Robot cáp ứng dụng trong gắp đặt sản phẩm hàng hóa

Sau tất cả những việc xảy ra trong cuộc sống chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân đã luôn là động lực, là điểm tựa vững chắc để mỗi thành viên vượt qua những khó khăn trong cuộc đời từ khi mới sinh ra cho đến hiện tại. Chúng tôi xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy xxx, người đã tận tình hướng dẫn và tạo điều kiện cho chúng tôi để có thể hoàn thành luận văn đúng tiến độ một cách thuận lợi nhất có thể. Điều quan trọng nhất trong tất cả những điều tốt đẹp mà thầy đã dành cho chúng tôi đó là sự tin tưởng để giao đề tài “Robot cáp ứng dụng trong gắp đặt sản phẩm hàng hóa” cho nhóm chúng tôi, đó là một cơ hội quý giá và tuyệt vời mà trong suốt quá trình học tập và rèn luyện chúng tôi được cảm nhận lần đầu tiên. Thầy đã cho chúng tôi cơ hội làm việc trong phòng thí nghiệm hiện đại nơi mà chúng tôi được tiếp xúc với những trang thiết bị công nghệ cao. Thầy đã hướng dẫn chúng tôi, cho chúng tôi những ý tưởng, đề xuất, cảm hứng và những nhận xét quan trọng trong quá trình làm luận văn của chúng tôi. Đối với các thành viên của nhóm, thầy là người có kiến thức sâu rộng trong lĩnh vực cơ điện tử. Thầy có thể giải đáp cho chúng tôi tất cả những câu hỏi từ hệ thống phần cứng, phần mềm, thuật toán và giúp đỡ chúng tôi hiện thực hóa tất cả những ý tưởng của chúng tôi hằng giờ, hằng ngày tại phòng thí nghiệm và thậm chí là tại nhà. Với rất nhiều điều tốt đẹp mà thầy đã giành cho nhóm, chúng tôi muốn cảm ơn và xin lỗi thầy vì khả năng hạn hẹp và sự lãng phí thời gian trong toàn bộ quá trình thực hiện đề tài. Nhiều khi, tôi có phần hổ thẹn vì sự cố gắng của tôi không đáp ứng với sự giúp đỡ nhiệt tình và tận tâm của thầy. Cuối cùng, chúng tôi mong thầy xxx trong cuộc sống luôn luôn có sức khỏe tốt, vui vẻ để tận tâm giúp đỡ hết mình với những lứa sinh viên tiếp theo sau này

Mục lục CHƯƠNG MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Nghiên cứu ứng dụng Robot mơ hình Pick and Place 1.1.2 Ứng dụng mơ hình Pick and Place thực tế 1.1.3 Mơ hình Robot ứng dụng Pick and Place 1.1.4 Các nghiên cứu Robot Cable nước 1.2 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu 10 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài 10 1.2.4 Bố cục đồ án 10 CHƯƠNG TỔNG QUAN 12 2.1 Phương pháp tiếp cận 14 2.2 Quỹ đạo di chuyển đầu công tác 15 2.2.1 Đường quỹ đạo 15 2.2.2 Quỹ đạo với vận tốc đầu vận tốc cuối cho trước 16 2.3 Nội suy quỹ đạo di chuyển đầu công tác 17 2.3.1 Nội suy đường thẳng 18 2.3.2 Nội suy cung tròn 19 2.3.3 Nội suy Cubic Splines 20 2.3.4 Điều khiển nội suy: 21 CHƯƠNG CẤU HÌNH VÀ ĐỘNG HỌC 22 3.1 Các dạng cấu hình Robot 22 3.1.1 Cấu hình đầu cơng tác dạng điểm 22 3.1.2 Cấu hình đầu cơng tác dạng khung 22 3.1.3 Lựa chọn phương án Robot cáp 23 3.2 Động học Robot Cable 25 Theo sơ đồ hình sau ta có: 27 CHƯƠNG TÍNH TỐN, THIẾT KẾ CƠ KHÍ 29 4.1 Lựa chọn phương án truyền động 29 4.1.1 Tính tốn chọn động 29 4.1.2 Tính tốn chọn hộp giảm tốc 30 4.1.3 Lựa chọn cáp thép ròng rọc 31 4.1.4 Bộ cáp 33 4.1.5 Các chi tiết cáp 34 4.1.6 Tang quấn cáp 34 4.2 Bộ dẫn hướng dây cáp, cảm biến loadcell 35 4.2.1 Bộ truyền đai 37 4.2.2 Đầu công tác khung 38 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 40 5.1 Hệ thống thiết bị điện 40 5.1.1 Bộ điều khiển trung tâm 40 5.1.2 PLC khối chức 42 5.1.3 Truyền thơng máy tính PLC 44 5.1.4 Driver động 45 5.1.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến Loadcell 46 5.2 Giải thuật điều khiển truyền thông thiết bị 48 5.2.1 Nguyên lý điều khiển 48 5.2.2 Nguyên lý truyền thông 49 5.2.3 Kiến trúc phần mềm 51 CHƯƠNG KẾT QUẢ 54 6.1 Kết hệ thống khí 54 6.1.1 Kết hệ thống điện kiến trúc phầm mềm 54 6.1.2 TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 54 6.2 Tổng kết hướng phát triển 54 6.2.1 Tổng kết 54 6.2.2 Hướng phát triển đề tài 54 LỜI CẢM ƠN Sau tất việc xảy sống xin gửi lời cảm ơn đến gia đình, người thân ln động lực, điểm tựa vững để thành viên vượt qua khó khăn đời từ sinh Chúng xin gửi lời cảm ơn đặc biệt đến thầy xxx, người tận tình hướng dẫn tạo điều kiện cho chúng tơi để hồn thành luận văn tiến độ cách thuận lợi Điều quan trọng tất điều tốt đẹp mà thầy dành cho chúng tơi tin tưởng để giao đề tài “Robot cáp ứng dụng gắp đặt sản phẩm hàng hóa” cho