93 Trang 21 Về các vấn đề cần nghiên cứu: Nội dung của đề tài là tìm hiểu về cách phân loại bánh đã đóng hộp theo khối lượng, tìm hiểu về quy trình nhận biết khối lượng và phản hồi tí
Đặt vấn đề
Theo số liệu từ Tổng Cục Thống Kê, ngành chế biến thực phẩm tại Việt Nam chiếm tỷ trọng cao nhất với 19,1% trong ngành công nghiệp chế biến, chế tạo Từ năm 2016 đến 2020, tốc độ tăng trưởng sản xuất công nghiệp của ngành này đạt trung bình 7% mỗi năm, mặc dù năm 2020 chỉ tăng 4,5% do ảnh hưởng của dịch COVID-19 Tuy nhiên, vào đầu năm 2021, khi dịch bệnh được kiểm soát, ngành chế biến thực phẩm đã có sự cải thiện rõ rệt Việc phân loại thực phẩm bằng sức người tại một số doanh nghiệp đã phần nào hạn chế năng suất đầu ra.
“Thiết bị công nghệ lạc hậu” ảnh hưởng đến hiệu quả sản xuất của các doanh nghiệp trong năm 2022 theo từng quý lần lượt là 14,5%, 15,4%, 15,1% và 14,2% [1]
Hiện nay, với sự phát triển vượt bậc của khoa học kỹ thuật, con người đã phát triển nhiều hệ thống phân loại sản phẩm đa dạng, áp dụng các kỹ thuật khác nhau vào thực tiễn.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc, hình dạng, kích thước và chiều cao đã trở nên quen thuộc Tuy nhiên, tại Việt Nam và trên toàn thế giới, một phương pháp phân loại mới, có tính ứng dụng cao và hoạt động liên tục với độ chính xác gần như tuyệt đối, đang được áp dụng Hệ thống này sử dụng công nghệ nhận biết khối lượng, mang lại hiệu quả vượt trội trong việc phân loại các sản phẩm có khối lượng khác nhau.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng hiện nay đã có nhiều mô hình trong và ngoài nước Để đáp ứng nhu cầu chính xác cao trong việc đóng gói và sắp xếp hàng hóa, các cơ cấu tay gạt hay xylanh thông thường không còn đủ khả năng Sự ra đời của robot đã giải quyết hiệu quả công việc này, thay thế con người với độ chính xác cao, hiệu suất vượt trội và khả năng hoạt động liên tục.
Áp dụng hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng giúp doanh nghiệp hiện đại hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả, năng suất Hệ thống này đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng Một cải tiến đáng chú ý là việc sử dụng cánh tay Robot trong phân loại và sắp xếp sản phẩm, mang lại nhiều lợi ích cho doanh nghiệp.
Với nhu cầu tiêu thụ thực phẩm ngày càng tăng và tính cấp thiết của hệ thống tự động hóa trong phân loại sản phẩm, nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống phân loại, sắp xếp bánh theo khối lượng kết hợp cánh tay Robot sử dụng PLC S7-1200” nhằm cải thiện hiệu suất kinh doanh cho doanh nghiệp.
Mục tiêu
Nhóm thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống phân loại, sắp xếp bánh theo khối lượng kết hợp cánh tay Robot sử dụng PLC S7-1200" nhằm đạt được những mục tiêu cụ thể như tối ưu hóa quy trình phân loại và sắp xếp sản phẩm, nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sai sót trong sản xuất.
• Đề tài được nghiên cứu và sử dụng PLC S7-1200 điều khiển các cơ cấu nhận dạng khối lương, cơ cấu vận chuyển, và Robot 3 bậc tự do
• Hệ thống nhận biết được hộp bánh với khối lượng khác nhau
• Robot hút hộp bánh và đặt đúng vào vị trí trong khay
• Tốc độ phân loại 1 phút với đủ bánh loại 1 và 2 phút với đủ bánh loại 2 vào khay với độ chính xác 93%.
Giới hạn đề tài
Đề tài “Thiết kế và thi công hệ thống phân loại, sắp xếp bánh theo khối lượng kết hợp cánh tay Robot sử dụng PLC S7-1200” của nhóm giới hạn:
• Hệ thống chỉ phân loại được 2 loại bánh với khối lượng khác nhau, bánh với khối lượng không theo thiết lập sẽ vận chuyển đến nơi để bánh lỗi
Robot có khả năng phân loại và sắp xếp các loại bánh hình trụ tròn vào khay chứa Thiết bị này chỉ có thể hút được những chiếc bánh nhẹ, với khối lượng tối đa 100g và yêu cầu bề mặt nhẵn.
• Tốc độ của băng tải trong quá trình hoạt động phải giữ ở mức cố định
• Số lượng bánh di chuyển trên băng tải vận chuyển chính không liên tục mà phải có trì hoãn khoảng tối đa là 3s.
Nội dung nghiên cứu
Nội dung: Trình bày tổng quan sơ bộ về các yêu cầu của báo cáo như đặt vấn đề, mục tiêu, giới hạn và nội dung đề tài
Chương 2 Cơ sở lý thuyết
Nội dung: Trình bày các hệ thống phân loại bánh hiện có, tổng quan PLC trong công nghiệp, giới thiệu sơ bộ về hệ thống, quy trình công nghệ…
Chương 3 Tính toán và thiết kế hệ thống
Trong bài viết này, chúng tôi sẽ giới thiệu các thiết bị phần cứng sử dụng trong đề tài, bao gồm các thành phần chính và chức năng của chúng Tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bày thiết kế mô hình 3D của hệ thống, giúp hình dung rõ hơn về cấu trúc và bố trí các thiết bị Cuối cùng, chúng tôi sẽ hướng dẫn cách kết nối các thiết bị phần cứng trong hệ thống, đảm bảo hoạt động hiệu quả và đồng bộ.
Chương 4 Thi công hệ thống
Nội dung: Trình bày quy trình thi công tổng thể phần cứng và phần mềm
Chương 5 Kết quả đạt được
Nội dung: Trình bày kết quả đạt được trong quá trình thực hiện đề tài
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển
Nội dung: Trình bày các kết luận sau khi hoàn thành đề tài, từ đó đưa ra hướng phát triển trên thực tế.
Tổng quan về hệ thống
Hệ thống bao gồm việc đưa hộp bánh đến mặt cân qua băng tải cao hơn, sau đó sử dụng xylanh để đẩy hộp bánh đến băng tải chính Robot sẽ nhận diện hộp bánh nhờ cảm biến quang Khi hộp bánh ở vị trí cố định trên băng tải, Robot sẽ hút và chuyển đến vị trí đã thiết lập trong khay trên băng tải vận chuyển khay.
Cánh tay Robot sử dụng xung tốc độ cao (PTO) từ PLC qua driver để điều khiển động cơ bước, giúp xoay góc cần thiết theo động học Robot và vị trí đã được thiết lập trước.
Các thông số và quy trình hoạt động sẽ được thiết lập và giám sát trên màn hình HMI đặt tại hệ thống.
Tổng quan về hệ thống phân loại và sắp xếp sản phẩm sử dụng cánh Robot
Hệ thống phân loại màu sắc sử dụng nhiều kỹ thuật khác nhau, bao gồm cảm biến màu sắc và camera, để xác định màu sắc của vật thể, với cơ cấu chấp hành là cánh tay Robot.
