- Truyền động chính xác. - Truyền động tốc độ cao. - Truyền động công suất lớn. - Ảnh hƣởng của đàn hồi đến phần cơ của hệ thống truyền động. - Ảnh hƣởng của ma sát trong hệ thống truyền động. - Ảnh hƣởng của khe hở trong hệ thống truyền động. - Xây dựng mô hình toán học theo các đặc trƣng ăn khớp của cặp bánh răng.. - Cấu trúc điều khiển hệ truyền động có khe hở. - Sơ đồ khối của hệ truyền động qua bánh răng. - Mô phỏng hoạt động của bánh răng. - Mô phỏng quan hệ giữa các mô men trong hệ bánh răng. - 79 TÀI LIỆU THAM KHẢO Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung DANH MỤC HÌNH Hình 1.1: Một số hệ truyền động có khe hở. - 7 Hình 1.4: Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động. - 14 Hình 1.9: Mô hình ăn khớp bánh răng. - 16 Hình 1.10: Mô hình cặp bánh răng ăn khớp đúng. - 17 Hình 1.11: Mô hình cặp bánh răng ăn khớp trùng. - 18 Hình 1.12: Mô hình cặp bánh răng ăn khớp tại tâm ăn khớp P. - 19 Hình 1.13: Mô hình truyền động bánh răng phẳng. - 20 Hình 1.14. - Sơ đồ truyền động. - Hình 1.15b. - 26 Hình 1.17: Sơ đồ cấu trúc điều khiển hệ truyền động bánh răng. - 43 Hình 2.6: Hình 2.7. - 59 Hình 3.1: Sơ đồ khối của hệ truyền động qua bánh răng. - 63 Hình 3.2 Hệ truyền động qua bánh răng thực tế. - 63 Hình 3.3: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng. - 64 Hình 3.4: Đặc tính tốc độ của bánh răng chủ động và bị động. - 64 Hình 3.5: Sơ đồ mô phỏng quan hệ mô men của cặp bánh răng. - Sơ đồ cấu trúc hệ thống truyền động. - 71 Hình 3.10. - 72 Hình 3.11: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động qua bánh răng khi sử dụng. - 73 Hình 3.12: Đặc tính quá độ của hệ truyền động bánh răng khi sử dụng PID kinh điển. - 74 Hình 3.13. - 76 Hình 3.16: Sơ đồ mô phỏng hệ truyền động bánh răng khi sữ dụng điều khiển mờ thích nghi. - 77 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung Hình 3.17: Đặc tính quá độ của hệ truyền động bánh răng khi sử dụng điều khiển mờ thich nghi. - 77 Hình 3.18: Đặc tính tốc độ của hệ truyền động qua bánh răng khi sử dụng PID kinh điển và khi sử dụng điều khiển mờ thích nghi. - 78 Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Ngày nay kỹ thuật điều khiển tốc độ động cơ điện đã đạt đƣợc những tiến bộ đáng kể xong vẫn không thể thay thế đƣợc cơ cấu bánh răng vì ngoài chức năng điều chỉnh tốc độ cơ cấu bánh răng còn đảm nhận một vài chức năng khác nhƣ thay đổi chiều chuyển động quay sang chuyển động tịnh tiến, tăng mô men quay để kéo máy sản xuất… Hệ truyền động qua bánh răng hiện nay đƣợc ứng dụng rộng rãi trong thực tế, chúng là các bộ phận quan trọng thuộc phần cơ của các thiết bị, máy móc, trong các dây truyền sản xuất công nghiệp, các loại máy sản xuất nói chung. - Đặc điểm của hệ truyền động có bánh răng là một hệ phi tuyến với các tham số thay đổi và không đƣợc biết trƣớc. - Trong hệ truyền động bánh răng, sự truyền động đƣợc thực hiện nhờ ăn khớp của các bánh răng trên bánh răng hoặc thanh răng. - Truyền động bánh răng đƣợc sử dụng trong nhiều loại máy và cơ cấu khác nhau để truyền chuyển động quay từ trục này sang trục khác hoặc để biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và ngƣợc lại, chúng có những ƣu điểm nhƣ khả năng truyền lực lớn, hệ số có ích lớn và truyền động êm. - Truyền động bánh răng là những cơ cấu quan trọng trong ôtô, máy kéo, động cơ đốt trong, máy công cụ, máy nông nghiệp, ngƣời máy, cần cẩu và nhiều thiết bị khác…Phạm