nhóm chúng tơi, hội q giá tuyệt vời mà suốt trình học tập rèn luyện cảm nhận lần Thầy cho hội làm việc phịng thí nghiệm đại nơi mà chúng tơi tiếp xúc với trang thiết bị công nghệ cao Thầy hướng dẫn chúng tôi, cho ý tưởng, đề xuất, cảm hứng nhận xét quan trọng trình làm luận văn chúng tơi Đối với thành viên nhóm, thầy người có kiến thức sâu rộng lĩnh vực điện tử Thầy giải đáp cho chúng tơi tất câu hỏi từ hệ thống phần cứng, phần mềm, thuật tốn giúp đỡ chúng tơi thực hóa tất ý tưởng chúng tơi giờ, ngày phịng thí nghiệm chí nhà Với nhiều điều tốt đẹp mà thầy giành cho nhóm, chúng tơi muốn cảm ơn xin lỗi thầy khả hạn hẹp lãng phí thời gian tồn q trình thực đề tài Nhiều khi, tơi có phần hổ thẹn cố gắng tơi khơng đáp ứng với giúp đỡ nhiệt tình tận tâm thầy Cuối cùng, mong thầy xxx sống ln ln có sức khỏe tốt, vui vẻ để tận tâm giúp đỡ với lứa sinh viên sau CHƯƠNG MỞ ĐẦU Các hệ thống tự động hóa, Robot thứ thiếu sống người từ cơng việc nhỏ gia đình Robot quét dọn nhà cửa đến dây chuyền tự động sản xuất quy mô lớn nhà máy, khu cơng nghiệp Vì lẽ đó, cơng nghiên cứu phát triển dạng Robot giảng viên đại học trọng hướng dẫn lứa sinh viên nghiên cứu để mang lại kết tối ưu cho xã hội Gần đây, đề tài đồ án sinh viên phát triển dạng Robot tốt có độ xác cao phải kể đến Robot dạng cách tay Robot tự hành hoạt động dựa cảm biến thông minh Thật không may, dạng cấu hình Robot lại hạn chế khả hạn chế làm việc không gian chiều Trong đề tài này, đề xuất dạng cấu hình Robot hoạt động tốt khơng gian chiều khắc phục nhược điểm không gian hoạt động dạng cánh tay Robot Hệ thống thuộc dòng cable driven parallel robot (CDPR) loại Robot điều khiển song song, đầu cơng tác điều khiển sợi dây cáp truyền động trục tang Chuyển động đầu công tác tạo cách thay đổi độ dài sợi cáp làm cho tính linh hoặt khơng gian tăng cao Ngồi ra, truyền động khung cố định chắn làm cho quán tính nhỏ tải trọng tăng cao, chúng tơi tin có tính ứng dụng cao việc bốc dỡ hàng hóa Từ năm 80 cuối kỉ 𝑋𝑋 nhiều nghiên cứu thực công bố tồn giới Từ hiểu biết chúng em phân chia dòng Robot thành loại khác dựa mức độ mà end-effector bị hạn chế dây cáp Trong đề tài trình bày thiết kế khí phân tích động học loại Robot có sợi cáp dẫn động song song Từ kết đạt đồ án này, nhóm chúng em tin phát triển hệ thống thực hoạt động ổn định thực thi tác vụ đề không gian chiều 1.1 Đặt vấn đề 1.1.1 Nghiên cứu ứng dụng Robot mơ hình Pick and Place Robot gắp đặt vật thể sử dụng phổ biến công ty, xí nghiệp sản xuất đại Nó chịu trách nhiệm tăng tốc trình nhặt phận vật phẩm đặt phận vị trí khác lập trình từ trước Nhờ có Robot, doanh nghiệp tăng tốc độ sản xuất cách rõ rệt Đồng thời, chúng giúp người lao động xử lý công việc lặp lặp lại để họ tập trung vào công việc phức tạp cần nhiều chất xám nghiên cứu Hơn nữa, đại dịch Covid-19 làm gián đoạn chuỗi cung cứng hàng hóa tồn cầu Điều quan trọng hết doanh nghiệp phải tự động hóa dây chuyền sản xuất để hồn thành đơn hàng hồn tồn khơng cần sức người Để bắt kịp với nhu cầu ngày tăng cao người tiêu dùng nguồn cung lao động ngày giảm tăng giá Không phải tự nhiên mà Robot gắp đặt vật trở nên phổ biến hoạt động cơng nghiệp, mà mang lại lợi ích cho người nên ứng dụng rộng rãi Chúng ta điểm qua số lợi ích rõ rệt sau: • Tốc độ tính qn • Tính tùy chỉnh, ta cài đặt Robot hoạt động theo logic mong muốn, ngồi cịn dễ dàng kiểm sốt Robot • Robot hồn tồn hoạt động tốt không gian điều kiện khắc nghiệt môi trường nhờ đặt tính vật lý tối ưu • Giúp doanh nghiệp sản xuất tăng sản lượng thời gian đóng gói lắp ráp sản phẩm cải thiện đáng kể • Giảm rũi ro hư hỏng sản phẩm nhờ tính qn • Giúp người lao động giảm bớt cơng việc đơn điệu mang tính lặp lặp lại 1.1.2 Ứng dụng mơ hình Pick and Place thực tế Robot gắp vật sử dụng phổ biến đóng vai trị vơ quan trọng hoạt động sản xuất lẫn sản xuất, kể đến như: Chọn thùng: thực tế có nhiều phận cần ráp vào sản phẩm để tạo thành sản phẩm hoàn chỉnh Do đó, cần nhiều thùng chứa phận khác Và để chọn gắp phận xác để lắp ráp Robot cần phải chỉnh xác hình dạng, màu sắc, kích thước để giải vấn đề người ta trang bị cho Robot hệ thống thị giác cảm biến tiến tiến để nhận dạng Với hệ thống nhận dạng này, thùng chứa có nhiều phận để lộn xộn, Robot phân biệt, lựa chọn gắp tốt, sản phẩm sau lắp xong gửi đến khu vục khác để