Hình 2 1 Hệ thống phân loại theo màu sắc sử dụng cánh tay Robot [2]
Hệ thống phân loại theo màu sắc hoạt động bằng cách nhận diện màu sắc sản phẩm thông qua cảm biến hoặc camera, sau đó gửi tín hiệu về PLC hoặc vi xử lý Bộ điều khiển sẽ phát tín hiệu để điều khiển robot gắp sản phẩm tại vị trí đã được xác định trước Hệ thống này được ứng dụng rộng rãi trong các dây chuyền sản xuất gạch, ngói, đá hoa cương và trong việc phân loại nông sản như gạo và cà phê Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là hiệu suất phân loại giảm khi được đặt trong môi trường thiếu ánh sáng tốt, dẫn đến kết quả không chính xác.
2.2.2 Hệ thống sắp xếp sản phẩm theo vị trí sử dụng cánh tay Robot
Hệ thống sắp xếp sản phẩm sử dụng camera để nhận diện vị trí đặt hàng trên băng truyền Camera sẽ truyền tín hiệu đến bộ xử lý trung tâm, từ đó điều khiển Robot gắp vật theo phương dọc Tuy nhiên, hệ thống này gặp khó khăn trong điều kiện ánh sáng thấp và yêu cầu không gian trống lớn cả về chiều ngang lẫn chiều cao để Robot hoạt động hiệu quả.
Hình 2 2 Hệ thống sắp xếp sản phẩm đúng vị trí [2]
Tổng quan về Robot trong công nghiệp
Robot công nghiệp, hay còn gọi là Industrial Robotics, là những thiết bị được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường sản xuất Chúng có khả năng di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ thông qua hai hoặc nhiều trục liên kết với nhau, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Hình 2 3 Robot trong công nghiệp [3]
Hiện nay, các hãng sản xuất đang tích cực phát triển Robot công nghiệp để nâng cao hiệu suất làm việc Nghiên cứu này nhằm mục đích thay thế sức lao động của con người, mang lại hiệu quả cao hơn trong sản xuất.
Hiện nay, thị trường xuất hiện nhiều loại Robot công nghiệp Để thuận tiện trong việc kiểm soát và lựa chọn, Robot được phân chia thành các loại khác nhau.
Theo không gian làm việc, thế hệ, bộ điều khiển, nguồn dẫn động, tính năng và các ngành nghề công nghiệp
2.3.3 Bài toán động học Robot a Động học thuận cánh tay Robot Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối khi biết trước tất cả các giá trị biến khớp, mối quan hệ đó biểu diễn như (Hình 2.4) Để giải được bài toán này thì tuân thủ quy tắc Denavit-Hartenberg
Hình 2 4 Sơ đồ động học thuận Robot [4]
Giả sử trong chuỗi động học của cánh tay Robot có n khâu, khâu thứ n nối khớp thứ n với khớp thứ n+1 sẽ có mô hình hóa như hình
Để mô hình hóa Robot sử dụng phương pháp biểu diễn D-H, bước đầu tiên là gắn hệ trục tham chiếu lên mỗi khớp xoay Tất cả các khớp đều được biểu diễn theo trục Z; nếu là khớp quay, trục Z sẽ được định hướng theo hướng dịch chuyển tạo ra sự quay theo quy tắc bàn tay phải, trong khi nếu là khớp tịnh tiến, trục Z sẽ theo hướng di chuyển Khoảng cách đường vuông góc giữa trục zn-1 và zn được ký hiệu là a, và hướng của trục xn sẽ theo đoạn a Hướng của trục y được xác định theo tam diện thuận của hệ trục tham chiếu Từ đó, ta có bảng thông số D-H.
• a là khoảng cách giữa zn-1 và zn so với xn-1
• α là góc giữa zn-1 và zn so với xn-1
• d là khoảng cách giữa xn-1 và xn so với zn
• 𝜃 là góc giữa xn-1 và xn so với zn
Công thức tổng quát ma trận biến đổi đồng nhất từ hệ trục {i} so với {i-1} theo
Ma trận chuyển vị của hệ từ hệ 0 đến hệ i được xác định bằng cách nhân các ma trận chuyển vị ở từng giai đoạn Công thức tính toán này cho phép chúng ta tổng hợp các ma trận để đạt được kết quả cuối cùng.
Kết quả của quá trình này thu được ma trận có dạng như công thức như sau:
Trong đó, R3x3 là ma trận thể hiện hướng, còn P3x1 là ma trận diễn tả vị trí của điểm đầu cuối so với tọa độ gốc Bên cạnh đó, động học nghịch của cánh tay robot cũng là một yếu tố quan trọng cần được xem xét.
Bài toán động học nghịch là một khía cạnh ngược lại của động học thuận, và mức độ phức tạp của nó phụ thuộc vào cấu trúc của Robot.
Hình 2 6 Sơ đồ động học nghịch Robot [4] Để tìm được đáp số người thiết kế Robot sử dụng một số phương pháp:
• Ưu điểm: Tìm đầy đủ các nghiệm nên không bị sót nghiệm
• Nhược điểm: Nếu Robot quá phức tạp việc tính toán hệ phương trình nhiều ẩn sẽ rất khó khăn
• Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu
• Nhược điểm: Dễ bị sót nghiệm
Phương pháp kết hợp đại số và hình học:
• Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu
• Nhược điểm: Đòi hỏi cần có kiến thức chắc giữa đại số và hình học.[4]
Bộ điều khiển lập trình PLC
2.3.1 Giới thiệu chung về bộ điều khiển lập trình PLC
PLC là thiết bị giúp tăng tốc độ và độ tin cậy trong các thao tác máy, thay thế các phương pháp điều khiển truyền thống bằng rơ le Với khả năng lập trình dựa trên lệnh Logic cơ bản, PLC cho phép điều khiển thiết bị một cách linh hoạt và dễ dàng Nó cũng có khả năng định thời, đếm và giải quyết các bài toán công nghệ, đồng thời tạo lập, gửi và tiếp nhận tín hiệu để kiểm soát các chức năng của máy và dây chuyền công nghệ Những ưu điểm nổi bật của PLC so với các bộ điều khiển khác là tính hiệu quả và khả năng tùy chỉnh cao.
- Cấu trúc dạng modue rất thuận tiện cho việc thiết kế, mở rộng, cải tạo nâng cấp…
- Có những module chuyên dụng để thực hiện những chức năn đặc biệt hay những module truyền thống để kết nối PLC với mạng công nghiệp hoặc mạng Internet
- Khả năng lập trình được, lập trình dễ dàng cũng là đặc điểm quan trọng để xếp hạng một hệ thống điều khiển tự động
Người lập trình không nhất thiết phải có kiến thức sâu về điện tử; điều quan trọng là họ phải hiểu rõ công nghệ sản xuất và biết cách lựa chọn thiết bị phù hợp để thực hiện lập trình hiệu quả.
Hệ sản xuất linh hoạt cho phép điều chỉnh chương trình và thay đổi trực tiếp các thông số mà không cần phải sửa đổi toàn bộ chương trình.
Bộ lập trình PLC Siemens Simatic S7-1200 là một giải pháp điều khiển cơ bản với thiết kế module nhỏ gọn và linh hoạt Nó hỗ trợ đầy đủ các chức năng điều khiển và truyền thông, phù hợp cho nhiều ứng dụng tự động hóa khác nhau, từ quy mô nhỏ đến trung bình.
