LUẬN VĂN ĐIỆN TỬ ĐIỀU KHIỂN CÁNH TAY MÁY

GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 2 Lời nói đầu. Hiện nay robot được sử dụng ở khắp mọi nơi, trong các ngành công nghiệp nặng, trong các nhà máy lắp ráp ôtô (hàn, sơn, gắp nhả), trong gia đình (robot hút bụi, robot lau bể bơi), trong y khoa, trong quân đội, trong lĩnh vực không gian, thám hiểm đại dương, trong giải trí… Sử dụng robot để thực hiện công việc 4A trong môi trường 4D. 4A có nghĩa là: Automation, Augmentation, Assistance, Autonomous. 4D có nghĩa là: Dangerous, Dirty, Dull, Difficult. Robot làm việc thay thế cho con người ở những nơi mà con người có thể gặp nguy hiểm, đồng thời robot có một số phẩm chất làm việc vượt trội mà con người không thể có được. Nhận thấy tầm quan trọng của cánh tay máy robot trong lĩnh vực điều khiển tự động nên chúng em đã tham gia xây dựng đồ án “Điều khiển cánh tay máy” nhằm vận dụng những kiến thức đã học trong việc nghiên cứu và điều khiển tay máy. Đồng thời đây cũng là sản phẩm hữu ích cho những sinh viên khóa sau có cơ hội học tập và nghiên cứu về chuyên ngành tự động hóa nói chung và cánh tay máy nói riêng. Vì thời gian thực hiện quá gấp nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót đáng tiếc, kính mong quý thầy cô và các bạn góp ý để đồ án hoàn thiện hơn. Chúng em xin chân thành gởi lời cảm ơn đến: Thầy Trần Văn Trinh đã hết sức giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi cho nhóm thực hiện tốt đề tài. Các bạn trong lớp đã giúp đỡ nhóm trong lúc gặp khó khăn. Quang Việt, Văn Đại. GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Chữ ký giáo viên: Th.s Trần Văn Trinh. Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 3 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN: Chữ ký của giáo viên: Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 4 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Mục Lục Chương I. Lý thuyết liên quan. 3.5 Khối cầu H 42 Chương I Lý thuyết liên quan. 1. Động cơ DC. Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM. Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 5 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng. ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống . Hình 1.1 Một số loại động cơ trên thực tế. 1.1 Cấu tạo. Một động cơ DC có 6 phần cơ bản: − Phần ứng hay Rotor (Armature). − Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet). − Cổ góp (Commutat). − Chổi than (Brushes). − Trục motor (Axle). − Bộ phận cung cấp dòng điện DC. Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tốc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu. Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 6 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Hình 1.2: Cấu tạo động cơ điện một chiều. Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thống chổi than – vành góp. Chức năng của chổi than – vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa có cực từ âm, một nửa có cực từ dương). Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều: E = K Φ. W (1) V = E + Ru.Iu (2) M = K Φ Iu (3) Với: − E: sức điện động cảm ứng (V). − Φ: Từ thông trên mỗi cực( Wb). − Iu: dòng điện phần ứng (A). − V : Điện áp phần ứng (V). − Ru: Điện trở phần ứng (Ohm). − W : tốc độ động cơ (rad/s). − M : moment động cơ (Nm). − K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ. 1.2 Nguyên lý hoạt động. Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh phía bên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây, và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng với 1/2 chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 o so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Tương tác Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 7 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện từ. Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục. Hình 1.3: Nguyên lý hoạt động của động cơ DC. Momen điện từ được tính theo công thức:. Trong đó: p: số đôi cặp cực. n: số thanh dẫn phần ứng dưới một cực từ. a: số mạch nhánh song song của dây quấn phần ứng. k: hệ số kết cấu của máy Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Rô to. 1.3 Điều khiển tốc độ động cơ DC. Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó, và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện. Có nhiều phương pháp để thay đổi tốc độ động cơ DC, ở đây ta sử dụng phương pháp điều khiển thông dụng nhất là kiểu điều biến độ rộng xung (PWM), có nghĩa là ta cấp áp cho động cơ dưới dạng xung với tần số không đổi mà chỉ thay đổi Ton và Toff. Từ (1),(2). (3) suy ra: W = V/(K.Φ) – Ru.Iu/(K.Φ) (4) Theo (4) : khi Iu không đổi (tức Moment không đổi) và Φ không đổi thì W thay đổi "tuyến tính" theo V (thực tế thì không hoàn toàn tuyến tính theo đường thẳng được). Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 8 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Hình 1.4: Điều khiển động cơ bằng PWM. Khi tỷ lệ thời gian "on" trên thời gian "off" thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung bình (V AV ). Tỷ lệ phần trăm thời gian "on" trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V. V AV thay đổi từ V L đến V H tùy theo các độ rộng T on và T off Như vậy, tốc độ động cơ sẽ thay đổi "tuyến tính" theo % độ rộng xung. 2. Encoder. Encoder mục đích dùng để quản lý vị trí góc của một đĩa quay, để đo tốc độ và chiều quay của thiết bị, đĩa quay có thể là bánh xe, trục động cơ, hoặc bất kỳ thiết bị quay nào cần xác định vị trí góc. Dựa trên nguyên tắc cảm biến ánh sáng với một đĩa có khắc vạch sáng tối quay giữa nguồn sáng và phototransistor (đối với encoder quang) hoặc là hiện tượng cảm ứng điện từ (đối với encoder từ). Ở đây ta chỉ đề cập tới encoder quang. Encoder được chia làm 2 loại, absolute encoder và incremental encoder. Tạm dịch là encoder tuyệt đối và encoder gia tăng. Ở đây ta chỉ nghiên cứu về loại incremental encoder. Hình 1.5: Một số loại encoder trên thị trường. 2.1 Cấu tạo chính của Encoder. Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 9 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Gồm 1 bộ phát ánh sáng (LED phát), một bộ thu ánh sáng nhạy với ánh sáng từ bộ phát (bộ thu thường là photodiotde hoặc phototransistor), 1 đĩa quang có khoét lỗ gắn trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với trục quay của đối tượng cần đo tốc độ. Hình 1.6: Cấu tạo thực tế của encoder. Hình 1.7: Cấu trúc đĩa và mắt đọc. Một encoder thường có các dây sau: − Dây cấp nguồn (+5V) cho encoder. − Dây nối đất (GND). − Dây pha A – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)). − Dây pha B – tín hiệu ra theo độ phân giải (1 vòng/N xung (N từ vài chục lên đến vài nghìn xung tuỳ theo độ phân giải)), pha B chậm pha hơn pha A 90 o . Thường tuỳ theo trạng thái pha nhanh hay chậm của 2 pha này ta xác định chiều quay của đối tượng, để từ đấy bộ đếm đếm tiến hoặc đếm lùi. Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 10 GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Hình 1.8: Dạng sóng ngõ ra của LED thu. Ngoài ra một số encoder còn có dây pha z, ta thu được một xung từ pha z khi đĩa encoder quay 1 vòng. Hình 1.9: Cấu tạo đĩa quay trong encoder. 2.2 Nguyên lý cơ bản. Encoder thực chất là một đĩa tròn xoay, quay quanh trục. Trên đĩa có các lỗ (rãnh). Dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay, chỗ không có lỗ (rãnh), đèn led không chiếu xuyên qua được, chỗ có lỗ (rãnh), đèn led sẽ chiếu xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, đặt một con mắt thu. Với các tín hiệu có, hoặc không có ánh sáng chiếu qua, ta ghi nhận được đèn led có chiếu qua lỗ hay không. Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Số lỗ trên đĩa sẽ quyết định độ chính xác của thiết bị đo. Ví dụ có 1 lỗ tức là khi quay được 1 vòng thì bộ thu sẽ thu được 1 xung, nếu đĩa khoét N lỗ có nghĩa 1 vòng thu được N xung. Như vậy khi đo tốc độ, ta đếm số xung trong 1 đơn vị thời gian, từ đó tính được số vòng trên 1 đơn vị thời gian (hoặc có thể đo chu kì xung). Nếu đo tốc độ cao thì số lỗ khoét càng nhiều càng chính xác. Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 360 0 A B Z 11 [...]