vi tốc độ và truyền lực của bánh răng rất lớn. - Các giảm tốc bánh răng có khả năng truyền công suất tới hàng chục nghìn KW. - Tốc độ vòng của bánh răng trong các cơ cấu truyền chuyển động tốc độ cao có thể đạt tới 150m/s. - Trong truyền động bánh răng Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 2 thƣờng có bánh răng chủ động, bánh răng bị động và một vài bánh răng trung gian. - Sử dụng bánh răng có thể truyền đƣợc chuyển động quay giữa các trục song song với nhau, chéo nhau hoặc vuông góc với nhau tùy theo yêu cầu của các hệ, các máy sản xuất. - Tuy nhiên trên thực tế trong các hệ thống truyền động có bánh răng còn tồn tại nhƣợc điểm là giữa bộ phận chủ động và bộ phận bị động luôn tồn tại một khe hở nhất định (có độ dơ, trễ giữa các chuyển động) do lỗi chế tạo hoặc do ma sát bị mài mòn trong quá trình làm việc. - bề mặt các thanh răng luôn chịu lực do va đập, chịu tác dụng của lực đàn hồi…Các nguyên nhân đó dẫn đến các bánh răng không đảm bảo các điều kiện ăn khớp đã nêu ở trên, làm giảm chất lƣợng hệ, có sai lệch trong truyền động, giảm độ chính xác đối với các hệ điều khiển vị trí. - Để khắc phục nhƣợc điểm này trƣớc đây ngƣời ta thƣờng dùng các biện pháp cơ học nhƣ nâng cao độ chính xác khi chế tạo bánh răng, sử dụng các bánh răng có biên dạng phù hợp… Các giải pháp này cần một chi phí lớn và không thể khắc phục hết đƣợc. - Để hạn chế ảnh hƣởng và khắc phục nhƣợc điểm này, trƣớc đây ngƣời ta thƣờng dùng các biện pháp cơ học nhƣ nâng cao độ chính xác khi chế tạo bánh răng, sử dụng các bánh răng có biên dạng phù hợp, tìm cách giảm nhỏ khe hở, thay thế các cơ cấu đã bị mài mòn, dơ bằng cơ cấu mới… Các giải pháp này cần một chi phí lớn và không thể khắc phục hết đƣợc. - Nghiên cứu thiết kế bộ điều khiển áp dụng riêng một cách cụ thể để nâng cao chất lƣợng cho hệ truyền động điện có bánh răng là một đề tài khá mới mẻ nhƣng rõ ràng đây là một vấn đề cần thiết vì nhƣ đã phân tích ở trên, hệ truyền động qua bánh răng hiện nay đƣợc sử dụng rất phổ biến ở các thiết bị máy móc, trong sản xuất, trong hầu hết các lĩnh vực y tế, quân sự, các ngành khoa học kỹ thuật nói chung. - Khi hệ có sử dụng bánh răng thì đƣơng nhiên hệ sẽ bị ảnh hƣởng xấu do tồn tại khe hở, ma sát, đàn hồi của đối tƣợng cơ khí làm giảm chất lƣợng, làm việc kém chính xác và thậm chí là mất ổn định. - Ở luận văn này tác giả nghiên cứu và mô tả các ảnh hƣởng ngẫu nhiên của cơ cấu bánh răng (đại diện cho truyền động có khe hở) đến chất lƣợng của hệ thống truyền động điện, đồng thời đề xuất các phƣơng pháp sử dụng bộ điều khiển mờ thích nghi góp phần khắc phục những ảnh hƣởng đó, mặt khác với những kết quả đƣa ra có thể làm cơ sở cho những nghiên cứu tiếp theo nhằm tìm ra các giải pháp mới trên cơ sở ứng dụng các phƣơng pháp điều khiển hiện đại để nâng cao chất lƣợng hệ truyền động có bánh răng. - Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 4 CHƢƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ TRUYỀN ĐỘNG CÓ KHE HỞ Giới thiệu Hệ truyền động có khe hở là một hệ truyền động phi tuyến đƣợc sử dụng rất rộng rãi trong thực tế nhƣ các truyền động có bánh răng, truyền động đai, truyền động xích, truyền động vít – đai ốc, truyền động trục vít - bánh răng, vv…… Trong hệ bánh răng, sự truyền động đƣợc thực hiện nhờ ăn khớp của các bánh răng trên bánh răng hoặc thanh răng. - Truyền động bánh răng đƣợc sử dụng trong nhiều loại máy và cơ cấu khác nhau để truyền