Hình 2 7 Bộ điều khiển lập trình S7-1200 [6]
2.3.3 Ứng dụng của PLC trong thực tế
- Điều khiển đèn chiếu sáng
- Điều khiển bơm cao áp
- Máy in, máy dệt, máy trộn
- Kiểm soát hệ thống sưởi ấm/làm mát…
Cơ cấu giám sát HMI
HMI, hay giao diện người dùng, là một bảng điều khiển kết nối với máy móc, hệ thống hoặc thiết bị, thường được sử dụng trong môi trường công nghiệp HMI giúp hiển thị dữ liệu một cách trực quan, theo dõi thời gian sản xuất, giám sát các chỉ số KPI và quản lý đầu vào, đầu ra của nhà máy hiệu quả.
Hình 2 8 Cơ cấu giám sát HMI [9]
HMI là cầu nối giữa người dùng và máy móc, kết nối với bộ điều khiển qua phương thức có dây hoặc không dây Khi người vận hành tương tác trên màn hình hoặc thiết lập thông số, yêu cầu sẽ được gửi đến bộ điều khiển, từ đó điều khiển hoạt động của máy móc trong dây chuyền sản xuất.
Hệ thống máy móc dây chuyền có khả năng gửi trạng thái hoạt động và thông số hiện tại lên màn hình HMI, giúp người dùng giám sát và điều khiển hiệu quả HMI được sử dụng phổ biến trong các nhà máy sản xuất và ứng dụng giao tiếp người-máy, cung cấp thông tin chính xác cho người sử dụng.
Hình 2 9 HMI truyền thống và hiện đại [9]
Thiết bị nhập thông tin: công tắc chuyển mạch, nút bấm…
Thiết bị xuất thông tin: đèn báo, còi, đồng hồ đo, các bộ tự ghi dùng giấy
Nhược điểm của HMI truyền thống:
• Thông tin không đầy đủ và thiếu chính xác, độ tin cậy thấp, không ổn định
• Khả năng lưu trữ thông tin bị hạn chế
• Độ phức tạp cao và rất khó để mở rộng hệ thống
HMI trên nền máy tính và hệ điều hành Windows/MAC bao gồm các hệ thống như SCADA và Citect HMI trên nền tảng nhúng thường sử dụng hệ điều hành Windows CE 6.0 và có các loại HMI chuyên dụng Ngoài ra, còn có HMI di động như Palm và PocketPC Những ưu điểm của HMI hiện đại bao gồm khả năng tích hợp linh hoạt và giao diện thân thiện với người dùng.
• Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin
• Dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết
• Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, dễ vận hành và sửa chữa
• Có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức
• Khả năng lưu trữ cao
• Trong các hệ thống công nghiệp
• HMI luôn có trong các hệ SCADA hiện đại, vị trí của HMI ở cấp điều khiển, giám sát [9]
Băng tải
Băng tải, hay còn gọi là băng chuyền, là thiết bị chuyển tải hiệu quả về kinh tế, được sử dụng để vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu trên những khoảng cách đã được xác định trước Một số loại băng tải đặc biệt có khả năng vận chuyển hàng hóa với khối lượng lớn, lên đến hàng tấn.
Cấu tạo chung của một băng tải bao gồm các thành phần:
• Nơi tiếp nguyên liệu và nơi nhận nguyên liệu
• Một động cơ và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ
• Bộ các con lăn hỗ trợ chuyển động cho băng tải
• Hệ thống khung đỡ băng chuyền
• Hệ thống dây băng tải
Hình 2 10 Cấu tạo băng tải [10]
Băng tải xích là giải pháp lý tưởng cho việc vận chuyển các sản phẩm nặng và cần độ vững chắc, như chai và các đồ chứa công nghiệp Chúng thường được sử dụng để di chuyển các tải đơn vị nặng, bao gồm tấm nâng hàng và hộp lưới điện Băng tải xích có thể được cấu hình với một hoặc hai sợi dây chuyền, giúp tải được đặt trên các dây chuyền và ma sát kéo tải phía trước một cách hiệu quả.
Gồm các loại: băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn thép mạ kẽm, băng tải con lăn truyền động bằng motor
Băng tải con lăn là giải pháp lý tưởng cho việc vận chuyển sản phẩm có trọng lượng từ nhẹ đến rất nặng, phù hợp với nhiều môi trường khác nhau, từ môi trường thông thường đến những nơi có hóa chất ăn mòn và bụi bặm.
Hình 2 12 Băng tải con lăn [10]
Băng tải PVC là giải pháp tải nhẹ, kinh tế và cực kỳ thông dụng, đặc biệt trong ngành công nghiệp điện tử Nhiều công ty lớn của Hàn Quốc và Nhật Bản đã ứng dụng loại băng tải này cho dây chuyền sản xuất của mình Với độ bền cao và giá thành hợp lý, băng tải PVC ngày càng được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực.
Cơ cấu phân loại
Van điện từ 5/2 là thiết bị quan trọng trong hệ thống khí nén, giúp điều khiển việc cấp khí cho các thiết bị như van bi, van bướm và xy lanh khí Với khả năng hoạt động ở điện áp 24V hoặc 220V, van này không chỉ đảm bảo hiệu suất cao mà còn có giá thành phải chăng Sản phẩm đa dạng về kiểu loại, mang lại sự linh hoạt trong lắp đặt và sử dụng cho các ứng dụng công nghiệp khác nhau.
Hình 2 14 Sơ đồ cấu tạo van 5/2 [14]
- Thân van điện từ gồm 5 cửa lỗ và 2 vị trí
- Đầu coil điện sử dụng điện DC24V và AC220V
- Piston nằm trong thân van dùng để đóng mở van
- Nút đóng mở van điện từ 5/2
- Các bulong ốc vít cố định van
Van điện từ 5/2 hoạt động dựa trên nguyên lý đơn giản: khi cấp điện, piston trong coil van điện từ sẽ di chuyển, mở lỗ cấp khí và cho phép khí nén đi vào hệ thống sử dụng Khi ngắt nguồn điện, piston trở về vị trí ban đầu nhờ vào lực đàn hồi của lò xo, đóng lỗ khí và mở lỗ thoát khí, từ đó xả khí nén ra ngoài.
Van điện từ 5/2 hoạt động bình thường với lỗ 1 thông với lỗ 2 và lỗ 4 thông với lỗ 5 Khi được cấp điện và khí nén, lỗ 1 sẽ kết nối với lỗ 4, lỗ 2 thông với lỗ 3, trong khi lỗ 5 sẽ bị chặn lại.
Xi lanh khí nén là thiết bị quan trọng trong việc chuyển đổi năng lượng khí nén thành động năng, phục vụ cho các thao tác như đóng, mở, đẩy và ép Với thiết kế đơn giản nhưng hiệu quả cao, xi lanh khí nén được nhiều nhà máy ưa chuộng sử dụng trong các quy trình sản xuất.
Hình 2 15 Sơ đồ hoạt động Xylanh [14]
Van hút chân không khí nén là thiết bị công nghiệp quan trọng, được sử dụng để điều tiết và vận chuyển hơi, đồng thời kết nối các đường ống dẫn hơi với bơm hút chân không Loại van này đóng vai trò thiết yếu trong việc đảm bảo quy trình sản xuất thiết bị, phụ kiện và máy móc trong các ngành công nghiệp diễn ra nhanh chóng, an toàn và hiệu quả.
