MỞ ĐẦU Trong thực tế sản xuất hiện nay, chuyển động thẳng là dạng chuyển động phổ biến, xuất hiện nhiều, đặc biệt trong ĩnh vực cơ h. Xuất phát từ công nghiệp chế tạo máy với những dịch chuyển của àn gá, ũi hoan,… trong các áy gia công cho đến sự ra đời của áy CNC đã dẫn đến nhu cầu đòi hỏi tạo ra chuyển động thẳng có chất ƣợng cao. Ngoài ra những chuyển động thẳng này còn tồn tại nhiều trong các thiết bị hác nhƣ Robot công nghiệp hay máy móc phục vụ ngành công nghiệp bán dẫn,… và n còn xuất hiện ở cả những ĩnh vực tƣởng chừng xa lạ nhƣ ngành giao thông vận tải với tàu đệm từ trƣờng ở các nƣớc phát triển (Đức, Nhật,. Cho đến nay việc tạo ra các chuyển động thẳng hầu hết đƣợc thực hiện một cách gián tiếp thông qua các động cơ quay tròn với những ƣu thế nhƣ ền vững, không nhạy với nhiễu, độ tin cậy cao,… Tuy nhiên đối với những hệ thống này do phải bổ sung các cơ cấu chuyển đổi trung gian nhƣ hộp số, trục v t,… nên dẫn đến sự phức tạp về kết cấu cơ h , tiềm ẩn bên trong nó những dao động riêng, tổn hao năng ƣợng cũng nhƣ ảnh hƣởng đến chất ƣợng chuyển động của hệ thống.
Việc sử dụng loại động cơ c hả năng tạo chuyển động thẳng trực tiếp (động cơ tuyến tính) cho phép loại bỏ những nhƣợc điểm nói trên và những nghiên cứu về loại động cơ này hy vọng sẽ phần nào khắc phục đƣợc những đặc điể đ. Xuất phát từ thực tế nêu trên, nhóm tác giả đã đề suất và thực hiện đề tài “Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống xác định chính xác vị trí của động cơ tuyến tính trong các hệ thống chuyển động thẳng”.Tính khoa học và cấp thiết của đề tài Động cơ tuyến tính là một giải pháp công nghệ mới hiện đƣợc ứng dụng nhiều trong sản xuất công nghiệp, ứng dụng trong gia công cắt gọt, tạo hình bề mặt phức tạp nhƣ áy gia công CNC và cả giao thông vận tải (dùng ở loại tàu đệm từ cao tốc). So với truyền động cơ h iểu truyền thống, giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính có nhiều ƣu điể hơn, chẳng hạn nhƣ c thể đạt đƣợc mức dịch chuyển với tốc độ cao; giảm ma sát trong truyền động; có tuổi thọ rất dài… Hiện nay, tại các nƣớc phát triển, giải pháp công nghệ động cơ tuyến t nh đƣợc sử dụng rất phổ biến. Mặc dù có nhiều ƣu điểm về t nh năng, hiệu quả khi sử dụng nhƣng do giá 2 thành còn khá cao nên giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính vẫn chƣa c ặt ở Việt Nam.
Một ĩnh vực ứng dụng quan trọng khác của hệ truyền động động cơ tuyến tính là sự tham gia của nó trong các máy Robot gia công các bề mặt phức tạp của các miếng vá sọ não, các bề mặt khớp gối, khớp vai… trong y học. Các hƣớng nghiên cứu nêu trên đề thuộc các định hƣớng nghiên cứu trọng điểm quốc gia của nhà nƣớc. Với giải pháp công nghệ động cơ tuyến tính ứng dụng trong các máy gia công cắt gọt, tạo hình bề mặt phức tạp nhƣ áy gia công CNC, robot, nhằm nâng cao độ chính xác trong gia công, thì yêu cầu về điều khiển chính xác vị trí của động cơ tuyến tính là vấn đề mấu chốt. Vấn đề này đã đƣợc các hãng sản xuất nƣớc ngoài thực hiện tốt, nhƣng ở Việt Na thì chƣa c hang sản xuát nào snar xuất động cơ tuyến t nh cũng nhƣ thiết bị điều khiển nó.
