TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA CƠ KHÍ BÁO CÁO MÔN HỌC MÔN HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Chủ đề Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển tay gắp hai trục dùng PLC Giáo viên hướng dẫn Nguyễn Xuân[.]
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT HƯNG YÊN KHOA : CƠ KHÍ BÁO CÁO MÔN HỌC MÔN: HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ Chủ đề: Nghiên cứu thiết kế mơ hình điều khiển tay gắp hai trục dùng PLC Giáo viên hướng dẫn : Nguyễn Xuân Công Sinh viên : Đào Minh Phúc Mã SV : 11020053 Mã lớp : 110202 Hưng Yên , tháng 11 năm 2023 NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở thực tiễn đề tài .5 1.2 Đề xuất hướng nghiên cứu .6 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 1.2.3 Phương tiện nghiên cứu 1.3 Các giải pháp chế tạo .6 1.3.1 Ưu điểm 1.3.2 Nhược điểm 1.3.3 Cấu trúc hệ thống PLC .7 1.3.4 Ứng dụng 1.4 Kết luận chương CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 2.1 Sơ đồ khối .9 2.2 Nguyên lý hoạt động .9 2.3 Lựa chọn thiết bị 10 2.3.1 Aptomat .10 2.3.2 Nguồn tổ ong 24V-4.5A 12 2.3.3 Driver servo MITSUBISHI 13 2.3.4 PLC S7 1200 16 2.3.5 Trục vít me đai ốc 18 2.3.6 Camera công nghiệp VSTECH 19 CHƯƠNG 3: KẾT LUẬN 24 3.1 Kết luận 24 3.2 Đánh giá tổng thể mô hình : 25 KẾT LUẬN 26 LỜI CẢM ƠN Ngày nay, đất nước đường đổi theo khuynh hướng đại Trong nghiệp cơng nghiệp hóa đại hóa đất nước, nói tiêu chí đánh giá phát triển kinh tế quốc gia mức độ tự động hóa q trình sản xuất mà trước hết suất chất lượng sản phẩm làm Sự phát triển vượt bậc máy tính điện tử, công nghệ thông tin thành tựu lý thuyết điều khiển tự động trình sản xuất có bước phát triển tạo sản phẩm có hàm lượng chất xám cao tinh tế chau chuốt đưa vào sản phẩm, xã hội dần tiến tới hình thành kinh tế tri thức Với nhu câu em nghiên cứu đề tài” Nghiên cứu thiết kế mô hình điều khiển tay gắp hai trục dùng PLC” Để hoàn thành đề tài em xin chân thành cảm ơn cô TRỊNH THANH NGA Trường Đại học Sư Phạm Kỹ Thuật Hưng Yên giúp đỡ em tận tình trình thực đề tài Đề tài đề cập đến lĩnh vực ứng dụng phổ biến sống, nhiên thời gian kinh nghiệm cịn hạn chế nên khơng tránh khỏi thiếu xót Chúng em mong nhận góp ý thêm thầy giáo bạn để đề tài hoàn thiện Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên thục CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU 1.1 Cơ sở thực tiễn đề tài Trong dây chuyền sản xuất cơng nghiệp, thiết bị máy móc từ hoạt động theo trình tự logic chặt chẽ nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm, an toàn cho người thiết bị Cấu trúc làm việc dây chuyền đưa yêu cầu cho điều khiển điều khiển hoạt động chặt chẽ thống dây chuyền Các trạm phân loại tự động hóa theo dây chuyền nhằm nâng cao suất giảm