Hình 2 16 Van hút chân không
Giác hút chân không là thiết bị sử dụng khí nén để hút các sản phẩm, thường được chế tạo từ vật liệu mềm như cao su, nhằm giảm thiểu tác động lên bề mặt sản phẩm.
Hình 2 17 Sơ đồ tính toán lực hút chân không [11]
Công thức tính lực hút chân không:
• Fth: Lực nâng lý thuyết cần có để nâng vật (đơn vị: N)
• m: khối lượng vật cần nâng (Kg)
• S: Hệ số an toàn (Hệ số thông thường bằng 1.5; với các vật liệu không đồng nhất hoặc bề mặt nhám hệ số thường bằng 2) [11]
Cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử giúp nhận diện các trạng thái và quá trình vật lý hay hóa học trong môi trường, chuyển đổi chúng thành tín hiệu điện để thu thập thông tin Thông tin này được xử lý nhằm rút ra các tham số định tính hoặc định lượng, phục vụ cho việc truyền và xử lý thông tin, cũng như điều khiển các quá trình khác Các đại lượng đo như nhiệt độ và áp suất thường không mang tính chất điện, nhưng khi tác động lên cảm biến, chúng tạo ra các đại lượng điện như điện tích, điện áp hoặc dòng điện, từ đó cung cấp thông tin cần thiết để xác định giá trị của đại lượng đo.
Hình 2 18 Một số loại cảm biến [8]
2.7.1 Cảm biến cân nặng (Loadcell)
Cảm biến cân nặng loadcell là thiết bị chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Giá trị tác dụng của cảm biến tỉ lệ với sự thay đổi điện trở trong cầu điện trở, từ đó tạo ra tín hiệu điện áp tương ứng Loadcell điện trở hoạt động dựa trên nguyên lý áp lực – trở kháng, trong đó khi có tải trọng tác động, trở kháng sẽ thay đổi, dẫn đến sự thay đổi điện áp đầu ra khi điện áp đầu vào được cấp.
• Phần cơ khí gồm: sàn mặt cân, khung cân, khung bảo vệ, giá đỡ, …
Phần điện của Loadcell bao gồm 4 Strain Gauge được gắn vào thân thiết bị Strain Gauge là một dây kim loại mảnh được đặt trên một tấm có tính cách điện và đàn hồi Dây này được thiết kế theo hình zigzag để gia tăng chiều dài và độ biến dạng của điện trở khi chịu lực tác động, như nén hoặc kéo giãn.
Hình 2 19 Loadcell và Strain Gauge [7]
A load cell operates based on the Wheatstone bridge principle, where strain gauges R1, R2, R3, and R4 are configured to form a Wheatstone bridge circuit These strain gauges are adhered to the surface of the load cell body, enabling precise measurement of force or weight.
Khi dây kim loại chịu tác động của lực, điện trở của nó sẽ thay đổi tùy thuộc vào trạng thái nén hoặc kéo giãn Cụ thể, khi dây bị nén, chiều dài của Strain Gauge giảm và điện trở cũng giảm theo Ngược lại, khi dây kim loại bị kéo giãn, chiều dài sẽ tăng và điện trở cũng tăng lên.
Mạch đo Strain Gauge cần sử dụng cầu Wheatstone do tính nhạy bén của nó với những thay đổi nhỏ trong điện trở Khi Strain Gauge bị biến dạng, giá trị điện trở thay đổi rất ít, điều này khiến các thiết bị đo thông thường khó phát hiện.
Mạch cầu Wheatstone rất nhạy với những thay đổi nhỏ và dễ chế tạo với kích thước nhỏ gọn Với ngõ vào là điện trở thay đổi nhỏ và ngõ ra là điện áp, mạch đo Strain Gauge cần sử dụng cầu Wheatstone để đảm bảo độ chính xác trong việc đo đạc.
Hình 2 20 Sơ đồ mạch điện của Loadcell [7]
• R1, R2, R3, R4: các điện trở Strain Gauge
• UA: điện áp cung cấp (Red Excitation + và Black Excitation -)
• UB: điện áp ra (Green Signal + và White Signal -)
• Khi cấp nguồn cho cảm biến Loadcell, một điện áp kích thích được cung cấp cho
Ngõ vào Loadcell (UA) tạo ra điện áp tín hiệu ra (UB) Để đo độ biến dạng của Strain Gauge, ta áp dụng công thức đo độ dài biến dạng.
• ΔL: độ biến dạng dài cảu strain gauge
• GF: hệ số biến dạng (hệ số biến dạng của kim loại thường là 2)
• ΔR: độ thay đổi điện trở
• ΔL: độ biến dạng dài cảu Strain Gauge
Công thức tính điện trở Strain Gauge:
• R là điện trở Strain Gauge
• L chiều dài dây kim loại
• S tiết diện dây kim loại
• ρ là điện trở suất vật liệu dẫn
Trong trạng thái không tải (trạng thái cân bằng), các điện trở Strain Gauge không bị biến dạng, dẫn đến điện áp tín hiệu ra gần bằng không khi bốn điện trở được gắn với giá trị phù hợp.
Hình 2 21 Trạng thái Loadcell khi ở vị trí cân bằng [7]
Khi có tải, các điện trở Strain Gauge sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi giá trị điện trở Sự thay đổi này ảnh hưởng đến điện áp đầu ra, từ đó cho phép chúng ta xác định khối lượng của vật.
Hình 2 22 Trạng thái Loadcell khi có vật nặng [7]
Loadcell là thiết bị quan trọng trong các hệ thống cân và thiết bị cân điện tử, được ứng dụng phổ biến trong cả công nghiệp và đời sống hàng ngày Với độ chính xác cao, loadcell đã thay thế các loại cân truyền thống, mang lại hiệu quả và tiện lợi hơn cho người sử dụng.
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là thiết bị gồm các linh kiện quang điện, hoạt động dựa trên việc tiếp xúc với ánh sáng để thay đổi trạng thái Chúng sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu, mạch điều khiển sẽ tạo ra tín hiệu ở ngõ ra.
Bộ phát sáng sử dụng đèn bán dẫn LED làm cảm biến quang, phát ra ánh sáng theo xung Nhịp điệu xung đặc biệt cho phép cảm biến phân biệt giữa ánh sáng của chính nó và ánh sáng từ các nguồn khác.
Bộ thu sáng là thành phần quan trọng trong việc cảm nhận ánh sáng và chuyển đổi nó thành tín hiệu điện tỷ lệ Bộ phận này có khả năng nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát hoặc ánh sáng phản xạ từ vật thể được phát hiện.
Mạch xử lý tín hiệu ra chuyển đổi tín hiệu điện từ bộ phận thu ánh sáng thành tín hiệu điện On/Off, được khuếch đại phù hợp với các bộ vi xử lý Một trong những loại ngõ ra phổ biến là PNP, giúp tối ưu hóa hiệu suất trong các ứng dụng điện tử.
Bộ khếch đại tín hiệu Loadcell
Loadcell là thiết bị chuyển đổi khối lượng thành tín hiệu điện Tín hiệu điện của Loadcell thường ở dạng mV/V, rất nhỏ và khó đưa vào bộ điều khiển Do đó, cần sử dụng bộ khuếch đại tín hiệu Loadcell để xử lý tín hiệu này hiệu quả.