lắp ráp đóng gói Lắp ráp: hoạt động lắp ráp khâu quy trình sản xuất Robot khâu chịu trách nhiệm lấp phậm từ vị trí lắp ráp chúng theo sơ đồ thiết lập từ trước Robot lấp phận di chuyển băng tải lắp phận vào phần khác vật phẩm Vật phẩm sau ghép nối xong đặt lại băng tải để di chuyển đến khu vực lắp ráp Đóng gói: khâu quan trọng quy trình sản xuất Tất thành phẩm Robot gắp vật đóng gói kỹ càng, xác nhanh chóng vào thùng hàng trước mang xe di chuyển đến nơi khác giao hàng Kiểm tra: khâu cuối dây chuyển sản xuất kiểm tra, khâu Robot chịu trách nhiệm phát sản phẩm có lỗi bất thường, sản phẩm xuất lỗi Robot đặt chúng vào thùng riêng định sẵn 1.1.3 Mơ hình Robot ứng dụng Pick and Place Để xử lý nhiệm vụ Pick and Place – gắp đặt vật thể người ta ưu tiên sử dụng loại cánh tay Robot, loại cánh tay bật thường có 4, 5, bậc tự như: Robot Delta: dạng thiết kế tính gắp vật theo nhóm Khơng thế, Delta cịn đặt sản phẩm vào mẫu lắp ráp theo lập trình từ trước cách xác Do đó, Robot giúp doanh nghiệp sản xuất cải thiện hiệu suất nhiều Cho tới thời điểm tại, dạng Robot nâng cấp đại chúng tích hợp cơng nghệ thị giác tiên tiến Chúng phân biệt hình dạng, màu sắc kích thước khác Hầu hết Robot Delta cánh tay trục trục, với khung chắn để nâng đỡ động Ngoài ra, cịn có nhiều liên kết nối với khung khớp tay Robot giúp chúng hoạt động linh hoạt nhanh chóng Robot cộng tác: tạo mục đích giúp đỡ người khâu quy trình sản xuất Với tham gia Robot cộng tác, cộng hướng dẫn chọn vị trí làm nhiệm vụ Điều giúp cho cơng việc người diễn nhanh chóng dễ dàng hiệu Robot chọn nhanh: gồm loại Robot có kết cấu khí đặt biệt để xử lý yêu cầu với tốc độ đến hàng mili giây Dạng Robot giúp cho doanh nghiệp giải phóng nhiều lực lượng lao động Điều có nghĩa lực lượng lao động chuyển qua làm nhiệm vụ chun mơn Cịn nhiệm vụ thủ cơng mang tính lặp lặp lại giảm bớt Điều giúp cho doanh nghiệp cắt giảm chi phí nhân cơng 1.1.4 Các nghiên cứu Robot Cable nước Ý tưởng sử dụng dây cáp để thao tác tải hàng có từ lâu Ngay giới cổ đại, dây cáp sử dụng để nâng tải hàng hóa ứng dụng tương tự Cho đến ngày nay, cần cẩu sử dụng rộng rãi vận chuyển hàng hóa sản xuất cơng nghiệp chúng máy móc linh hoạt tiết kiệm chi phí Nghiên cứu điều khiển song song treo dây cáp có nguồn gốc từ Mỹ vào năm 1984 Landsberger MIT thiết kế điều khiển song song điều khiển cáp cho hoạt động nước Các liên kết điều khiển dây cáp, làm mát bơm thủy lực Năm 1989, Viện Tiêu chuẩn Công nghệ Quốc gia Mỹ bắt đầu dự án NIST RoboCrane Thiết kế RoboCrane sử dụng ý tưởng trình thao tác liên kết song song Stewart Platform Tính độc đáo phương pháp NIST sử dụng dây cáp làm liên kết song song sử dụng tời làm truyền động Vào cuối năm 1980, hệ thống SkyCam, phát minh công ty August Design sử dụng rộng rãi để phát sóng trực tiếp Camera SkyCam treo dây cáp, tốc độ lên tới 44,8 km/h Có thể thực chụp ảnh tốc độ cao với SkyCam quy mô lớn Năm 2001, robot mảng cáp đề xuất Gorman từ Đại học bang Pennsylvania lớp chế robot sử dụng nhiều dây cáp kích hoạt để thao tác với vật thể Kết thử nghiệm cung cấp cho hệ thống, cho thấy robot mảng cáp có khả theo dõi quỹ đạo phạm vi vài cm, hiệu suất hợp lý cho nhiều ứng dụng cơng nghiệp Tuy nhiên, có vài sản phẩm đưa vào thị trường Ngồi đặc biệt máy móc mục đích kính viễn vọng nói trên, có hệ thống camera sân vận động thiết bị phục hồi chức cho người tàn tật Các hệ thống trình diễn trình bày từ khoảng năm 2010 trở sau xuất nhiều tốt mặt thiết kế khí cơng nghiệp hóa Vì dự đốn lĩnh vực ứng dụng vào nhiều lĩnh vực khác 1.2 Mục tiêu đối tượng nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài xây dựng “Hệ thống Robot cáp ứng dụng xếp dỡ hàng hóa” Hệ thống Robot cáp có ứng dụng tiềm phát triển đa dạng song đồ án tập trung nghiên cứu, phân tích, xây dựng số tính chất ứng dụng dòng Robot Hệ thống phải đáp ứng yêu cầu sau: • Nghiên cứu nguyên lý hoạt động Robot cáp, lựa chọn cấu hình phù hợp với yêu cầu đặt • Nghiên cứu động học vị trí Robot cáp theo cấu hình chọn • Đề tài “Hệ thống Robot cáp ứng dụng xếp dỡ hàng hóa” mà cụ thể khơng gian hoạt động 2𝑚 × 1.5𝑚 × 1𝑚 với tải trọng vật thể nâng 10𝑘𝑔 • Kết cấu khí hệ thống kế phải đáp ứng khả tải không gian hoạt động đặt ra, ngồi cịn phải đảm bảo tính linh hoạt đơn giản việc lắp đặt • Mục đích áp dụng hệ thống nhà xưởng