nặng nhọc cho người cơng nhân Qua phân tích trên, em chọn để tài: “Nghiên cứu thiết kế mơ hình điều khiển tay gắp hai trục dùng PLC” Qua phương pháp điều khiển rút kinh nghiệm lưu ý cho nhà nghiên cứu hay cải tiến ý tưởng khác bị dở dang khúc mắc, từ kết cấu khí hệ thống điều khiển Phạm vi đồ án để cập đến vấn đề liên quan như: Đồ gá chi tiết gia cơng khí Hệ thống điện động chiều, khí nén, chương trình điều khiển PLC.… Hiện trình sản xuất sản phẩm máy cắt kim loại không công nghiệp áp lực ( máy cán máy dập ) trình cơng nghệ lắp ráp sản phẩm khí hay kiểm tra ,các hệ thống sản xuất ngành công nghiệp nói chung sản xuất phân bón, sản xuất vật liệu xây dựng, thực phẩm phát triển theo phương hướng tự động hóa ngày cao Để đảm bảo trình sản xuất ổn định theo nhịp liên tục theo chu trình hoạt động máy cách tin cậy trình vận chuyển phân loại yêu cầu cần thiết cần phải nghiên cứu giải hệ thống sản xuất tự động nhằm mục đích nâng cao sản xuất lao động, sử dụng khai thác máy móc, thiết bị cách hiệu nâng cao chất lượng sản phẩm Ý nghĩa mặt lý luận: • Là sở để phân tích cấu tạo giải thích nguyên lý hoạt động trạm phân loại vận chuyển sản phẩm Nắm phương pháp điều khiển • Xây dựng, xếp phần tử khí nén thành mơ hình hồn chỉnh Ý nghĩa mặt thực tiễn: • Ứng dụng thực tế vào giảng thực hành trình học tập xưởng điện trường Là mơ hình thực hành cho sinh viên Nghiên cứu phát triển vào thực tiễn 1.2 Đề xuất hướng nghiên cứu 1.2.1 Phạm vi nghiên cứu Với để tài chúng em tập chung nghiên cứu vấn đề sau: • Nghiên cứu thiết kế mơ hình tay gắp hai trục • Nghiên cứu, thiết kế mạch điện: Mạch điều khiến sử dụng cảm biển, mạch điều khiển điện cho phần tử điện khí nén để điều khiển • Nghiên cứu nguồn ni: khí nén , nguồn chiều 24V 4,5A • Nghiên cứu chương trình điều khiển cho trạm phân loại vận chuyển phôi sử dụng PLC Mitsubishi 1.2.2 Phương pháp nghiên cứu 1.2.3 Phương tiện nghiên cứu • Sách tham khảo khí, điện, khí nén • Phần mềm CAD 2D, festofluidsim • Phần mềm Inventor 3D • Máy tính có kết nối Internet • Các phịng thí nghiệm: Điện, khí nén • Các xưởng gia công: Tiện, phay, CNC, hàn • Phầm mềm sách tham khảo GX works 1.3 Các giải pháp chế tạo Phương pháp điều khiển PLC Mitsubishi Fx1N 60MT 1.3.1 Ưu điểm • Khả tự chuẩn đốn giúp cho việc sửa chữa nhanh chóng dễ dàng • Chức điều khiển thay đổi dễ dàng thiết bị lập trình, khơng có u cầu thay đổi đầu vào khơng cần phải nâng cấp phần cứng • Giảm thiểu số lượng rơle timer so với hệ điều khiển cổ điển • Khơng hạn chế số lượng tiếp điểm sử dụng chương trình • Thời gian để chu trình điểu khiến hồn thành vài ms • Chương trình điều khiển in giấy chi thời gian ngắn giúp thuận tiện cho vấn đề bảo trì sửa chữa hệ thống • Chức lập trình dễ dàng, ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học • Kích thước nhỏ gọn, dễ dàng bảo quản, sửa chữa • Dung lượng chương trình lớn để chứa nhiều chương trình phức tạp • Hồn tồn tin cậy mơi trường cơng nghiệp • Dễ dàng kết nối với thiết bị thông minh khác như: máy tính, kết nối mạng Internet, Modul mở rộng • Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ 1.3.2 Nhược điểm • Giá thành cao (phần cứng + phần mềm ) • Địi hỏi người sử dụng phải có chun môn v.v 1.3.3 Cấu trúc hệ thống PLC Trong PLC, phần cứng CPU chương trình đơn vị cho trình điều khiển xử lý hệ thống Chức mà điều khiển cần thực xác định chương trình Chương trình nạp sẵn vào nhớ PLC, PLC thực việc điều khiển dựa vào chương trình Như muốn thay đổi hay mở rộng chức qui trình cơng nghệ, ta cần thay đổi chương trình bên nhớ PLC Việc thay đổi hay mở rộng chức thực cách dễ dàng mà không cần can thiệp vật lý so với sử dụng dây nối hay Relay Các điều khiển PLC sản xuất theo dòng sản phẩm Khi xuất xưởng, chúng chưa có chương trình cho ứng dụng Tất cổng logic bản, chức nhớ, timer, counter v.v nhà chế tạo tích hợp chúng kết nối với chương trình viết người dùng cho nhiệm vụ điều khiển cụ thể Các điều khiển lớn thành phần lắp thành modul riêng Đối với điều khiển nhỏ, chúng tích hợp điều khiển Các điều khiển nhỏ có số lượng ngõ vào/ra cho trước cố định Bộ điều khiển cung cấp tín hiệu tín hiệu từ cảm biến ngõ vào Tín hiệu xử lý tiếp tục thơng qua chương trình điều khiển đặt nhớ chương trình Kết xử lý đưa ngõ để đến đối tượng điều khiển hay khâu điều khiến dạng tín hiệu 1.3.4 Ứng dụng Từ ưu điểm, PLC ứng dụng nhiều lĩnh vực khác cơng nghiệp như: • Hệ thống nâng vận chuyển • Dây chuyền đóng gói • Các robot lắp giáp sản phẩm Điều khiển bơm • Dây chuyền xử lý hoá học Dây chuyền lắp giáp Tivi • Điều khiển hệ thống đèn giao thông Quản lý tự động bãi đậu xe • Hệ thống báo động • Dây chuyền may công nghiệp Điều khiển thang máy • Dây chuyền sản xuất xe ôtô Sản xuất vi mạch • Kiểm tra q trình sản xuất V.V 1.4 Kết luận chương Qua thời gian thực nghiệm, nghiên cứu đề tài, đồ án hoàn tất Nhưng vấn đề nảy sinh trình thực ko động lực kích niềm say mê nghiên cứu mà thách thức khả thân thành viên nhóm nghiên cứu Nội dung đê tài hình thành từ vấn đề trọng tâm cốt lõi tập trung vào mơ hình trạm phân loại vận chuyển sản phẩm Cách thức xây dựng mạch điện, chương trình xây dựng lắp đặt phần khí Qua thời gian tìm hiểu phương pháp điều khiển, thân em nhận thấy phương pháp điều khiển PLC tối ưu Do PLC có ngơn ngữ lập trình dễ hiểu, dễ học, có kích thước nhỏ gọn có độ tin cậy cao CHƯƠNG LỰA CHỌN THIẾT BỊ ĐIỆN 2.1 Sơ đồ khối Hình 2.1: Sơ đồ khối 2.2 Nguyên lý hoạt động Nguyên lý hoạt động mơ hình điều khiển tay gắp trục sử dụng hai servo chi tiết có cam sau: Mơ hình điều khiển tay gắp trục