Bộ khuếch đại tín hiệu Loadcell có chức năng chuyển đổi tín hiệu điện dạng mV/V thành dạng 0-10V hoặc 4-20mA, phù hợp với các thiết bị hiện đại như PLC và SCADA Việc này làm cho bộ khuếch đại Loadcell trở nên thiết yếu và được sử dụng phổ biến trong các ứng dụng công nghiệp ngày nay.
2.8.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động
Cấu tạo của mạch khuếch đại loadcell gồm một mạch điện tử được thiết kế đặc biệt giúp khuếch đại tín hiệu từ Loadcell
Mạch khuếch đại tín hiệu loadcell có chức năng khuếch đại tín hiệu yếu từ loadcell, thường chỉ vài millivolts (mV), thành tín hiệu điện tương thích với đầu vào của hầu hết các bộ vi điều khiển như -5V đến +5V, 0 đến 10V, và 4mA đến 20mA.
Tín hiệu từ loadcell sẽ được truyền vào bộ khuếch đại tín hiệu đầu tiên, đi qua IC khuếch đại Opamp 1, một bộ khuếch đại vi sai, nhằm khuếch đại tín hiệu nhỏ từ cảm biến khối lượng.
Ngõ ra của Opamp 1 được truyền tiếp đến Opamp 2, tạo thành một mạch khuếch đại đảo, giúp tín hiệu được khuếch đại thêm lần thứ hai Quá trình này đảm bảo tín hiệu đầu ra phù hợp nhất với bộ vi điều khiển, đồng thời tăng cường độ chính xác và giảm thiểu sai số do nhiễu gây ra.
Động cơ bước
Động cơ bước, hay còn gọi là Step Motor, là một loại động cơ điện đặc biệt với nguyên lý hoạt động và ứng dụng khác biệt so với động cơ điện 1 pha và 3 pha thông thường.
Động cơ đồng bộ là một thiết bị có khả năng chuyển đổi tín hiệu điều khiển thành các xung điện rời rạc, từ đó tạo ra chuyển động góc quay Điều này cho phép người dùng cố định roto của máy ở các vị trí cần thiết, đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 2 27 Một số loại động cơ bước [5]
Công thức tính moment tải động cơ đối với cơ cấu Vitme
• F: lực tác dụng của tải (N) (F=m.a), a = 9.81m/𝑚 2 gia tốc trọng trường
• 𝑑 𝑚 : đường kính đai ốc di chuyển (m) 𝑑 𝑚 = 𝑑 − 𝑝
2 (d: đường kính trục vitme, p: bước răng)
• 𝑙 : khoảng cách thẳng đai ốc di chuyển trong 1 vòng (m) (𝑙 = 𝑝)
• f: ma sát vít me với đai ốc
Step Motor có cấu tạo như sau:
Rotor là một cấu trúc gồm nhiều lá nam châm vĩnh cửu được sắp xếp chồng lên nhau một cách tỉ mỉ Mỗi lá nam châm được chia thành các cặp cực đối xứng, tạo nên hiệu ứng từ trường mạnh mẽ.
– Stato được tạo bằng sắt từ được chia thành các rãnh để đặt cuộn dây
Hình 2 28 Cấu tạo động cơ bước [5]
Động cơ bước hoạt động theo cơ chế từng bước một, mang lại độ chính xác cao trong điều khiển Chúng hoạt động nhờ vào các bộ chuyển mạch điện tử, nhận tín hiệu lệnh điều khiển và truyền vào stato theo thứ tự và tần số nhất định.
Tổng số góc quay của rotor liên quan đến số lần chuyển mạch của động cơ Chiều quay và tốc độ của rotor phụ thuộc vào thứ tự và tần số chuyển đổi.
Hình 2 29 Sơ đồ nguyên lý động cơ bước [5]
Hiện nay, có 4 phương pháp để điều khiển động cơ bước được sử dụng phổ biến nhất, đó là:
Điều khiển động cơ bước dạng sóng là phương pháp cung cấp xung cho bộ điều khiển, giúp các cuộn dây pha hoạt động theo một thứ tự nhất định.
Điều khiển động cơ bước theo phương pháp Full step là cách điều khiển cấp xung đồng thời cho cả hai cuộn dây pha, được sắp xếp kế tiếp nhau.
Điều khiển động cơ nửa bước (Half step) là phương pháp kết hợp giữa điều khiển động cơ dạng sóng và điều khiển động cơ bước đủ Phương pháp này giúp giảm giá trị góc bước xuống dưới 2 lần và tăng số bước của động cơ lên gấp đôi so với điều khiển bằng động cơ bước đủ Tuy nhiên, việc áp dụng phương pháp này đòi hỏi bộ phát xung điều khiển phức tạp.
Điều khiển động cơ vi bước (Microstep) là một phương pháp tiên tiến được sử dụng trong việc điều khiển động cơ bước, cho phép động cơ dừng lại và định vị chính xác tại các vị trí nửa bước giữa hai bước đầy đủ.
Thiết kế cơ khí hệ thống
Hệ thống phân loại bánh bằng Robot yêu cầu độ chính xác cao về khối lượng và tọa độ, cùng với tính linh hoạt của Robot và sự ổn định của toàn bộ hệ thống Các yêu cầu cụ thể cho từng quy trình được trình bày chi tiết trong bảng 3.1.
Bảng 3 1 Yêu cầu thiết kế cơ khí
Quy trình hệ thống Yêu cầu đặt ra
Khung cơ khí chắc chắn, bánh được vận chuyển nhẹ nhàng, không rung lắc
Tiết diện phù hợp, vận chuyển được hộp bánh hình trụ tròn có kích thước:
Sp1: DHmm, H mm Sp2: DXmm, H0mm
Phân biệt, nhận diện khối lượng bánh
Bàn cân chắc chắn, bánh dễ dàng đến cân, dễ dàng rời cân, nhận biết chính xác khối lượng bánh từ 5-1000g với độ chính xác 95%
Robot di chuyển phân loại bánh nhanh chóng để bù đắp thời gian dừng băng tải, đồng thời đảm bảo độ chính xác và độ tin cậy cao Cơ cấu của robot có khả năng nâng vật với khối lượng tối đa lên đến 100g.