nên thiết kế điện truyền thông điều khiển Robot phải đáp ứng tính cách nhiễu an tồn cách điện cho thiết bị driver, động Cùng với đó, điều khiển phải đáp ứng thời gian tính tốn khoảng cho phép giải thuật động học nội suy 1.2.2 Đối tượng nghiên cứu Nghiên cứu thiết kế kết cấu khí điện điều khiển cho Robot cáp Robot cáp ứng dụng phục vụ xếp dỡ hang hóa nhà xưởng, khu cơng nghiệp, nơi có mơi trường đặt biệt khắc nghiệt nhiễu lớn môi trường mà Robot cáp thể hết suất lợi ích mang lại 1.2.3 Phạm vi nghiên cứu đề tài Mục tiêu đề tài tính tốn, thiết kế xây dựng hệ thống Robot cáp có khả xếp dỡ hàng hóa với tải trọng 10𝑘𝑔 hoạt động môi trường công nghiệp Cụ thể hơn, mục tiêu chúng tơi thực đề tài bao gồm: Nghiên cứu kết cấu, tính tốn thiết kế hệ thống khí đáp ứng yêu cầu tải trọng công suất Xây dựng hệ thống điều khiển điện, truyền thông giao tiếp cho Robot cáp driver cấu chấp hành thực thi Nghiên cứu thuật tốn động học vị trí Robot cáp 1.2.4 Bố cục đồ án Đồ án chúng em có tất chương trình bày với bố cục sau: Chương 1: Mở đầu phần giới thiệu chung đề tài với mục tiêu, động lực phương pháp thực đề tài 10 CHƯƠNG TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN 5.1 Hệ thống thiết bị điện 5.1.1 Bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển trung tâm đóng vai trị quan trọng việc tương tác với hệ thống người sử dụng qua Panel điều khiển Bộ điều khiển trung tâm bao gồm: CPU điều khiển tín hiệu mạch điều khiển trung tâm CPU điều khiển tín hiệu hoạt động với hiệu điện 220VAC-50Hz với đặc tính hoạt động ổn định điều kiện liên tục Mạch điều khiển trung tâm hoạt động với hiệu điện 5-12VDC 2A, với mục đích cung cấp thu thập tín hiệu điều khiển cấu chấp hành, cảm biến … Mạch điều khiển trung tâm với nhiệm vụ giao tiếp với máy tính thực điều khiển driver, giao tiếp với thiết bị ngoại vi Mạch điều khiển trung tâm gồm module chính: Module giao tiếp với máy tính, Module vi điều khiển trung tâm, module cơng suất cung cấp tín hiệu điều khiển động cấu chấp hành khác, module thu thập liệu cảm biến, cơng tắc hành trình, … Khối giao tiếp máy tính: Có nhiệm vụ trao đổi liệu vi điều khiển máy tính Dữ liệu là: Chuỗi lệnh mang thông tin số xung tần số xung, lệnh Home, lệnh đọc tín hiệu cảm biến, cấu chấp hành … Khối xử lý tín hiệu cảm biến: Khối làm nhiệm vụ chuyển tín hiệu cảm biến mức điện áp thích hợp cho vi điều khiển đọc Khối điều khiển ngoại vi: Có nhiệm vụ nhận mức logic 0/1 từ vi điều khiển để điều khiển thiết bị, cấu chấp hành thông qua việc điều khiển relay Vi điều khiển: trung tâm xử lý tín hiệu điều khiển Nó bao gồm nhiều khối nhỏ khác nhau, khối thực nhiệm vụ định + Khối xuất xung: Dựa vào thông tin giải mã chuỗi lệnh nhận từ máy tính qua khối giao tiếp, khối xuất xung thực nhiệm vụ tạo xung với tần số mong muốn qua module tạo xung PLC + Khối I/O: Khối đơn xuất nhận tín hiệu có mức logic 0/1 tương ứng với 0v/5v 40 + Khối đọc xung: có nhiệm vụ đọc xung trả từ Driver gửi lên máy tính qua khối giao tiếp lúc yêu cầu Bộ điều khiển thường cấu thành từ phận tương tự máy tính bao gồm xử lý trung tâm, nhớ xuất/nhập kết hợp với hình để hiển thị lệnh lập trình đồng thời theo dõi thay đổi tọa độ dịch chuyển khâu Tồn phần nói bố trí bên tủ điều khiển xếp theo mô đun gồm bo mạch điện tử Bên cạnh đó, để lập trình cách thuận tiện, nhà chế tạo thường bố trí pa-nen kết nối song song - gọi Teach Pendant - với điều khiển gồm hộp bố trí bên bo mạch kết nối trực tiếp với xuất/nhập bên gồm nút nhấn để thực thao tác điều khiển trực tiếp chuyển động trục chế độ lập trình huấn luyện (Teaching mode) Đơi cấu hình điều khiển trang bị thêm điều khiển mô (Simulator) để hỗ trợ thêm cho trình lập trình Một hay nhiều vi xử lý tương đương với xử lý trung tâm +Bộ nhớ chứa chương trình nhà sản xuất viết Trong chương trình chi tiết liệu nhập vào thực người sử dụng +Thiết bị xuất/nhập để máy tính nhận thơng tin từ phận hỗ trợ lập trình, từ cảm biến chuyển tín hiệu điều khiển đến cấu tác động vận hành trục đến phần tử chấp hành bên ngồi có liên quan trình hoạt động robot trao đổi thơng tin, liệu với máy tính điều khiển khác Đối với điều khiển theo cấu trúc PC-based, xử lý trung tâm phần mềm đảm nhiệm Tuy nhiên để nâng cao tính xử lý (thực chức nội suy), cần dùng mạch phần cứng hỗ trợ thêm Hình 7.5 thể thành phần điều khiển