Điều khiển robot scara dùng mạng servo kết hợp camera

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG MẠNG SERVO KẾT HỢP CAMERA GVHD: Th.S LÊ HOÀNG LÂM SVTH: NGUYỄN TRỌNG QUANG SKL009123 Tp.Hồ Chí Minh, tháng 8/2022 BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CLC  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG MẠNG SERVO KẾT HỢP CAMERA SVTH: NGUYỄN TRỌNG QUANG MSSV: 18151107 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA GVHD: ThS LÊ HỒNG LÂM BỘ GIÁO DỤC & ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CLC  ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA Đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG MẠNG SERVO KẾT HỢP CAMERA SVTH: NGUYỄN TRỌNG QUANG MSSV: 18151107 Khóa: 2018 Ngành: CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HĨA GVHD: ThS LÊ HỒNG LÂM TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CLC ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o -Tp HCM, ngày tháng năm 2022 NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN TRỌNG QUANG MSSV: 18151107 Chuyên ngành: Cơng Nghệ Kỹ thuật Điều khiển Tự động hóa Hệ đào tạo: Đại học quy Khóa: 2018 – 2022 Lớp: 18151CL3B I TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG MẠNG SERVO KẾT HỢP CAMERA II NHIỆM VỤ: Các tài liệu ban đầu: - Tài liệu PLC Mitsubishi Q06UDEHCPU - Tài liệu Motion CPU QD172DS - Tài liệu động servo driver MR-J4-B Mitsubishi - Tài liệu camera cognex Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu CPU Mitsubishi, CPU motion, Driver điều khiển servo - Kết nối Driver MR-J4 điều khiển động servo - Tính tốn động học cho robot Scara - Kết nối viết chương trình CPU motion với Driver MR-J4 điều khiển robot - Tìm hiểu phương thức giao tiếp camera với PLC - Xây dựng phần khí cho mơ hình - Lập trình điều khiển robot chạy theo ứng dụng - Viết báo cáo III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 03/2022 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 06/08/2022 V GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN: Th.S LÊ HOÀNG LÂM GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CLC ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o -Tp HCM, ngày tháng năm 2022 LỊCH TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ tên sinh viên: NGUYỄN TRỌNG QUANG MSSV: 18151107 Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG MẠNG SERVO KẾT HỢP CAMERA Tuần Xác nhận GVHD Nội dung Xét duyệt đề tài đề cương Tìm hiểu sơ lược hệ thống, động cơ, driver Tìm hiểu điều khiển động Servo, điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ Tìm hiểu mạng quản lý động Servo –SSCNET III/H Tìm hiểu chương trình SFC Viết chương trình điều khiển tốc độ, vị trí động Tìm hiểu camera Tính tốn, thiết kế phần khí Hồn thành phần khí.Tính tốn động học robot 10 Tính tốn thiết kế phần điện 11 Hoàn thành phần điện 12 13 Viết chương trình điều khiển hồn chỉnh cho mơ hình 14 Kiểm tra giải thuật, sửa lỗi 15 Hồn thành mơ hình, viết báo cáo GV HƯỚNG DẪN (Ký ghi rõ họ tên) TRƯỜNG ĐẠI HỌC SPKT TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM KHOA ĐÀO TẠO CLC ĐỘC LẬP – TỰ DO – HẠNH PHÚC BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN o0o -Tp HCM, ngày tháng năm 2022 PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ tên sinh viên: NGUYỄN TRỌNG QUANG MSSV: 18151107 Chuyên ngành: Công Nghệ Kĩ thuật Điều khiển Tự động hóa Khóa: 2018 – 2022 Lớp: 18151CL3B Giáo viên hướng dẫn: Th.S LÊ HOÀNG LÂM Tên đề tài: ĐIỀU KHIỂN ROBOT SCARA DÙNG MẠNG SERVO KẾT HỢP CAMERA Ý KIẾN NHẬN XÉT Nhận xét chung nội dung đề tài Ý kiến kết luận (ghi rõ nội dung cần bổ sung, hiệu chỉnh) Đề nghị : Được bảo vệ:  Điểm đánh giá đề tài: Bổ sung để bảo vệ:  Không bảo vệ:  /10 (Bằng chữ: ) TP HCM, ngày tháng năm 2022 Người nhận xét TRƯỜNG ĐH SPKT TP HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN-ĐIỆN TỬ BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN CỘNG HÒA Xà HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM ĐỘC LẬP - TỰ DO - HẠNH PHÚC o0o -Tp HCM, ngày tháng năm LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam kết đề tài tự thực dựa vào số tài liệu trước khơng chép từ tài liệu hay cơng trình có trước Người thực đề tài i LỜI CẢM ƠN Trong thời gian làm đồ án tốt nghiệp, em nhận nhiều giúp đỡ, đóng góp ý kiến bảo nhiệt tình thầy cơ, gia đình bạn bè Em xin cảm ơn tới thầy cô trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật dạy tạo môi trường học tập cho em suốt năm học, nhờ giúp em tích lũy nhiều kiến thức để hoàn thành Đồ án tốt nghiệp Đặc biệt, em xin cảm ơn thầy Lê Hoàng Lâm tận tình hướng dẫn, bảo hướng tiếp cận giúp em chỉnh sửa thiếu sót q trình làm đồ án Mặc dù cịn thiếu sót nhờ giúp đỡ thầy giúp em hoàn thiện mơ hình Một lần xin chân thành cảm ơn đến người xung quanh, gia đình, người thân, bạn bè thầy cô bên cạnh, ủng hộ em đường học tập, làm việc tìm hướng tương lai ii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii MỤC LỤC BẢNG BIỂU v MỤC LỤC HÌNH ẢNH vi CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề 1.2 Mục tiêu 1.3 Giới hạn đề tài 1.4 Nội dung CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Lý thuyết PLC 2.1.1 Giới thiệu PLC 2.1.2 Cấu trúc PLC 2.1.3 Đặc điểm PLC 2.1.4 Ứng dụng PLC 2.2 Lý thuyết servo 2.2.1 Khái niệm 2.2.2 Phân loại 2.2.3 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 2.2.4 Ứng dụng 2.3 Lý thuyết encoder 10 2.3.1 Khái niệm 10 2.3.2 Cấu tạo nguyên lí hoạt động 11 2.3.3 Phân loại 12 2.3.4 Ứng dụng 14 2.4 Lý thuyết điều khiển servo 14 iii 2.5 Lý thuyết camera 16 2.5.1 Khái niệm ảnh camera 16 2.5.2 Đặc điểm 17 2.5.3 Ứng dụng 18 2.5.4 Camera Cognex In-sight Micro 1100 20 2.6 Lý thuyết robot 21 2.6.1 Giới thiệu robot 21 2.6.2 Ứng dụng robot 22 2.6.3 Robot Scara 23 2.6.4 Động học robot scara 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG 29 3.1 Yêu cầu hệ thống 29 3.2 Thiết kế hệ thống 30 3.2.1 Phần khí 30 3.2.2 Phần điện 35 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN 61 4.1 Phần mềm điều khiển 61 4.1.1 Giới thiệu 61 4.1.2 Các thiết lập ban đầu 61 4.2 Giải thuật điều khiển 64 4.2.1 Mô tả hoạt động 64 4.2.2 Giải thuật điều khiển 64 Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 72 5.1 Kết 72 5.2 Nhận xét 74 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 75 6.1 Kết luận 75 6.2 Hướng phát triển 75 TÀI LIỆU THAM KHẢO 76 iv Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Để khơng tốn thời gian cho việc thao tác lập trình sử dụng câu lệnh để di chuyển giá trị liệu sang vùng nhớ PLC ta phải định dạng liệu In-sight Explorer truyền vào địa vùng nhớ share PLC để dễ dàng thực lập trình chuyển động cho robot Hình Định dạng địa vùng nhớ 4.2 Giải thuật điều khiển 4.2.1 Mô tả hoạt động Mơ hình hoạt động chế độ: chế độ tay chế độ tự động + Chế độ tay: người điều khiển điều khiển trục robot cách nhập tốc độ vị trí mong muốn, giá trị tọa độ điểm cuối cấu chấp hành hiển thị hình dựa vào tính tốn động học thuận + Chế độ tự động: để chạy chế độ phải thiết lập thông số ban đầu tốc độ vitme, vị trí home bàn vitme camera Sau thiết lập kiểm tra xong nhấn nút Auto, robot chạy gắp vật bàn vitme di chuyển có tín hiệu trả từ camera dựa theo tính tốn chương trình động học nghịch xếp vật theo thứ tự bàn đặt cố định 4.2.2 Giải thuật điều khiển Lưu đồ giải thuật điều khiển gắp xếp vật: BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 64 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN Hình Lưu đồ thuật tốn gắp xếp vật BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 65 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 4.2.2.1 Giải thuật camera Ảnh đầu vào camera trả giá trị pixel nên bước cần phải hiệu chuẩn thông số chiều dài chiều rộng theo phương pháp hiệu chuẩn tỉ lệ để nhận giá trị với thực tế với cách làm sau: đưa vào checker hình bàn cờ có kích thước 5mm*5mm vào khung hình quét camera cho chiều dài chiều rộng