... chuyên ngành 33 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Tại đây ta đặt tên biến và vùng địa chỉ cần truy xuất Ta thực hiện như thế với tất cả các biến cần liên kết, cuối cùng ta được các biến liên kết như sau Đồ án chuyên ngành 34 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt 2 Thiết kế giao diện điều khiển trên WinCC... bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang 4(B) Cửa nối điều khiển 14(Z 2(A) 0 1 ) Cửa 1nối với cửa 4 Cửa xả khí có mối 5(S) nối cho ống dẫn Đồ án chuyên ngành 12(Y) Cửa nối điều khiển Cửa 1nối với cửa 2 3(R ) 1(P) 30 Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn Nối với nguồn khí nén Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Hình 1.28: Ký hiệu và tên gọi của van... tra từ bên trong Hình 1.20: Các bit điều khiển cho các HSC và các chức năng của chúng cho từng chế độ Các Bit được sử dụng để điều khiển các chế độ của HSC: - HDEF Control Bits(used only when HDEF is executed) Chọn mức tích cực cho việc reset, start và chế độ đếm Đồ án chuyên ngành 21 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh HSC0 HSC1 HSC2 HSC4 SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Description... 35 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Nhấp chuột phải vào OPC Group và chọn System Parameter Chọn Local và chọn S7200.OPCServer Lúc này, ta thiết lập trạng thái cho các biến, ta chọn Read access và Write access và nhấn Next Tiếp theo nhấp Browse Server Kết quả đạt được như sau 2.2 Thiết kế giao diện cho wincc Đồ án chuyên ngành 36 Điều khiển cánh tay. .. SMW68 SMW70 SMD72 Đồ án chuyên ngành Q0.1 SMW78 SMW80 SMD82 Chức năng Xác định chu kì thời gian Xác định chu kì phát xung Xác định số xung điều khiển 24 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Ngoài ra để thực hiện được điều xung nhiều trang thái của xung thì còn dùng nhiều đến lệnh ngắt ATCH: Bit EN : tín hiệu cho phép thực hiện lệnh ATCH INT : Chương trình... Cấu trúc của PLC  Đối với loại CPU 224 DC/DC/DC: − Điện áp cấp cho nguồn: 24VDC − Ngõ vào tích cực mức cao: 24VDC − Ngõ ra tích cực mức cao: 24VDC Đồ án chuyên ngành 13 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Hình 1.13: Sơ đồ khối của CPU224DC 3.2.2 Nguyên lý hoạt động  Đơn vị xử lý trung tâm CPU điều khiển các hoạt động bên trong PLC Bộ xử lý sẽ đọc và... xung tốc độ cao (PWM,PTO) CPU S7_200 có 2 ngõ ra xung tốc độ cao (Q0.0 ,Q0.1), dùng cho việc điều rộng xung tốc độ cao nhằm điều khiển các thiết bị bên ngoài Việc điều rộng xung được thực hiện thông qua việc định dạng Wizard Có 2 cách điều rộng xung: điều rộng xung 50% (PTO) và điều rộng xung theo tỉ lệ (PWM)  Điều rộng xung 50% (PTO) Để thực hiện việc phát xung tốc độ cao ( PTO) trước hết ta phải thực... cửa P nối với cửa R Khi cuộn Y mất điện, do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu Ưu nhược điểm của khí nén: Ưu điểm: − Không gây ô nhiễm môi trường − Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp Đồ án chuyên ngành 31 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt − Hệ thống... định thời, đếm, ghi các Relay  Các ngõ vào ra I/O Đồ án chuyên ngành 14 Điều khiển cánh tay máy GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Các đường tín hiệu từ các cảm biến được nối vào các modul (các đầu vào của PLC), các cơ cấu chấp hành được nối nối với các modul ra (các đầu ra của PLC) Hầu hết các PLC có điện áp hoạt động bên trong là 5V, tín hiệu xử lý là 12/24VDC hoặc 100/240VAC... truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại: * Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy) * Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc thiết bị) − Van đảo chiều Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng . cánh tay máy robot trong lĩnh vực điều khiển tự động nên chúng em đã tham gia xây dựng đồ án “Điều khiển cánh tay máy” nhằm vận dụng những kiến thức đã học trong việc nghiên cứu và điều khiển tay. GVHD: ThS Trần Văn Trinh SVTH: Trần Văn Đại – Lê Quang Việt Đồ án chuyên ngành Điều khiển cánh tay máy 2 Lời nói đầu. Hiện nay robot được sử dụng ở khắp mọi nơi, trong các ngành công nghiệp nặng,. sinh viên khóa sau có cơ hội học tập và nghiên cứu về chuyên ngành tự động hóa nói chung và cánh tay máy nói riêng. Vì thời gian thực hiện quá gấp nên đồ án không thể tránh khỏi những thiếu sót