Hộp cố định được vị trí suốt quá trình phân loại Kích thước hộp với bánh tương ứng:
Sp1: 105x105x42mm Sp2: 126x64x62mm Giám sát và vận hành Vị trí điều khiển và giám sát thuận lợi
Với hệ thống phân loại nhóm thiết kế 4 băng tải tương tự nhau nhưng khác kích thước tương ứng với từng công dụng khác nhau
Hình 3 1 Hình ảnh 2D thiết kế băng tải
Hình 3 2 Hình ảnh 3D thiết kế băng tải
Bảng 3 2 Bảng thông số băng tải
Tên băng tải Công dụng
Băng tải 1 Đưa các bánh khác nhau vào cân 280 x 110 x 150
Băng tải PVC Nhôm định hình 20x20mm
Băng tải 2 Đưa bánh sau khi cân đến khâu phân loại 550 x 140 x 140
Băng tải PVC Nhôm định hình 20x40 mm
Băng tải 3 Đưa khay (126 x 64 x 62) mm chứa bánh loại 1 vào vị trí 500 x 70 x 100
Băng tải PVC Nhôm định hình 20x20 mm
Băng tải 4 Đưa khay (105 x 105 x 42) mm chứa bánh loại 2 vào vị trí 550 x 150 x 120
Băng tải PVC Nhôm định hình 20x20 mm
3.1.3 Thiết kế khâu nhận dạng khối lượng
Để đáp ứng yêu cầu về một bàn cân cứng cáp và dễ dàng sử dụng, nhóm thiết kế đã phát triển một mô hình bàn cân bằng chất liệu mica phẳng, kết hợp với cơ chế bập bên nhằm tối ưu hóa lực nén Với kích thước bàn cân 150 x 110 x 140 mm và sử dụng xylanh khí nén, giải pháp này giúp hộp bánh được chuyển giao đến khâu tiếp theo một cách hiệu quả, đồng thời nâng cao độ chính xác cho toàn bộ hệ thống.
Hình 3 3 Kích thước khâu nhận biết khối lượng 1
Hình 3 4 Kích thước khâu nhận biết khối lượng 2
Hình 3 5 Ảnh 2D và 3D khâu nhận biết khối lượng
3.1.4 Thiết kế khâu chứa khay
Để nâng cao tính tự động của hệ thống, mỗi kho chứa khay bánh được thiết kế riêng cho từng loại bánh, kết hợp với xylanh để đưa khay trống vào hệ thống ngay khi khởi động hoặc khi khay trước đã đầy Khay được làm từ chất liệu mica dày 2mm và có chân đế bằng nhôm định hình 20x20mm.
3.1.5 Thiết kế khâu vận hành và giám sát Đáp ứng yêu cầu hệ thống vận hành đơn giản, dễ dàng giám sát một cách trực quan, nhóm thiết kế 3 nút nhấn vật lý, 2 đèn báo hiệu và một màn hình điều khiển giám sát 7-inch được lắp vào khung đặt đặt hướng ra ngoài của mặt bàn chứa thiết bị
Hình 3 8 Ảnh 3D vận hành và giám sát
3.1.6 Tính toán thiết kế khâu phân loại (cánh tay Robot)
3.1.6.1 Tính toán động học Robot a Bảng DENAVIT-HARTENBERG (DH)
Xác định tọa độ: đặt các hệ trục tọa độ cho Robot như hình 3.9
Hình 3 9 Vị trí các trục tọa độ Robot
Từ đó ta có được thông số của bảng DENAVIT-HARTENBERG
Bảng 3 3 Thông số bảng DENAVIT-HARTENBERG
Trong đó: 𝑑 𝑖 là độ dài các khâu thứ i của Robot, 𝑑 1 ∗ là độ cao khớp tịnh tiến thay đổi,
𝜃 𝑖 là góc quay khớp thứ i, với i ∈ [1;3]
Ký hiệu của bảng DH:
• 𝑎 𝑖 là khoảng cách từ trục 𝑍 𝑖 đến trục 𝑍 𝑖+1 chiếu lên trục 𝑋 𝑖
• 𝛼 𝑖 là góc quay từ trục 𝑍 𝑖 đến trục 𝑍 𝑖+1 chiếu theo trục 𝑋 𝑖
• 𝑑 𝑖 là khoảng cách từ trục 𝑋 𝑖 đến trục 𝑋 𝑖+1 chiếu lên trục 𝑍 𝑖
• 𝜃 𝑖 là góc quay từ trục 𝑋 𝑖 đến trục 𝑍 𝑖+1 chiếu theo trục 𝑍 𝑖
Thông số chiều dài các khâu: (đơn vị: mm)
Bảng 3 4 Thông số chiều dài các link Robot
𝑑 1 [0-100] Khoảng cách mà khớp tịnh tiến có thể di chuyển theo trục Z
1 75 Khoảng cách từ tâm trục khớp tịnh tiến đến tâm đầu trục link 2
2 190 Khoảng cách từ tâm trục khớp link 2 đến tâm trục khớp link 3
Khoảng cách từ tâm trục khớp link 3 đến tâm trục khớp nối cơ cấu chấp hành là 3 140 Để thực hiện tính toán động học thuận cho Robot, chúng ta sử dụng dữ liệu từ bảng 3.2 và bảng 3.3, đồng thời áp dụng công thức ma trận chuyển đổi đồng nhất.
Công thức tổng quát ma trận biến đổi đồng nhất từ hệ trục {i} so với {i-1} theo John Craig [4]
Từ (3.1) và bảng DH ta tính được ma trận biến đổi đồng nhất {1} so với {0}:
Ma trận biến đổi đồng nhất {2} so với {1}:
Ma trận biến đổi đồng nhất {3} so với {2}:
] (3.5) Xét khâu cuối, ta xét điểm EE nằm trong toạ đô {3} là:
Ta tìm được ma trận biến đổi đồng nhất {3} so với {0}:
] (3.7) Toạ độ điểm EE so với toạ độ {0} (tọa độ điểm cuối Robot)
] (3.8) c Tính toán động học nghịch Robot
Trong tính toán động học nghịch cho Robot, có nhiều phương pháp như đại số, hình học, Jacobian và các phương pháp thông minh mới Nhóm quyết định lựa chọn phương pháp đại số để giải bài toán động học nghịch.
Phương pháp đại số được chọn vì tính đơn giản trong việc áp dụng cho cánh tay, với ít bộ nghiệm và tốc độ tính toán nhanh hơn so với các phương pháp khác Các bước giải động học nghịch được thực hiện một cách hiệu quả và dễ dàng.
Giả sử cho toạ độ điểm cuối của khâu EE là:
Từ việc tính toán động học thuận ta có được tọa độ điểm 𝑃 EE :
Ta có hệ phương trình sau:
3.1.6.2 Kiểm chứng Matlab a Kiểm tra động học Robot
Kiểm tra tính động học của robot được thực hiện thông qua kết quả của động học thuận, khi đặt các giá trị góc 𝜃 2 = 14.99° và 𝜃 3 = 62.99°, cùng với 𝑑 1∗ = 5 Kết quả tính toán từ Matlab được hiển thị như hình dưới đây.
Sau đó ta lấy tọa độ T0Es (x; y; z) vừa tìm được dùng để tính toán động học nghịch ta có kết quả là góc cần xoay của từng khớp
Hình 3 10 Kiểm chứng động học matlab
Ta thấy được kết quả hoàn toàn trùng khớp với nhau vậy quá trình tính toán của nhóm đã đúng b Kiểm tra không gian làm việc của Robot
Nhóm nghiên cứu tiến hành dự đoán chiều dài các khâu của Robot và kiểm chứng độ chính xác của động học Trước khi thiết kế Robot, họ vẽ không gian làm việc để đảm bảo tính khả thi của thiết kế.
Hình 3 11 Không gian làm việc của Robot theo trục XY (cm)
Theo hình 3.11, không gian làm việc của Robot rất rộng Cánh tay Robot di chuyển theo hình vòng cung, điều này giúp thuận tiện trong việc sắp xếp và thi công các thiết bị trên cùng một mặt phẳng, từ đó giảm thiểu sai sót.