khung hình camera trùng với đường vng góc bàn cờ sau quan sát tính chiều dài chiều rộng khung hình theo mm từ suy pixel tương ứng với mm ngồi thực tế Hình Bàn cờ dùng để hiệu chuẩn tỉ lệ Hình 10 Kết sau hiệu chuẩn tỉ lệ Ứng dụng mơ hình xếp kí tự nên sử dụng tool PatMax Pattern phần mềm để train kí tự Sau train chức Patmax Pattern giúp người dùng xác định tọa độ, góc thay đổi vật có nét đặc trưng giống với vật mẫu train từ trước BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 66 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Do vùng chụp hình camera bị lệch so với phương ngang nên sau có thơng số vật cần phải thơng qua số bước tính tốn hình học để xác định tọa độ gốc camera hệ tọa độ robot sau tìm giá trị theo phương song song với hướng di chuyển bàn vitme gửi đến PLC Mô tả tốn xác định tọa độ gốc khung hình hệ robot: ta phải chọn vị trí home cho camera cho vật bàn vitme phải qua vùng chụp hình camera Sau đưa vật vào vùng chụp hình camera, lúc camera trả tọa độ x, y phần mềm theo đơn vị mm hiệu chỉnh từ trước Tiếp theo jog trục 1, trục trục để cấu cuối trùng với vị trí vật, hình HMI hiển thị giá trị tọa độ x, y điểm cuối hệ tọa độ robot tính động học thuận Từ giá trị thơng qua tính tốn ta xác định tọa độ gốc khung hình camera Trong đó: + ABCD vùng chụp hình camera với A({§ , |§ ) gốc khung hình + N({ă , |ă ) l ta khung hình camera trả + N(x, y) tọa độ hệ tọa độ robot + α=15 độ Từ hình vẽ ta thấy: Xét tam giác AHN ta có: x – α = arctan( «) – α β = âuê ô AH = AN.cos() = z{ăS + |ăS cos() HN = AN.sin() = z{ăS + |ăS sin() BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN (4-1) (4-2) (4-3) 67 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Như tọa độ điểm A xác định sau: 4.2.2.2 Giải thuật gắp xếp vật {Đ = { -ê |Đ = | + u- (4-4) Quá trình gắp xếp vật thực dựa theo giải thuật nội suy theo trục có quãng đường di chuyển lớn nhất: điều khiển tính tốn để tìm trục có qng đường di chuyển lớn nhất, tính thời gian trục có chuyển động dài để làm liệu đầu vào suy vận tốc trục lại dựa quãng đường di chuyển độc lập chúng, đảm bảo cho trục bắt đầu kết thúc đồng thời Hình 11 Nội suy theo quãng đường MT developer Sau camera chụp vật robot tiến hành di chuyển để gắp vật với thời gian di chuyển qui định từ lúc bắt đầu tới lúc gắp vật 0,7s thời gian di chuyển trục 0,5s, trục 0,2s BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 68 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Khi tính tốn tọa độ gốc khung hình dựa vào ta tính quãng đường vật di chuyển thêm đoạn s thời gian robot di chuyển với: s = ®¯W°±² 0,7 (4-5) |ă = |Đ u- + \ (4-6) Do vật đặt cố định bàn vitme nên theo phương Ox vị trí vật cố định, cịn theo phương Oy vị trí gắp vật tính sau: Nếu bàn vitme chạy theo hng ngc li thỡ: |ă = |Đ u- \ (4-7) Vận tốc di chuyển trục tính tốn theo phương pháp nội suy quảng đường trục di chuyển dài dựa theo tính tốn động học nghịch Khi biết vị trí gắp vật nhờ vào động học nghịchcó thể xác định góc quay tương lai trục, từ giá trị BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 69 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP góc quay trừ giá trị góc quay ta tính giá trị góc quay cần di chuyển nhờ tính vận tốc di chuyển robot Giả sử: + Góc quay trục A + Góc quay tương lai trục B + Góc quay trục C + Góc quay tương lai trục D Góc quay thêm trục là: Góc quay thêm trục là: ³ =v−u ´ =âã Thi gian ni suy trc v l t = 0,5s Nếu E > F thì: (4-8) (4-9) ®= ³ • (4-10) ®= ´ • (4-11) Do trục chạy nội suy theo vận tốc trục Ngược lại E < F thì: Như trục chạy nội suy theo vận tốc trục Tương tự điều khiển tính tốn tốc độ trục trục với thời gian nội suy trục 0,2s - Sau gắp vật robot tiến hành tiến hành xếp vật bàn đặt cố định với tọa độ nhập chương trình điều khiển Thuật tốn q trình xếp vật tương tự thuật tốn q trình gắp vật: vị trí tương lai q trình xếp vật vị trí cố định nhập chương trình khơng cần phải tính tốn q trình gắp vật, cịn