Vì vậy, đề tài đƣợc đặt ra với mục đ ch tạo ra sản phẩ trong nƣớc, là thiết bị “cơ sở” sử dụng để chế tạo các máy gia công cắt gọt, tạo hình bề mặt phức tạp nhƣ áy gia công CNC, ro ot, nhằ nâng cao độ ch nh xác trong gia công cơ h công nghệ cao. Mục tiêu của đề tài Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống xác định chính xác vị trí của động cơ tuyến tính trong các hệ thống chuyển động thẳng 3. Đối tƣợng, phạm vi nghiên cứu - Đối tƣợng nghiên cứu Động cơ tuyến t nh đồng bộ a pha ch th ch vĩnh cửu và hệ thống xác định chính xác vị trí của động cơ tuyến tính đồng bộ a pha ch th ch vĩnh cửu trong các hệ thống chuyển động thẳng. -Phạm vi nghiên cứu Mạch động lực, mạch điều khiển và thuật toán điều khiển cho hệ thống xác định chính xác vị tr động cơ tuyến tính trong các hệ thống chuyển động thẳng 4.
Cách tiếp cận và phƣơng pháp nghiên cứu - Cách tiếp cận 3 Tính toán thiết kế xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính và mô hình thí nghiệm; thiết kế chế tạo hệ thống thực và thử nghiệm trên hệ thống thực. - Phƣơng pháp nghiên cứu Sử dụng phƣơng pháp phân t ch, tổng hợp, so sánh và đánh giá :Nghiên cứu tài liệu về thiết kế, chế tạo các động cơ tuyến tính, về các phƣơng pháp điều khiển động cơ tuyến tính; tìm hiểu, phân t ch, đánh giá ột số hệ thống điều khiển vị trí động cơ tuyến t nh đã c trên thế giới để thiết kế hệ thống xác định vị trí phù hợp với điều kiện trong nƣớc về sản xuất và ứng dụng. Mô hình hóa và mô phỏng để kiểm tra khả năng à việc và chỉ tiêu kỹ thuật của thiết bị (hệ thống) đã thiết kế; Chế tạo, thử nghiệm thiết bị thực đã chế tạo. ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH VÀ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ HỆ TRUYỀN ĐỘNG SỬ DỤNG ĐỘNG CƠ TUYẾN TÍNH 1.
Lịch ử phát triển của động cơ t ến t nh Từ nă 1840, Char es Wheastone đã ô tả động cơ điện tuyến t nh (còn gọi à động cơ truyền động thẳng) ở Viện Hoàng Gia London, tuy nhiên động cơ này chƣa đƣợc triển hai trong thực tế. Nă 1905 A fred Zehden ở Fran furt-a -Main đã ô tả động cơ điện tuyến t nh trong truyền động tàu thủy, thang áy. Nă 1935 ỹ sƣ ngƣời Đức Her ann Ke per đã xây dựng ô hình động cơ tuyến t nh. Mãi đến nă 1947, Eric Laithwaite, ột ỹ sƣ điện ngƣời Anh, đã sử dụng động cơ điện tuyến t nh trong hệ thống truyền động áy dệt công nghiệp.
Nghiên cứu của Laithwaite đã nhận đƣợc sự quan tâ của các nhà hoa học. Công trình này đƣợc Viện nghiên cứu Hoàng Gia Anh công nhận vào những nă 60 của thế XX với tên gọi: Máy điện của tƣơng ai. Cấ tạo và phân loại động cơ t ến t nh Để hiểu rõ hơn về động cơ tuyến tính ta có thể hình dung ra một động cơ quay tròn bất kỳ nào, hi tăng án nh của động cơ đến vô cùng, sẽ thu đƣợc hình ảnh rotor và stator song song với nhau (hình 1. Trong chuyển động tƣơng đối khi chọn gốc tọa độ gắn với hệ quy chiếu nào ta sẽ suy ra đƣợc chuyển động tƣơng đối của thành phần còn lại so với gốc tọa độ.