3.1.6.3 Thiết kế cánh tay Robot ba bậc tự do bằng Solidworks
Cấu trúc của Robot M1 trong bài viết này bao gồm ba bậc tự do, với một khớp tịnh tiến và hai khớp xoay, được thể hiện rõ trong hình 3.12.
Hình 3 12 Ảnh 3D mô phỏng cấu trúc của cánh tay Robot
36 a Cấu trúc 3D từng khâu của Robot
Khâu 1 đóng vai trò là khớp tịnh tiến, nhằm đáp ứng yêu cầu của hệ thống nhóm thiết kế khâu 1 gồm có 1 đế dạng khối rỗng được cố định xuống mặt đất, một nắp đậy dạng khối đặc kết hợp cùng 3 trụ trơn 8mm tạo thành link 1 dạng hình trụ Để di chuyển tịnh tiến giữa khối trụ cần có khối trung gian kết nối link 1 với link 2 và link
3 Nhóm thiết kế dẫn động chuyển chuyển động xoay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến bằng thanh vitme 8mm kết hợp đai ốc, cùng với con trượt dọc LM8 để trượt nhẹ nhàng tăng tuổi thọ cho các chi tiết cơ khí
Nhóm thiết kế đã sử dụng tính cố định của link 1 để dẫn động chuyển động xoay của link 2 bằng cách lắp đặt động cơ trên cơ cấu tịnh tiến, kết hợp dây đai và pulley Phương pháp này giúp giảm tải trọng tối đa cho link 2, với tỷ lệ truyền động giữa cánh tay và bánh răng của động cơ là 3:2.
Thiết kế phần điện hệ thống
Bảng 3 5 Yêu cầu thiết kế điện hệ thống
Hệ thống Yêu cầu đặt ra
Khối nguồn Thiết kế, lựa chọn nguồn an toàn, đáp ứng hệ thống, an toàn cho thiết bị
Khối điều khiển Bộ điều khiển thông minh, linh hoạt, dễ sử dụng
Vận chuyển bánh Vận chuyển bánh với độ ổn định cao, tốc độ phù hợp < 100 rpm
Phân biệt, nhận diện khối lượng bánh
Hoàn toàn tự động, phân loại được vật có khối lượng từ 5 đến 300g, giá trị khối lượng đáng tin cậy với độ sai số bé hơn 5%
Phân loại Tốc độ phù hợp, hoạt động với độ chính xác 95%, độ phân giải tối thiểu 1.8° đối với động cơ dẫn động Robot
Giám sát và vận hành
Hệ thống vận hành dễ dàng với tối thiểu ba nút nhấn: Bắt đầu, Dừng, và Khẩn cấp Nó được trang bị đèn báo nguồn và đèn báo khẩn cấp, cho phép người dùng giám sát và cài đặt các thông số của hệ thống một cách thuận tiện.
3.2.2 Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3 24 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của các khối:
• Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện 220V AC, chỉnh lưu sang nguồn 24VDC, 12VDC, 5VDC cung cấp cho các thiết bị điện và cả hệ thống
• Khối điều khiển: Cho phép lập trình hệ thống, điều khiển quy trình hoạt động cả hệ thống
• Khối vận hành, giám sát: Cài đặt, vận hành và giám sát tình trạng hệ thống
Khối nhận biết khối lượng có nhiệm vụ chuyển đổi khối lượng của bánh thành các tín hiệu điện, gửi về khối điều khiển, giúp phân loại bánh một cách chính xác.
Khối vận chuyển có vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất, bao gồm việc cấp bánh vào cân, di chuyển bánh đến khâu phân loại, và vận chuyển khay chứa đến vị trí cần thiết hoặc đưa khay đã đầy đến các khâu tiếp theo.
Khối phân loại và sắp xếp có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ hệ thống điều khiển, nhằm đưa những bánh đã được phân loại vào đúng khay và vị trí tương ứng.
3.2.3 Lựa chọn thiết bị cho từng khối
Để tăng tính ổn định và đảm bảo chính xác vị trí phân loại, việc lựa chọn cơ cấu vận chuyển sẽ bị ảnh hưởng bởi yêu cầu làm việc và tốc độ làm việc trung bình của hệ thống Robot.
• Khối lượng hàng tối đa trên băng tải: 0.2kg
• Khối lượng trục và dây belt: 0.5kg
• Tốc độ băng tải: V = 1800 mm/min
Momen đầu trục băng tải: 𝑇 2 = 𝑊 𝑟 = 0.7 2 = 1.4 (kg.cm) (3.24)
Momen đầu trục động cơ: 𝑇 1 = 1 𝑇 2
Hình 3 25 Step motor và DC giảm tốc cho băng tải
Thông số Step motor NEMA17 Động cơ giảm tốc
Tốc độ không tải (rpm) - 66
Lực kéo moment định mức 0.45 N.m 5 kg.cm
Nhóm lựa chọn cảm biến vật cản E3F-DS10C4 nhờ vào giá thành rẻ, độ chính xác cao và tính ổn định tương đối tốt Cảm biến này sẽ được tích hợp vào hệ thống để nhận biết tình trạng của khay, bao gồm việc xác định có khay hay không, cũng như kiểm tra xem khay đã được xếp đủ bánh hay chưa.
Để điều khiển step motor bằng driver TB6600 với điện áp 5VDC, nhóm đã sử dụng Relay trung gian 5VDC để điều khiển các băng tải trong đề tài này.
Nhóm đã lựa chọn Relay MY2N Omron 24VDC với 2 cặp tiếp điểm (1 thường đóng và 1 thường hở, 8 chân) để đảm bảo số lượng tiếp điểm cần thiết, đồng thời điện áp hoạt động phù hợp với điện áp ngõ ra của bộ điều khiển.
Hình 3 26 Cảm biến vật cản Đầu ra NPN Điện áp 6-36 VDC
Hình 3 27 Module 4 relay 5VDC Điện áp nuôi mạch 5VDC
Dòng tiêu thụ 200mA/relay
Tín hiệu kích High (5 VDC), Low (0
Tiếp điểm đóng ngắt Max 250 VAC – 10A
Thông số cơ bản Giá trị
Hình 3 28 Relay 24VDC Điện áp cuộn dây 24 VDC
Số tiếp điểm thường đóng 1
Số tiếp điểm thường hở 1 Đèn báo trạng thái có
3.2.3.2 Khâu phân biệt khối lượng bánh Để đáp ứng yêu cầu phân loại bánh từ 5-1000g, độ chính xác trên 95%, với hình dạng khối chữ nhật phù hợp với thiết kế bàn cân phẳng nhằm đo lực nén của vật, để đạt được yêu cầu về cơ khí lẫn phần điện và đặc biệt là tính chính xác của hệ thống nhóm chọn cảm biến loadcell 2kg HX711 kết hợp cảm biến quang panasonic CX-444 có thể điều chỉnh tiêu cự ngắn, độ chính xác cực cao để cấp tín hiệu tham gia vận hành Đo lực Lực nén
Thang đo 2 kg Điện áp hoạt động 24 VDC
-Signal (S-) Trắng Điện áp hoạt động 24 DC
Hình 3 30 Mạch khuếch đại tín hiệu loadcell Độ chính xác >0.2%F S Độ nhạy 2 mV/V
Tín hiệu đầu ra 0-5V, 0-10V, 4-20mA
Sau khi khối lượng của bánh được xác định bằng cân điện tử Loadcell, bánh sẽ di chuyển trên băng tải 2 đến khâu phân loại Tại đây, cảm biến quang sẽ phát hiện bánh cần phân loại và gửi tín hiệu về bộ điều khiển Bộ điều khiển sau đó sẽ điều khiển động cơ để cơ cấu Robot thực hiện quá trình phân loại bánh.