vị trí q trình xếp vật vị trí trương lai tính tốn q trình gắp vật Việc tính tốn vận tốc trục tương tự trục trục thể Lưu đồ giải thuật xếp vật sau: BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 70 Chương 4: PHẦN MỀM VÀ GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Hình 12 Lưu đồ xếp vật BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 71 Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN 5.1 Kết Hoàn thành mục tiêu đặt ra:  Xây dựng phần mơ hình để điều khiển robot Hình Thi cơng phần BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 72 Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP  Đấu nối thiết bị lại với để thực phần điều khiển đề Hình Thi cơng phần điện  Hồn thành cơng việc điều khiển robot theo mong muốn đặt từ trước: gắp xếp vật bàn vitme cố định, gắp vật bàn vitme di chuyển với nhiều tốc độ khác BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 73 Chương 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 5.2 Nhận xét Trong thời gian thực đồ án qua nhiều lần thực nghiệm cho robot chạy nhiều lần chương trình tự động sinh viên nhận thấy robot hoạt động ổn định, nhờ có phần chắn nên robot chạy với tốc độ nhanh bị ảnh hưởng yếu tố bên ngồi Trong q trình chạy tự động ảnh đầu vào camera bị nhiễu camera trả số liệu sai nên trính gắp xếp xảy sai số khoảng chấp nhận Trường hợp nam châm điện hút phôi hút mặt bên phơi chạy xếp vật bàn cố định phơi va đập mạnh với bàn làm home trục Z ảnh hưởng vật cịn lại khơng gắp Nếu xảy phải set lại vị trí home nhập lại tọa độ Z vào chương trình BỘ MƠN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 74 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 Kết luận Nắm bắt tổng thể nguyên lý hoạt động, lý thuyết điều khiển mô hình, động Servo, động Linear, Encoder tuyệt đối Encoder tương đối Tìm hiểu cách thức giao tiếp, truyền tín hiệu CPU hệ thống Multiple CPU, mạng quản lý động Servo SSCNET III Trong suốt thời gian thực đề tài, em hồn thành tương đối việc tìm hiểu, nghiên cứu cách kết nối thiết bị, cách thức giao tiếp, truyền liệu hệ thống từ xây dựng lập trình điều khiển cho mơ hình Mơ hình có ưu điểm nhược điểm sau: - Ưu điểm: + Mơ hình hoạt động xác ổn định + Có khả chạy tiếp sau điện nhờ sử dụng pin chuyên dụng - Nhược điểm: + Camera dễ bị nhiễu từ yếu tố ánh sang bên ngồi nên chương trình chạy tự động có sai số + Phải set lại thơng số chương trình xảy lỗi xếp vật 6.2 Hướng phát triển - Nghiên cứu thêm cấu chấp hành gắn thêm xi lanh để xây dựng nhiều ứng dụng - Phát triển sử dụng nhiều camera để mơ hình hoạt động xác - Xây dựng hệ thống giám sát mơ hình thơng qua web BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 75 ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Giáo trình kĩ thuật robot – Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM _ PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh Tiếng Anh [2] In-Sight® Micro Series Vision System Installation Manual [3] Vision System Connection Guide (COGNEX SLMP Connection) [4] MELSERVO-J4, sscnet iii/h interface model MR-J4-_B_(-RJ) servo amplifier instruction manual [5] MELSEC-Q Programming/Structured Programming Manual (Process Control Instructions) [6] MELSEC-Q C Controller Module User's Manual [7] Mitsubishi Electric, Q173D(S) & Q172D(S) Programming Manual (Common) [8] Mitsubishi Electric, Q173D(S) & Q172D(S) SV13&22 Programming Manual (Motion SFC) [9] Mitsubishi Electric, Q173D(S) & Q172D(S) SV13&22 Programming Manual (Real Mode) Link [10]https://www.howtorobot.com/expert-insight/scara-robots [11]https://congnghedoluong.com/2020/05/27/encoder-la-gi/ [12]https://www.fasolutions.vn/ trashed-10/ BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 76 PHỤ LỤC File code gx works 2, mt developer 2, thiết kế giao diện gt desiner https://drive.google.com/drive/folders/1kOMVS4VhzuksWWAI1TGiH6KhmLc80h Av?usp=sharing BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN S K L 0