chuyển động quay từ trục này sang trục khác và để biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến và ngƣợc lại. - Truyền động bánh răng là những cơ cấu quan trọng trong ô tô, máy kéo, động cơ đốt trong, máy công cụ, máy nông nghiệp, ngƣời máy, cần cẩu và nhiều thiết bị khác…. - Phạm vi tốc độ và truyền lực của bánh răng rất lớn. - Trong truyền động bánh răng thƣờng có bánh răng chủ động, bánh răng bị động và một vài bánh răng trung gian. - Sử dụng bánh răng có thể truyền đƣợc chuyển động quay giữa các trục song song với nhau, chéo nhau hoặc vuông nhau. - Hình 1.1: Một số hệ truyền động có khe hở Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 5 1.1. - CÁC YÊU CẦU CƠ BẢN CỦA HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG Theo chức năng sử dụng truyền động hệ bánh răng có các yêu cầu khác nhau, cụ thể nhƣ sau: 1.1.1. - Truyền động chính xác Trong xích động học của máy cắt kim loại và dụng cụ đo truyền động bánh răng cần có độ chính xác động học cao. - Ví dụ nhƣ truyền động bánh răng của xích phân độ trong máy gia công răng hoặc đầu phân độ vạn năng…Trong các truyền động này bánh răng thƣờng có truyền động nhỏ. - Truyền động tốc độ cao Trong các hộp tốc độ của động cơ máy bay, ô tô, tuốc bin… Bánh răng của truyền động thƣờng có module trung bình, chiều dài răng lớn, vận tốc vòng của bánh răng có thể đạt tới hơn 120- 150 m/s. - Bánh răng làm việc trong điều kiện nhƣ vậy sẽ phát sinh rung động và ồn. - Yêu cầu của nhóm truyền động này là “Mức chính xác truyền động êm” có nghĩa là bánh răng truyền động ổn định, không có sự thay đổi tức thời về tốc độ, gây va đập và ồn. - Bánh răng của truyền động thƣờng có module và chiều dài răng lớn. - Ví dụ: truyền động bánh răng trong máy cán thép, nghiền lanh ke (xi măng), trong cơ cấu nâng hạ nhƣ cầu trục, ba lăng…Yêu cầu chủ yếu của các truyền động này là “Mức tiếp xúc mặt răng” lớn, đặc biệt là tiếp xúc theo nhiều dài răng. - Độ hở mặt bên Đối với bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng cần phải có độ hở mặt bên giữa các mặt răng phía không làm việc của cặp bánh răng ăn khớp. - Nhƣ vậy đối với bất kỳ truyền động bánh răng nào cũng phải có 4 yêu cầu: mức chính xác động học, mức chính xác làm việ êm, mức chính xác tiếp xúc và độ hở mặt bên. - NHỮNG ẢNH HƢỞNG TÁC ĐỘNG ĐẾN HỆ TRUYỀN ĐỘNG QUA BÁNH RĂNG Hệ truyền động qua bánh răng luôn chịu ảnh hƣởng tác động của lực đàn hồi, ma sát, khe hở…Những tác động này đã làm xấu đi đặc tính động, dẫn đến giảm chất lƣợng hệ. - Ảnh hưởng của khe hở trong hệ thống truyền động Đối với hệ thống truyền động qua bánh răng, ngoài sự ảnh hƣởng của đàn hồi, ma sát đã đƣợc đề cập ở trên còn phải kể đến sự ảnh hƣởng của khe hở bởi lẽ Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 13 giữa bộ phận chủ động và bộ phận bị động giữa các bánh răng luôn tồn tại một khe hở nhất định. - Khi xuất hiện các khe hở, nói cách khác là có độ dơ, trễ giữa các chuyển động, làm sai lệch truyền động, giảm độ chính xác đối với các hệ điều khiển vị trí, khe hở có thể làm giảm tuổi thọ của các chi tiết cơ khí, phát ra tiếng ồn, gây rung động, sự ổn định và hiệu suất của hệ thống thay đổi… Các hệ bánh răng khác nhau đều có đặc điểm, tính chất, ứng dụng ở các loại máy móc khác nhau. - NHỮNG ĐẶC TRƢNG ĂN KHỚP CỦA CẶP BÁNH RĂNG Đối với phần lớn cơ cấu bánh răng dùng trong kĩ thuật, yêu cầu chủ yếu là đảm bảo truyền chuyển động quay với tỉ số truyền