sử dụng hai servo motor để điều khiển chuyển động tay gắp Mỗi servo motor điều khiển tín hiệu điều khiển từ nguồn điều khiển Tín hiệu điều khiển chuyển đến điều khiển, nơi xử lý phân tích để xác định góc hướng chuyển động tay gắp Tín hiệu điều khiển sau truyền đến servo motor thứ Servo motor gắn với cam, cấu có hình dạng đặc biệt Khi servo motor xoay, cam xoay theo Cam tác động lên cấu khác, bánh cần gạt, để chuyển động tay gắp trục theo góc hướng xác định Tương tự, tín hiệu điều khiển truyền đến servo motor thứ hai Servo motor gắn với cam, cam tác động lên cấu khác để chuyển động tay gắp trục theo góc hướng xác định Kết là, tay gắp trục trục chuyển động theo góc hướng xác định từ tín hiệu điều khiển Điều cho phép mơ hình điều khiển tay gắp nắm giữ đối tượng cách xác linh hoạt Tóm lại, nguyên lý hoạt động mơ hình điều khiển tay gắp trục sử dụng hai servo chi tiết có cam dựa việc sử dụng servo motor cấu cam để điều khiển chuyển động tay gắp theo góc hướng xác định từ tín hiệu điều khiển 2.3 Lựa chọn thiết bị 2.3.1 Aptomat Aptomat pha hay gọi cầu dao điện tự động chuyên dùng để đóng ngắt điện, bảo vệ hệ thống điện & thiết bị điện xảy chố chập, cháy nổ điện gây nguy hiểm Hình 2.2: Hình ảnh Aptomat 10 Hiệu suất độ tin cậy: Aptomat pha từ nhà sản xuất đáng tin cậy thường có hiệu suất cao độ tin cậy đáng tin cậy Điều giúp đảm bảo hoạt động ổn định bảo vệ hệ thống điện bạn thời gian dài 2.3.2 Nguồn tổ ong 24V-4.5A ➢ Thông tin • Điện áp đầu vào: AC 220V ( chân L N ) · • Điện áp đầu ra: DC 24V 5A ( chân dương: V+ , chân Mass-GND: V- ) • Cơng suất: 120W · • Điện áp điều chỉnh: +/-10% · • Phạm vi điện áp đầu vào: 85 ~ 132VAC / 180 ~ 264VAC · • Dòng vào: 2.6A/ 115V, 1.3A/ 230V · • Bảo vệ tải, Bảo vệ áp Khả chống sốc: 10 ~500Hz · • Kích thước: 199x 98x 38mm · • Trọng lượng: 0.52 Kg • Cơng dụng: Cung cấp nguồn chiều 24V cho thiết bị khác Hình 2.3: Nguồn tổ ong 24V-4.5A 12 ➢ Ưu điểm nguồn tổ ong 24V-4.5A Độ tin cậy cao: Nguồn tổ ong thường thiết kế để cung cấp nguồn điện ổn định đáng tin cậy cho thiết bị điện tử Điều giúp đảm bảo hoạt động liên tục ổn định hệ thống Hiệu suất lượng: Nguồn tổ ong thường có hiệu suất cao, giúp tiết kiệm lượng giảm tiêu thụ điện Điều mang lại lợi ích mặt kinh tế mơi trường Kích thước nhỏ gọn: Nguồn tổ ong thường có kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm không gian lắp đặt ứng dụng có hạn chế khơng gian Bảo vệ an toàn: Nguồn tổ ong thường kèm với tính bảo vệ bảo vệ tải, bảo vệ ngắn mạch bảo vệ nhiệt Điều giúp bảo vệ thiết bị điện tử khỏi cố đảm bảo an toàn vận hành 2.3.3 Driver servo MITSUBISHI Hình 2.4: Máy driver servo Mitsubishi 13 • Thơng số Thương hiệu Mitsubishi Electric Xuất xứ Nhật Bản Chức Ổ đĩa AC servo Dòng sản phẩm Dòng MELSERVO J2S Tên