Bộ điều khiển robot song song bao gồm nhiều thành phần khác Mục tiêu quan trọng điều khiển điều khiển động trục robot Các tín hiệu điều khiển robot xuất phát từ phần mềm máy tính, chuỗi lệnh gửi xuống điều khiển bao gồm lệnh điều khiển vị trí vận tốc động cơ, lệnh điều khiển thiết bị ngoại vi băng chuyền, van khí nén, Dịng liệu truyền từ máy tính đến điều khiển ngược lại trình bày hình 7.6, 7.7 7.7: Sau nhận liệu từ PC điều khiển XYZ Controller giải mã liệu gửi dạng xung DIR PULSE gửi AC Servo Driver (hình 7.7 7.8) 41 Có thể nói, điều khiển servo driver có số ưu điểm định hoạt động theo chế độ điều khiển vị trí (Dir – Pulse), điều khiển vận tốc, điều khiển moment, … Bên có đệm xung (làm mềm chuyển động gián đoạn trình điều khiển gây ra) nhằm đạt tốc độ nhận xung cao Ngồi ra, Driver cịn trang bị PID bù xung thông minh giúp cho việc điều khiển dễ dàng, xác mềm mại (hình 7.9) 5.1.2 PLC khối chức PLC viết tắt programmable logic controller, thiết bị điều khiển lập trình (khả trình) cho phép thực linh hoạt thuật tốn điều khiển logic thơng qua ngơn ngữ lập trình Người sử dụng lập trình để thực loạt trình tự kiện Các kiện kích hoạt tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC qua hoạt động có trễ thời gian định hay kiện đếm PLC dùng để thay mạch relay (rơ le) thực tế PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái đầu đầu vào Khi có thay đổi đầu vào đầu thay đổi theo Ngơn ngữ lập trình PLC Ladder hay State Logic Hiện có nhiều hãng sản xuất PLC Siemens, Allen-Bradley, Mitsubishi Electric, General Electric, Omron, Honeywell Khối CPU: loại khối có chứa vi xử lý, hệ điều hành, nhớ, thời gian, đếm, cổng truyền thông cịn có vài cổng vào số Các cổng vào số có CPU gọi cổng vào/ra onboard 42 Khối vào (INPUT): ngõ vào khối kết nối với chuyển đổi tín hiệu biến đổi tín hiệu thành tín hiệu phù hợp với tín hiệu xử lý CPU Dựa vào loại tín hiệu vào có khối ngõ vào tương ứng Gồm có hai loại khối vào sau: • Khối vào số (DI: Digital Input), ví dụ: Các nút nhấn, cơng tắc nối với nguồn 24VDC yêu cầu phải sử dụng khối vào có nguồn cung cấp cho 24VDC • Khối vào tương tự (AI: Analog Input), ví dụ: Các cảm biến tạo tín hiệu analog dịng điện (4.20 mA) phải sử dụng ngõ vào analog loại nhận tín hiệu dịng điện (4.20 mA) Nếu cảm biến tạo tín hiệu analog điện áp (0.5V) phải sử dụng ngõ vào analog nhận tín hiệu điện áp (0.5V) Khối (OUT PUT): khối có nhiệm vụ khuếch đại tín hiệu sau xử lý CPU (được gởi đến vùng đệm ra) cung cấp cho đối tượng điều khiển cuộn dây, đèn báo, van từ v.v Tùy thuộc vào đối tượng điều khiển nhận tín hiệu dạng mà có khối tương ứng Gồm có hai loại khối tiêu biểu: • Khối số (DO: Digital Output): theo loại điện áp sử dụng, ngõ số phân thành hai loại: điện áp chiều (DC: Direct Current): Gồm có hai loại ngõ Transistor relay Thông thường công nghiệp điện áp chiều sử dụng 24V điện áp xoay chiều (AC: Alternative Current): Gồm có hai loại ngõ Relay TRIAC • Khối tương tự (AO: Analog Output): ví dụ: Ngõ vào analog biến tần nhận tín hiệu điện áp (0…10V) thiết phải sử dụng ngõ tương tự tạo tín hiệu analog điện áp (0…10V) Timer: định thời sử dụng yêu cầu điều khiển cần trì hỗn thời gian Đây phần tử chức PLC thường sử dụng chương trình điều khiển Chẳng hạn băng tải có tín hiệu hoạt động chạy 10s dừng lại, van khí nén cần có điện 5s, ngun liệu cần trộn thời gian 10 phút…Các PLC S7-200 có 256 Timer có địa từ T0 đến T255, chia làm loại (xem them chương Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200): • Timer đóng mạch chậm TON (On-delay Timer) • Timer đóng mạch chậm có nhớ TONR (Retentive On-delay Timer) • Timer ngắt mạch chậm TOF (Off-delay Timer) Counter: nhiều trường hợp, việc kiểm tra số lượng xác định phải thông qua tổng xung Có thể thực đếm xung đếm Sử dụng đếm 43 giải số vấn đề sau: đếm số lượng, so sánh với giá trị đặt trước trường hợp nhau, nhỏ hơn, lớn hơn, kiểm tra khác biệt số lượng Trong điều khiển vị trí việc sử dụng đếm tốc độ cao khơng thể thiếu Phần điều khiển vị trí đếm tốc độ cao trình bày chi tiết phần sau Ở chương đề cập đến đếm thơng thường Bộ đếm sử dụng để thực nhiệm vụ như: Cộng xung phát xung nhịp dựa vào để gọi giai đoạn điều khiển liên tiếp Hoặc yêu cầu điều khiển theo chu kỳ lặp điều khiển đèn giao thông Các PLC thường có loại đếm: đếm lên, đếm