Với quan điể nhƣ vậy động cơ tuyến tính sẽ gồm hai thành phần: Thành phần thứ nhất nhận dòng năng ƣợng điện đi tới (phần sơ cấp), thành phần thứ hai à dòng năng ƣợng đƣa ra dƣới dạng cơ năng (phía thứ cấp). Từ quan điểm trên ta có thể thấy với động cơ tuyến tính phần tạo chuyển động thẳng có thể là phần stator hay phần rotor của áy điện quay truyền thống, từ đ tạo ra những động cơ tuyến t nh tƣơng ứng. Nguyên chuyển đổi từ động cơ quay sang động cơ tuyến t nh Từ nguyên cơ ản trên, động cơ tuyến t nh đƣợc phát triển với cấu tạo hác nhau tƣơng ứng dựa vào mục đ ch sử dụng. Ban đầu động cơ tuyến tính chủ yếu đƣợc sử dụng cho hệ thống giao thông vận tải.
Hiện nay động cơ tuyến t nh đƣợc sử dụng để thay thế một hệ thống sử dụng động cơ quay và các thiết bị cơ h để tạo ra một chuyển động tuyến tính (thẳng) trực tiếp. Theo cấu trúc hình học, động cơ tuyến t nh đƣợc chia thành 2 oại ch nh: dạng phẳng và dạng ống. Theo nguồn ch th ch, động cơ tuyến t nh c thể chia thành 4 oại ch nh: Động cơ ột chiều tuyến t nh, động cơ đồng ộ tuyến t nh, động cơ hông đồng ộ tuyến t nh, động cơ ƣớc tuyến t nh. Phân oại động cơ tuyến t nh 6 Ngoài ra, thực tế cho thấy tùy theo những ứng dụng cụ thể à động cơ tuyến t nh còn đƣợc phân oại nhƣ sau: - Động cơ c stator dạng răng ƣợc.
Động cơ tuyến t nh c stator dạng răng ƣợc - Động cơ cơ stator dạng dài: Chiều dài của phần cung cấp thƣờng lớn hơn nhiều lần phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trƣờng hợp thì phần kích thích chính là phần chuyển động. Động cơ tuyến t nh c stator dài - Động cơ c stator dạng ngắn: Chiều dài của phần cung cấp ngắn hơn (hoặc bằng) phần kích thích (cảm ứng), đa số trong các trƣờng hợp thì phần cung cấp chính là phần chuyển động. Động cơ tuyến t nh c stator ngắn Dựa vào số trục di chuyển, động cơ tuyến t nh c hai oại: 7 - Loại 1 trục. Động cơ tuyến t nh 1 trục - Loại 2 trục.
Động cơ tuyến t nh 2 trục Trong số các động cơ tuyến tính ở trên, theo tài liệu [32], lực đẩy của loại động cơ tuyến tính đồng bộ ba pha ch th ch vĩnh cửu là lớn nhất, mặt khác, trong các loại động cơ tuyến tính đồng bộ ch th ch vĩnh cửu : dạng phẳng đơn, dạng phẳng có kết cấu răng ƣợc và dạng ống thì dạng phẳng đơn dễ chế tạo hơn, giá thành rẻ hơn, do đ đề tài sẽ chọn đối tƣợng à động cơ tuyến tính đồng bộ kích th ch vĩnh cửu dạng phẳng đơn. Để hiểu rõ hơn về cấu tạo của động cơ tuyến t nh đồng bộ ch th ch vĩnh cửu dạng phẳng đơn, bảng 1.1 đƣa ra so sánh giữa các phần chuyển động và cố định của động cơ đồng bộ a pha ch th ch vĩnh cửu quay tròn và động cơ tuyến tính đồng bộ ch th ch vĩnh cửu dạng phẳng đơn. So sánh về cấu tạo giữa động cơ đồng bộ kích th ch vĩnh cửu (ĐB- KTVC) và động cơ tuyến t nh iểu đồng bộ ch th ch vĩnh cửu (ĐCTT ĐB-KTVC) Loại ĐC Đ -KTVC ĐCTT Đ -KTVC ộ phận Mạch từ và dây quấn 3 Na châ vĩnh cửu cực ẩn hoặc cực lồi Phần chuyển pha trải phẳng, chuyển gắn trên lõi thép có dạng khối trụ tròn động động tịnh tiến (chuyển chuyển động quay quanh một trục.