đến quá trình cắt gọt, chúng cần thiết khi chuẩn bị gia công, nâng cao hiệu suất và chất lượng gia công, hiệu chỉnh máy.Ví dụ như chuyển động nhanh bàn dao hoặc phôi (trong máy tiện), nới - siết xà trên trụ (trong máy khoan cần), nâng hạ xà dao (trong máy bào giường), bôi dầu của hệ thống bôi trơn, bơm nước làm mát. Chuyển động chính và chuyển động ăn dao có thể là chuyển động quay hoặc chuyển động tịnh tiến của dao cắt hoặc của phôi. d n n v n v v a) b) c) n v vt, vn d) e) Hình 1.

Các dạng gia công điển hình trên các máy cắt gọt kim loại: a.2 biểu diễn các dạng gia công điển hình được thực hiện trên máy cắt gọt kim loại. - Gia công trên máy tiện (hình 1.2a): n là tốc độ quay của chi tiết (chuyển động chính); v là vận tốc xê dịch của dao cắt vào chi tiết (chuyển động ăn dao). 6 - Gia công trên máy khoan (hình 1.2b): n là tốc độ quay của mũi khoan (chuyển động chính); v là vận tốc của chuyển động tịnh tiến của mũi khoan vào chi tiết (chuyển động ăn dao). - Gia công trên máy phay (hình 1.2c): n là tốc độ quay của dao phay (chuyển động chính); v là vận tốc của chuyển động tịnh tiến của phôi (chuyển động ăn dao).

- Gia công trên máy mài tròn ngoài (hình 1.2d): n là tốc độ quay của đá mài (chuyển động chính); v là vận tốc của chuyển động tịnh tiến của đá mài vào chi tiết (chuyển động ăn dao). - Gia công trên máy bào giường (hình 1.2e): vt, vn là chuyển động qua lại của bàn (chuyển động chính), chuyển động di chuyển của dao theo chiều ngang của bàn (chuyển động ăn dao). Các tham số đặc trưng cho chế độ cắt gọt trên các máy cắt gọt kim loại Lực cắt và tốc độ cắt phụ thuộc vào các yếu tố của điều kiện gia công như: chiều sâu cắt t, lượng ăn dao s, bề rộng phôi b, độ bền dao cắt T, vật liệu chi tiết,. Chúng được xác định theo các công thức kinh nghiệm ứng với từng nhóm máy.

Tuy nhiên các công thức đó có dạng gần giống nhau nên ta lấy gia công tiện làm ví dụ điển hình. Tốc độ cắt Tốc độ cắt là tốc độ chuyển động dài tương đối của chi tiết so với dao cắt tại điểm tiếp xúc giữa chi chiết và dao. Nó được xác định theo công thức kinh nghiệm:    F C V x  (m/phút) (1. Các thành phần lực tại điểm tiếp xúc giữa chi tiết gia công và dao cắt trong đó: t: chiều sâu cắt (mm); s: lượng ăn dao là độ dịch chuyển của dao khi chi tiết quay được một vòng (mm/vòng); T: độ bền dao là thời gian làm việc của dao giữa hai lần mài dao kế tiếp (phút); Cv, xv, yv, m là hệ số và số mũ phụ thuộc vào vật liệu chi tiết, vật liệu dao và phương pháp gia công.

Lực cắt Trong quá trình gia công, tại điểm tiếp xúc giữa chi tiết và dao có một lực tác dụng Fs , lực này được phân ra thành phần: Lực tiếp tuyến (lực cắt) Fz là lực mà trục 7 chính (truyền động chính) phải khắc phục; lực hướng kính Fy tạo áp lực lên bàn dao; lực dọc trục (lực ăn dao) Fx mà cơ cấu ăn dao phải khắc phục.     F  Fz  Fy  Fx (N) (1.2) Để tính lực cắt ta dùng công thức kinh nghiệm sau: Fz  9,81.3) trong đó: CF, xF, yF, n - hệ số và các số mũ phụ thuộc vào vật liệu chi tiết, vật liệu dao và phương pháp gia công. Các lực Fx, Fy cũng xác định theo công thức tương tự như (1. Khi tính toán sơ bộ, có thể lấy Fx, Fy theo tỉ lệ sau: Fz : Fx : Fy = 1 : 0,4 : 0,25 (1.

Công suất cắt Công suất cắt (công suất yêu cầu của cơ cấu chuyển động chính) được xác định theo công thức: Fz .1000 trong đó: Fz là lực cắt (N) ; v là tốc độ cắt (m/phút). Thời gian máy Thời gian máy là thời gian để gia công chi tiết. Nó còn được gọi là thời gian công nghệ, thời gian cơ bản hoặc thời gian hữu ích. Để tính toán thời gian máy, ta phải căn cứ vào các yếu tố của chế độ cắt gọt và phương pháp gia công.

Ví dụ với máy tiện: L tM  (phút) (1.s trong đó: L là chiều dài hành trình làm việc (mm); n là tốc độ quay của chi tiết (vòng/phút).v Nếu thay vào (1.6) giá trị n  ta có:  .s trong đó: d là đường kính chi tiết gia công (mm).7) ta thấy muốn tăng năng suất máy (giảm t), phải tăng tốc độ cắt và lượng ăn dao. Do đó người ta áp dụng phương pháp cắt tốc độ cao. Phụ tải của động cơ truyền động các cơ cấu điển hình 1. Các hệ truyền động thường dùng trong máy cắt gọt kim loại Đối với chuyển động chính của máy tiện, khoan, doa, phay… với tần số đóng cắt điện không lớn, phạm vi điều chỉnh tốc độ không rộng thường dùng hệ truyền động với động cơ điện không đồng bộ rôto lồng sóc.

Điều chỉnh tốc độ trong các máy đó thực hiện bằng phương pháp cơ khí dùng hộp tốc độ. Đối với một số máy khác như : máy tiện rơvonve 1H318, máy doa ngang 2620A, máy xọc răng 5B161…(do Nga chế tạo) yêu cầu phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng hơn, hệ truyền động trục chính dùng hệ truyền động với động cơ điện không đồng bộ hai hoặc ba cấp tốc độ. Quá trình thay đổi tốc độ thực hiện bằng cách thay đổi sơ đồ đấu dây quấn stato của động cơ để thay đổi số đôi cực với công suất duy trì không đổi. Đối với một số máy như máy bào giường, máy mài tròn, máy doa toạ độ và hệ truyền động ăn dao của một số máy yêu cầu : - Phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng.

- Đảo chiều quay liên tục. - Tần số đóng - cắt điện lớn. thường dùng hệ truyền động một chiều (hệ máy phát - động cơ điện một chiều, hệ máy điện khuếch đại- động cơ điện một chiều, hệ khuếch đại từ - động cơ điện một chiều và bộ biến đổi tiristor - động cơ điện một chiều) và hệ truyền động xoay chiều dùng biến tần. Phụ tải của động cơ truyền động các cơ cấu điển hình trong máy cắt gọt kim loại a.

Cơ cấu truyền động chính Trong truyền động chính các máy cắt gọt kim loại, lực cắt là lực hữu ích, nó phụ thuộc vào chế độ cắt (t, s, v), vật liệu chi tiết và dao. Đối với chuyển động chính là chuyển động quay như ở máy tiện, phay, khoan, doa và máy mài, mô men trên trục chính của máy được xác định theo công thức: Fz .8) 2 trong đó: Fz là lực cắt (N); d là đường kính của chi tiết gia công (m). Mômen hữu ích trên trục động cơ là: M z Fz .