xuống, đếm lên-xuống Có 256 đếm S7-200 có địa từ C0 đến C255 Chúng có loại đếm là: • Bộ đếm lên CTU (Up Counter) • Bộ đếm xuống CTD (Down Counter) • Bộ đếm lên-xuống (Up/Down Counter) 5.1.3 Truyền thông máy tính PLC Việc giao tiếp phần mềm điều khiển máy tính với PLC, trường hợp máy tính đóng vai trị Master điều khiển giám sát hoạt động PLC Slave, qua điều khiển biến độ dài dây cáp Để thực việc truyền thơng máy tính PLC, nhóm chúng tơi sử dụng phương thức truyền Ethernet kết nối với PLC thơng qua cáp mạng mạch hình tia theo kiểu Master-Slave Các Slave gán cho ID cố định riêng cho mình, q trình truyền thơng diễn Master gửi lệnh kèm địa xuống Slave nhận lệnh, nhiên Slave có địa nhận lệnh Sau q trình giao tiếp Master Slave, giao tiếp xong Master chủ động đóng cổng giao tiếp lại q trình truyền thơng Master – Slave kết thúc Khi muốn liệu từ Slave gửi lên Master (Điển hình gửi lên giá trị hồi tiếp Encoder động cơ) thời điểm có truyền thơng Master Slave nhất, Master phải chủ động liên kết truyền thơng với Slave để mở kết nối Tiếp Master truy cập vào nhớ Slave (PLC) để lấy liệu lên thông qua địa ghi mà Master gửi xuống Slave Hệ điều khiển dây Robot Cable gồm PLC Siemen S7-1200 dùng để điều khiển động AC Servo Delta thông qua Driver Delta, PLC điều khiển Driver nhận tín hiệu từ cảm biến 44 Nhiệm vụ hệ thống sau: Điều khiển vận tốc vị trí trục thơng qua điều khiển số xung xuất tần số xung xuất Nhận tín hiệu hồi tiếp từ Encoder gửi lên máy tính để theo dõi q trình điều khiển Nhận tín hiệu trả từ cảm biến để xác định độ căng dây cáp xác định khối lượng tải đầu cơng tác Giao tiếp với máy tính qua cổng Ethernet thơng qua giao thức RS-485, nhằm gửi tín hiệu điều khiển động thông qua phần mềm thiết kế máy tính 5.1.4 Driver động Cơ cấu chấp hành hệ thống robot cáp dây cáp thép Để cấu hoạt động cần cung cấp điện động lực điện điều khiển cho driver Do đó, với cơng suất động tính chương trước, ta lựa chọn động thích hợp Đi liền với động điều khiển driver Điện áp cung cấp cho driver 220VAC, tín hiệu điều khiển driver dùng điện áp 24VDC Bản chất điều khiển servo điều khiển vịng kín cho phép giảm dung sai điều khiển đến mức nhỏ Tín hiệu điều khiển cung cấp vị trí đầu khuếch đại driver cấp nguồn cho động hoạt động trục tìm vị trí xác dựa phản hồi từ encoder Thêm vào đó, chế giữ vị trí servo điểm đặc biệt để lựa chọn hệ thống 45 Điều khiển vị trí động servo: vị trí hiểu vị trí góc tuyệt đối trục động servo vị trí truyền động Khi động servo thay đổi vị trí, encoder gửi phản hồi vị trí thực tế trục động đến điều khiển động servo Mạch vịng vị trí tiến hành so sánh vị trí đặt vị trí thực tế, từ sai số nhận thơng số chỉnh mạch vịng, điều khiển tự động điều chỉnh vị trí trục quay động theo thời gian thực để triệt tiêu sai lệch vị trí Điều khiển tốc độ động servo: điều khiển vận tốc quay chiều động cơ, động tăng tốc giảm tốc, encoder gửi vận tốc chiều qay thực tế tới điều khiển động Mạch vòng tốc độ so sánh tốc độ đặt với tốc độ tại, dựa vào sai số tốc độ thông số chỉnh mạch vòng, điều khiển động tự động điều chỉnh vận tốc động theo thời gian thực để đặt giá trị cài đặt cho dù tải trọng có thay đổi Điều khiển Mơ men động servo: điều khiển lực tạo từ chuyển động quay động cơ, mô men tạo tỉ lệ thuận với dòng điện hiệu dụng chạ cuộn day stator dùng để phản hồi giá trị để tự động điều chỉnh dòng điện động thời gian thực nhằm đáp ứng yêu cầu mơ men ứng dụng Mạch vịng dịng điện dùng mạch vịng kín điều khiển mơ men 5.1.5 Cấu tạo nguyên lý hoạt động cảm biến Loadcell Loadcell thiết bị đo trọng lượng tải trọng chạy qua cân điện tử, thiết bị cảm biến dùng để chuyển đổi lực căng trọng lượng thành tín hiệu điện Loadcell thường sử dụng để cảm ứng lực lớn, tĩnh hay lực biến thiên chậm Một số trường hợp loadcell thiết kế để đo lực tác động mạnh phụ thuộc vào thiết kế loadcell 46 Cấu tạo loadcell: thành phần loadcell bao gồm hai phận địn cân mạch xử lý tín hiệu điện tử Đối với địn cân, ta có thành phần Strain Gauge Load Trong Strain Gauge loại điện trở đặc biệt nhỏ móng tay, có điện trở thay đổi bị nén hay kéo dãn nuôi nguồn điện Còn phần load kim loại cố định đầu, đầu lại nối với bàn cân nơi mà ta dùng để cân Nguyên lý hoạt động loadcell: phần cấu tạo cảu loadcell, ta biết điện trở strain gauges dán vào mặt thân loadcell