phạm vi phụ Dòng MR-J2 Chức Bộ điều khiển servo chuyển động xoay chiều/bộ khuếch đại sóng hình sin Phương pháp điều khiển/điều khiển dòng điện điều khiển tốc độ chế độ điều khiển mơ-men xoắn Thiết kế phanh động tích hợp làm mát tự nhiên Điện áp cung cấp (AC) 200Vac-230Vac (loại 200V; 220Vac/230Vac) Loại mạng Đầu vào pha (2P) đầu vào pha (3P) Công suất hoạt động định 1000W / 1kW mức kW ngắt dòngtái tạo ngắt điện ápngắt tải (nhiệt Chức bảo vệ điện tử)bảo vệ nhiệt động servobảo vệ lỗi mã hóabảo vệ lỗi tái sinhbảo vệ lỗi điện áp/mất điện đột ngộtbảo vệ tốc độbảo vệ lỗi mức Chiều cao thực (mm) 168mm Chiều rộng lưới (mm) 70 mm Độ sâu ròng (mm) 190mm x đầu vào kỹ thuật số (24Vdc; sink/source) (EMG)1 x đầu vào kỹ thuật số (24Vdc; sink/source) (LSP)1 x đầu vào kỹ thuật số (24Vdc; sink/source) (LSN)1 x đầu vào Đầu vào kỹ thuật số kỹ thuật số (24Vdc; sink /nguồn) (SON)1 x đầu vào kỹ thuật số (24Vdc; sink/source) (RES)1 x đầu vào kỹ thuật 14 số (24Vdc; sink/source) (PC / ST1 / RS2)1 x đầu vào kỹ thuật số (24Vdc; sink/sour x đầu kỹ thuật số (loại tiếp điểm rly.) (ALM)1 x đầu Đầu kỹ thuật số kỹ thuật số (loại tiếp điểm rly.) (ZSP)1 x đầu kỹ thuật số (loại tiếp điểm rly.) (TLC / VLC) Đầu vào analog x đầu vào analog (0-10Vdc) (TLA / TC)1 x đầu vào analog (-10…+10Vdc) (VC / VLA) Kích thước H168mm x W70mm x D190mm Nhiệt độ khơng khí xung quanh để vận hành 0…+55 °C Nhiệt độ khơng khí xung -20°C…+65°C quanh để lưu trữ Mức tiêu thụ đầu vào 54A Tiêu thụ điện (tiêu thụ 50 W điện phụ trợ ổ đĩa) Khả tương thích kỹ Dòng HC-SFS Dòng HC-LFS thuật với Mã đơn hàng / SKU nhà sản xuất MR-J2S-100A • Ưu điểm driver servo MITSUBISHI Độ tin cậy: Mitsubishi thương hiệu tiếng có nhiều năm kinh nghiệm lĩnh vực điều khiển servo Sản phẩm họ thường đánh giá cao độ tin cậy ổn định Hiệu suất cao: Drive servo Mitsubishi thường có hiệu suất cao, cho phép hoạt động xác mượt mà Chúng hỗ trợ tính điều khiển tiên tiến kiểm soát tốc độ, vị trí momen 15 Đa dạng sản phẩm: Mitsubishi cung cấp loạt drive servo cho ứng dụng khác Bạn tìm thấy sản phẩm phù hợp với yêu cầu cụ thể dự án bạn, bao gồm loại drive servo cho ứng dụng công nghiệp lẫn dân dụng Dễ sử dụng cấu hình: Mitsubishi cung cấp phần mềm điều khiển cơng cụ cấu hình dễ sử dụng, giúp bạn tiết kiệm thời gian công sức trình cài đặt vận hành Hỗ trợ kỹ thuật: Mitsubushi có mạng lưới hỗ trợ kỹ thuật rộng khắp, đảm bảo bạn nhận hỗ trợ cần thiết trình triển khai vận hành dự án 2.3.4 PLC S7 1200 Hình 2.5: PLC S7 1200 - Mơ tả sản phẩm Dịng CPU 1214C: • CPU 1214C có versions với điện áp nguồn điện áp điều khiển khác • Tích hợp nguồn 24 V cho encoder cảm biến Nguồn dòng 300 mA sử dụng cho loại tải khác Tích hợp 14 ngõ DI 24 VDC, 10 ngõ DO, ngõ AI 0…10V • nguồn xung với tần số lên đến 100kHz 