cố định. - Hình 1.9: Mô hình ăn khớp bánh răng Điểm P cố định nói trên, đƣợc gọi là tâm ăn khớp. - Trên hai bánh răng hai vòng tròn đó tiếp xúc nhau tại P, tâm tƣơng ứng là O1và O2. - Khi hai bánh răng đó ăn khớp hai vòng tròn đó lăn và không trƣợt lên nhau. - Hai vòng tròn đó đƣợc gọi là các vòng lăn của cặp bánh răng đối tiếp. - Để đảm bảo hai bánh răng ăn khớp với tỉ số truyền cố định (còn đƣợc gọi là ăn khớp đều) thì các cặp biên dạng đối tiếp của hai bánh răng phải liên tục kế tiếp nhau vào tiếp xúc trên vòng ăn khớp. - Điều kiện ăn khớp đúng Cặp bánh răng ăn khớp đúng nếu bƣớc răng trên vòng lăn của chúng bằng nhau (hình 1.10): tL1= tL2 (1.23) Trong đó: tL1 là cung 1211KK: là bƣớc răng trên vòng lăn của bánh răng thứ nhất. - tL2 là cung 1222KK: là bƣớc răng trên vòng lăn của bánh răng thứ hai. - Hình 1.10: Mô hình cặp bánh răng ăn khớp đúng Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 18 1.3.2. - Khi thiết kế bánh răng thông thƣờng đòi hỏi. - Hình 1.11: Mô hình cặp bánh răng ăn khớp trùng Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 19 1.3.3. - Điều kiện ăn khớp khít Nhƣ ta đã biết, đối với các bánh răng thông thƣờng mỗi răng có hai biên dạng đối xứng nhau. - Khi các điều kiện ăn khớp đúng và ăn khớp trùng đƣợc đảm bảo, cặp bánh răng sẽ ăn khớp đều nếu biên dạng làm việc không đổi phía. - Nếu vì một nguyên nhân nào đó, biên dạng làm việc đổi phía, ví dụ nhƣ vận tốc của bánh dẫn bị giảm đột ngột hoặc vận tốc của bánh dẫn bị tăng đột ngột do tác động của ngoại lực, muốn cặp bánh răng ăn khớp đều còn phải đảm bảo điều kiện ăn khớp khít. - Hình 1.12: Mô hình cặp bánh răng ăn khớp tại tâm ăn khớp P Giả sử có một cặp bánh răng đang ăn khớp tại tâm ăn khớp P (hình 1.12). - Nếu bánh răng 1 là bánh dẫn quay theo chiều kim đồng hồ thì đƣờng ăn khớp là k. - Hai bánh răng đƣợc gọi là ăn khớp khít nếu hai bánh răng ăn khớp không có khe hở biên dạng. - Điều kiện ăn khớp khít là trên vòng lăn chiều dày của bánh răng này phải bằng chiều rộng của bánh kia, nghĩa là: sL1= wL2. - wL2, wL1: Chiều rộng rãnh của bánh răng thứ 1 và thứ 2. - Trong thực tế có rất nhiều nguyên nhân khác nhau khiến cơ cấu bánh răng trong hệ thống truyền động điện không thỏa mãn các điều kiện ăn khớp đã nêu ở trên. - Trong đó phải kể đến quá trình thay đổi tốc độ hoặc đảo chiều quay theo yêu cầu công nghệ của máy sản xuất, quá trình bị mài mòn của cặp bánh răng ăn khớp, sự biến dạng của ổ, trục… 1.4. - Xây dựng mô hình toán học theo các đặc trưng ăn khớp của cặp bánh răng Để xây dựng mô hình toán học của truyền động có khe hở, xét mô hình truyền động bánh răng phẳng nhƣ hình 1.13: Hình 1.13: Mô hình truyền động bánh răng phẳng Luận văn tốt nghiệp Chuyên ngành Điều khiển & Tự động hóa Nguyễn Thùy Dung 21 Bánh răng 1 có trục đƣợc nối cứng với trục động cơ điện đƣợc gọi là bánh răng chủ động, quay với tốc độ góc 1 (hoặc n1). - Bánh răng 2 có trục nối với máy sản xuất gọi là bánh răng bị động quay với tốc độ góc 2 (hoặc n2). - Các thông số đƣợc giả thiết nhƣ sau: r10= 50 mm: Bán kính thiết kế của hai bánh răng 1. - r20= 100 mm: Bán kính thiết kế của hai bánh răng 2. - r1, r2: Bán kính thực của bánh răng 1 và 2 (bán kính chế tạo). - δ1, δ2 : Sai số giữa bán kính thiết kế và bán kính thực của bánh răng 1 và bánh răng 2. - Xét tỉ số truyền giữa các cặp bánh răng r-δ r -δr==r r -δδr 1-r
Xem thử không khả dụng, vui lòng xem tại trang nguồn hoặc xem
Tóm tắt