Thơng thường ta có điện trở strain gauge nối vòng với tạo thành mạch cầu Wheatstone (wheatstone bridge) Một 47 điện áp kích thích cung caaso cho ngõ vào loadcell (R1 R4 cầu điện trở wheatstone) điện áp tín hiệu đo hai góc khác (R2 R3) Ở trạng thái khơng tải, điện áp tín hiệu gần Khi ta đặt vật có khối lượng lên đĩa cân, phần thân loadcell bị kéo nén làm cho điện trở điện trở strain gauge thay đổi theo thay đổi độ dài tiết diện dây kim loại điện trở Tuy nhiên, độ biến dạng kim loại phần trọng lượng mà loadcell đo Để tìm khối lượng vật, ta cần phải chia cho gia tốc trọng trường Mà gia tốc trọng trường số nơi trái đất Do đó, sử dụng cân cần calibration hiệu chỉnh cân để ln đạt độ xác mong muốn 5.2 Giải thuật điều khiển truyền thông thiết bị 5.2.1 Nguyên lý điều khiển Để Robot cáp hoạt động, cần hệ thống điện điều khiển cấu chấp hành số cảm biến terminal để tiếp nhận thông tin yêu cầu vận hành Theo nguyên lý đề xuất tại, chúng em đề xuất giải pháp hình sau để điều khiển Robot Đầu tiên, hệ thống Robot nhận giá trị điều khiển (giá trị đặt) từ người cảm biến thị giác máy (Camera) thông qua terminal điều khiển (có thể xây dựng HMI máy tính Tại terminal, người điều khiển cài đặt chạy chương trình với tính chất khác như: calibration, manual, automation lần kiểm tra chạy thử Robot Các giá trị điều khiển sau cài đặt chạy qua máy tính để tính tốn nội suy động học Máy tính tính tốn xem não, điểm quan trọng hệ thống Robot cáp mà chúng em xây dựng Các giá trị nội suy động học sau tính tốn xong thơng qua hệ thống truyền dẫn mạng lan hình tia gửi xuống bốn driver để tính toán xuất xung cho động Tại đây, chúng em sử dụng điều khiển PID cho vận tốc, vị trí lực căng để cân xung xuất so với yêu cầu điều khiển điều khiển mượt mà Các động điều gắn encoder để phản hồi giá trị driver nhằm tạo điều khiển vịng kín Thêm vào đó, chúng em lắp đặt thêm hệ thống sở liệu nhằm thu thập lưu trữ lại tất giá trị điều khiển, kết vận hành nhằm mục đích mong muốn sử dụng liệu để tối ưu hóa vận hành tương lai Các giá trị liệu truyền thông hệ thống Robot cáp điều phải đóng gói thành gói tin với độ bảo mật cao kết hợp với chống nhiễu hệ thống để đảm bảo độ ổn định vận hành Robot cáp 48 5.2.2 Nguyên lý truyền thông Ethernet dạng công nghệ truyền thống dùng để kết nối mạng LAN cục bộ, cho phép thiết bị giao tiếp với thơng qua giao thức - quy tắc ngôn ngữ mạng chung Là lớp giao thức data-link tầng TCP/IP, Ethernet cho thấy thiết bị mạng định dạng truyền gói liệu nào, cho thiết bị khác phân khúc mạng cục phát hiện, nhận xử lý gói liệu Cáp Ethernet hệ thống dây vật lý để truyền liệu qua So với công nghệ mạng LAN không dây, Ethernet thường bị gián đoạn - cho dù nhiễu sóng vơ tuyến, trở ngại vật lý hay băng thông Ethernet cung cấp mức độ bảo mật kiểm sốt mạng tốt so với cơng nghệ không dây (các thiết bị phải kết nối cáp vật lý - người ngồi gặp khó khăn truy cập liệu mạng hay cố gắng điều hướng băng thông cho thiết bị không cung cấp 49 Khi mạng cần phải chuyển khối nhỏ thông tin khoảng cách dài, RS-485 thường chuẩn giao tiếp lựa chọn Các nút mạng máy tính cá nhân, vi điều khiển, thiết bị có khả truyền thông nối tiếp không đồng Năm 1983, Hiệp hội công nghiệp điện tử (EIA) phê duyệt tiêu chuẩn truyền cân gọi RS-485 Đã chấp nhận rộng rãi sử dụng công nghiệp, y tế, dân dụng Có thể coi chuẩn RS485 phát triển RS232 việc truyền liệu nối tiếp Những chuyển đổi RS232/RS485 cho phép người dùng giao tiếp với thiết bị mà sử dụng liên kết nối tiếp RS232 thông qua RS485 Liên kết RS485 hình thành cho việc thu nhận liệu khoảng cách xa điều khiển cho ứng dụng Với hai dây A, B truyền dẫn cân bằng, tín hiệu mức cao TTL quy định áp dây A lớn dây B tối thi ểu 200mV, tín hiệu mức thấp TTL quy định áp dây A nhỏ dây B tối thiểu 200mV Nếu điện áp VAB mà nằm khoảng -200mV < VAB< 200mV tín hiệu lúc xem rơi vào vùng bất định Điện dây tín hiệu so với mass Truyền dẫn cân bằng: hệ thống truyền dẫn cân gồm có hai dây tín hiệu A, B khơng có dây mass Sở dĩ gọi cân tín hiệu dây ngược với tín hiệu dây Nghĩa dây phát mức cao dây phải phát mức thấp ngược lại bên phía thu phải nằm khoảng –7V đến +12V Tốc độ truyền nhận liệu: • Tốc độ 10/100Mbs tốc độ mạng đạt chuẩn Megabit truyền tải nhu cầu phổ thông đa số kết nối internet mà ta sử dụng có tốc độ đạt chuẩn giga • Tốc độ 10/100/1000Mbs tốc độ mạng đạt chuẩn Gigabit truyền tải dành cho nhu cầu cao cấp hơn, thương bắt gặp sever quán nét, doanh nghiệp có tính chất cơng việc sử dụng kết nối internet nhiều Những đặc điểm trội khác RS485 hỗ trợ mạng lên tới 32 trạm thu phát đường truyền, tốc độ baud lên tới 115.200 cho khoảng cách 4000feet (1200m) 50 5.2.3 Kiến trúc phần mềm Trong phần này, mô tả thành phần dựa kiến trúc phần mềm điều khiển phát triển để có tảng robot thử nghiệm mạnh mẽ Hai mục tiêu hệ kiến trúc phần mềm là: chuẩn hóa chức cảm biến thành phần điều khiển, tính tốn robot, thứ hai mở rộng khả tùy chỉnh phần mềm Mặc dù cấu trúc phần mềm mơ hình thí nghiệm có chứa hai máy tính: máy tính chủ máy tính điều khiển, bao gồm hệ thống thành phần chia thành bốn lớp đề xuất ban đầu (Nilsson & Johansson, 1999): lớp thấp nhất, lớp trung gian, lớp cao lớp người dùng cuối Mỗi lớp có chứa thành phần khác phân loại tùy thuộc vào chức (hình 4.8) Thành phần có liên quan đến khối hệ thống cấu trúc phần cứng Bốn lớp là: Lớp thấp nhất: có thành phần tương ứng với mơi trường vật lý Ví dụ thành phần cảm biến thành phần điều khiển khớp Lớp giữa: Các thành phần sử dụng thông tin lớp thấp lớp cao Ví dụ thành phần cảm biến ảo thành phần điều khiển tay máy Lớp cao: thành phần tạo quỹ đạo di chuyển Lớp người dùng cuối: Các thành phần thiết lập tác vụ, giao tiếp với người dùng 51 Lớp người dùng cuối mô tả tác vụ bao gồm vị trí cuối, hướng vận tốc đầu công tác cuối robot Các thành phần khác phát triển sử dụng dựa tác vụ với không gian mở, với chuyển động ràng buộc với hai Thêm vào đó, thành phần lại thiết kế để điều khiển robot song song Các ngõ vào thành phần lớp vị trí hướng robot, lực tác động tay máy vào môi trường chí thị giác máy Hiện tại, ngõ vào thiết lập ngoại tuyến, chưa thể xác định phương pháp trực tuyến, thế, robot lập trình phù hợp với vị trí thực thiết bị thiết đặt sẵn Lớp cao kết hợp thành phần với chức tạo đường Bộ tạo quỹ đạo set point cho robot, dựa lệnh chuyển động nhận từ quản lý tác vụ Các lệnh phụ thuộc vào lớp thấp quỹ đạo khơng gian khớp quỹ đạo không gian Decard đầu công tác robot Thành phần thứ hai phát triển để nâng cao hiệu tính tốn khối trước cần thiết Đặc biệt, bao gồm phân tích cấu trúc hình học robot thành hệ thống phụ: cho vị trí cho hướng Thành phần giải pháp phân tích nhằm đơn giản hóa vấn đề điểm kỳ dị robot Hơn nữa, phải chấp nhận số hạn chế để tránh điểm kỳ dị xuất khớp… Mặc dù quỹ đạo phát triển chưa tốt, không gian làm việc đáp ứng tốt nhu cầu chuyển động cần thiết Đối với lớp giữa, đứng góc độ kỹ thuật, điều chỉnh điều khiển chuyển động yêu cầu người dùng phải thành thạo Ở lớp này, cấu trúc chia làm hai lớp nhỏ bao gồm: lớp ứng dụng điều khiển (các ràng buộc chuyển động, tool mass, …) lớp điều khiển (điều chỉnh vòng lặp điều khiển, hệ số, …) Sử dụng cơng cụ có sẵn VS Studio 2017 để liên kết tín hiệu (các lệnh tham chiếu, giá trị trả vị trí, vận tốc, momen, cảm biến, …) biểu thức toán học Các khối thiết kế với số lượng ngõ vào ngõ định sẵn Trong khối, thực nguyên lý điều khiển khác nhau, liên kết cảm biến, kết hợp thành ngơn ngữ lập trình tính tốn với hiệu suất cao biến vào đọc ghi dễ dàng Ở lớp thấp cấu trúc phần mềm, lớp thực công việc liên quan đến cảm biến, cảm biến mô hình hóa thành phần bao gồm phần bản: cho việc xây dựng cấu trúc liệu cho việc chia sẻ liệu cảm biến Một chức thành phần cảm biến xử lý thông tin cảm biến cụ thể để cung cấp liệu thống cho quản lý liệu Tác dụng quản lý trực tiếp điều chỉnh liệu cảm biến Hơn nữa, liệu cảm biến phải 52 chia sẻ với tất chức cần thiết kiến trúc phần mềm Một chức quan trọng khác thành phần cảm biến đánh dấu thời điểm cần đo đạc, tương tác Về phần điều khiển khớp, sử dụng giao thức mức thấp (LLI) thiết kế Staubli Robots (Pertin& Bonnet, 2004); Thực ra, có module phần mềm cịn giữ lại thiết kế hệ thống Staubli nguyên Mức LLI tuân theo cấu trúc đưa hình 8.9 Và nhiêm vụ cho phép điều khiển khớp riêng biệt cách dễ dàng Ba thành phần khác định nghĩa cấu trúc phần mềm (cho phép điều khiển: momen, vị trí vận tốc) 53 CHƯƠNG KẾT QUẢ 6.1 Kết hệ thống khí 6.1.1 Kết hệ thống điện kiến trúc phầm mềm 6.1.2 TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 6.2 Tổng kết hướng phát triển 6.2.1 Tổng kết 6.2.2 Hướng phát triển đề tài 54