16 • Tích hợp giao tiếp Ethernet (TCP/IP native, ISO-on-TCP) • counter với counter 100 kHz counter 30 kHz • Board tín hiệu mở rộng tương tự số cắm CPU • Tích hợp điều khiển PID, đồng hồ thời gian thực - Thông số kỹ thuật Power Supply 24 V DC Input voltage DI 24 V DC Output Voltage DO 24 V DC Working Memory 100 kbyte Load Memory Mbyte Protocols PROFINET IO, PROFIBUS, AS-Interface Programming Language LAD, FBD, SCL Ambient temperature in operation 0-60°C Class of Protection IP 20 - Ưu điểm PLC S7 1200 Hiệu suất độ tin cậy: PLC S7-1200 sản phẩm Siemens, nhà cung cấp hàng đầu lĩnh vực tự động hóa cơng nghiệp S7-1200 thiết kế để cung cấp hiệu suất độ tin cậy cao, đảm bảo hoạt động ổn định đáng tin cậy cho ứng dụng công nghiệp Kích thước nhỏ gọn: PLC S7-1200 có thiết kế nhỏ gọn, tiết kiệm không gian dễ dàng tích hợp vào hệ thống tự động hóa có hạn chế không gian 17 Dễ sử dụng cài đặt: PLC S7-1200 thiết kế với giao diện người dùng thân thiện, điều giúp dễ dàng cài đặt, lập trình vận hành Nó hỗ trợ nhiều ngơn ngữ lập trình, bao gồm Ladder Diagram (LD), Structured Text (ST) Function Block Diagram (FBD) Tích hợp mạnh mẽ: S7-1200 hỗ trợ giao thức liên lạc phổ biến PROFINET, Modbus TCP, Ethernet/IP, cho phép tích hợp với thiết bị hệ thống tự động hóa khác Nó có cổng giao tiếp RS485, RS232 Ethernet, cung cấp linh hoạt kết nối với thiết bị ngoại vi khác Hỗ trợ mạnh mẽ: Siemens có mạng lưới hỗ trợ kỹ thuật toàn cầu, đảm bảo bạn nhận hỗ trợ tư vấn cần thiết cần Họ cung cấp tài liệu hướng dẫn chi tiết, tài liệu kỹ thuật khóa đào tạo để giúp bạn làm việc với PLC S7-1200 cách hiệu 2.3.5 Trục vít me đai ốc Vít me – đai ốc cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến Truyền đơng vít me – đai ốc có loại vít me – đai ốc trượt vít me đai ốc bi - Cơ cấu vít me-đai ốc trượt có đặc điểm: + Độ xác truyền động cao, tỷ số truyền lớn + Truyền động êm, có khả tự hãm, lực truyền lớn + Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren số vòng quay lớn + Hiệu suất truyền động thấp nên dùng để thực chuyển động Hình 2.6: Trục vít me đai ốc 18 Chiều dài: 34cm Chiều rộng: 6,8cm 2.3.6 Camera cơng nghiệp VSTECH Hình 2.7: Camera công nghệ VSTECH - Thông số: Thành phần Mơ tả Cảm biến hình ảnh Color - Aptina MT9P031 Kích thước cảm biến (um) 2.2 × 2.2 Cơng nghệ cảm biến CMOS, rolling shutter Kích thước cảm biến 5,7mm x 4,28mm Độ phân giải 1920 × 1080 Tốc độ 30fps Video Output Format Mono (8, 12), YUV 4:2:2 Packed (YCbCr 422), Bayer (8, 12), RGB Cổng kết nối USB3.0 Nguồn họat động 5V Kích thước (mm) 28x28x45 mm Hệ điều hành hỗ trợ Windows, Linux, Mac OS X Vỏ Nhôm nguyên khối với khe tản nhiệt tối ưu giúp camera hoạt ổn định 19 Bản vẽ đấu nối DRIVER SERVO với PLC Hình 2.8: Bản vẽ đấu nối DRIVER SERVO với PLC 20