Tổng khối lượng vật trên Link 1: 1.4kg
Dựa theo thiết kế cơ cấu cánh tay robot, động cơ khớp tịnh tiến bằng trục vitme Link
Thiết bị chịu tải lớn nhất trong ba thiết bị là 2 step Link2 và Link3, với cơ cấu nâng hạ Nhóm đã tính toán moment nâng tải là 0.0118 N.m và moment hạ tải là 0.0012 N.m Do đó, nhóm đã chọn step mã NEMA17 với moment xoắn cực đại 0.45 N.m và đồng bộ động cơ Link 2 và 3 cùng loại NEMA17 để đáp ứng yêu cầu hệ thống và phát triển trong tương lai.
Hình 3 31 Cảm biến quang CX-444 Điện áp 24VDC
Khoảng cách phát hiện 15-100mm
Cài đặt cường độ dòng điện và vi bước cho driver bằng cách gạt các Switch [8] với (0: OFF, 1: ON)
Bảng 3 6 Bảng cài đặt vi bước step motor [15]
Micro Pulse/rev SW1 SW2 SW3
Dòng điện 2.3 A Điện áp hoạt động 12-24 Vdc Điện trở pha 2.1 Ω
Hình 3 33 Driver TB6600 [8] Điện áp đầu vào
Để kết nối động cơ bước, hãy nối A+ và A- vào cặp cuộn dây đầu tiên, trong khi B+ và B- được kết nối với cặp cuộn dây còn lại Để điều chỉnh tốc độ, tín hiệu PUL+ sẽ được cấp vào động cơ.
(+5V) PUL- Tín hiệu cấp xung điều khiển tốc độ (-)
DIR + Tín hiệu cấp xung đảo chiều động cơ
(+5V) DIR- Tín hiệu cấp xung đảo chiều động cơ (-)
Bảng 3 7 Bảng cài đặt dòng điện [15]
0.5 - 0.7 1 1 1 Ở đây nhóm cài đặt xung cấp cho mỗi động cơ Link 1,2,3 theo thứ tự là 800,1600,1600 (Pulse/s) và dòng điện định mức lần lượt là 1.2A, 1.7A, 1.2A
Nhóm sử dụng cảm biến tiệm cận để phát hiện kim loại với khoảng cách nhận diện ngắn từ 1 đến 4 mm, nhằm cài đặt vị trí xuất phát đầu tiên cho cánh tay Robot tại Link 2 và Link.
3, từ đó giúp tăng độ chính xác cho khâu sắp xếp cũng như tính ổn định cho hệ thống
Hình 3 34 Cảm biến tiệm cận
Loại 3 dây Đối tượng phát hiện Kim loại
Giác hút chân không có đường kính lớn nhất là 6cm, nhưng nhóm đã chọn giác hút với đường kính 2.5cm, đảm bảo lực hút tối ưu cho ứng dụng.
Lực nâng tối đa hệ thống cần để nâng bánh nặng nhất theo phương thẳng đứng:
• 𝐹 𝑡ℎ : Lực nâng lý thuyết cần có để nâng vật (N)
• m: Khối lượng vật cần nâng (kg)
Lực nâng nhóm lựa chọn được tính toán với áp suất đầu vào là 3 bar, bao gồm áp suất khí quyển Sau khi trừ áp suất khí quyển, áp suất còn lại là p = 3 - 1 = 2 bar, tương đương với 0.2 MPa hay 0.2 x 10^6 Pa, tức là 0.2 x 10^6 N/m².
F= p.S = 0.2 x 10 6 x 4.9 x 10 −4 = 98 (N) (3.36) Dựa vào kết quả ta thấy chọn giác hút đường kính 2 cm là đủ dùng cho mô hình
Hình 3 35 Giác hút chân không
Thiết kế lưu đồ giải thuật
3.3.1 Yêu cầu điều khiển hệ thống
Hệ thống hoạt động ở 2 chế độ vận hành: chế độ Auto và Manual
Hệ thống sẽ kiểm tra tính đầy đủ của các thông số cần thiết, bao gồm khối lượng bánh cần phân loại, số lượng bánh được đặt vào khay và số lượng khay chứa cần phân loại cho mỗi loại khối lượng.
Khi đã có đủ thông số cần thiết, hãy nhấn nút ON để khởi động hệ thống Lúc này, băng tải 1 sẽ vận chuyển bánh đến cân, trong khi khay chứa bánh được đẩy ra khỏi kho và di chuyển đến vị trí để nhận bánh.
Sau 3 giây, khi khối lượng bánh đã ổn định, xylanh sẽ đẩy bánh đã cân vào băng tải chính để vận chuyển đến hệ thống Robot cho quá trình phân loại và sắp xếp Những bánh có khối lượng lỗi sẽ được chuyển qua băng tải chính đến khu vực chứa bánh lỗi ở cuối băng tải.
Hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động cho đến khi đạt đủ số lượng khay cần thiết để phân loại Khi số lượng yêu cầu đã đủ, hệ thống sẽ dừng lại.
Hệ thống sẽ tự động báo lỗi và tạm dừng hoạt động khi gặp phải các trường hợp như: quá tải khối lượng cho phép trên cân, phát hiện hết khay chứa trong kho, hoặc mất tín hiệu từ cảm biến Tất cả các lỗi này sẽ được ghi lại và xử lý sau đó.
- Trong quá trình hoạt động nếu không xảy ra lỗi hệ thống, người dùng sẽ không thể thay đổi thông số hệ thống hoặc chuyển chế độ vận hành
- Ở chế độ Manual người dùng có thể thao tác bằng tay tất cả những thiết bị có trên hệ thống như:
+ Điều khiển On/Off hệ thống băng tải
+ On/off giác hút chân không
+ Điều khiển cánh tay Robot (việc điều khiển sẽ bị giới hạn trong không gian làm việc của Robot)
- Các công việc thay đổi cấu hình hệ thống như:
+ Thay đổi vị trí đặt bánh
+ Thay đổi tốc độ vận hành
Sẽ được thực hiện bởi kỹ sư và được bảo mật cẩn thận
- Khi hệ thống hoạt động ở chế độ Manual tất cả thông số sẽ không được hiển thị trên màn hình giám sát
3.3.2 Lưu đồ giải thuật điều khiển
Quy trình vận hành của hệ thống được mô tả với hai chế độ là Tự động (Auto) và Thủ công (Manual), như thể hiện trong hình 3.58 và hình 3.59.
Hình 3 59 Lưu đồ hoạt động hệ thống
Hình 3 60 Lưu đồ điều khiển chế độ Auto
Hình 3 61 Lưu đồ điều khiển chế độ Manual
Thi công cơ khí
4.1.1 Thi công khâu vận chuyển bánh
Nhóm đã tiến hành thi công 4 băng tải với 4 kích thước khác nhau dựa trên bản thiết kế trước đó, mỗi băng tải được thiết kế phù hợp với chức năng riêng Băng tải 1 sẽ được lắp đặt vuông góc với băng tải khác.
2, băng tải 2 được đặt dọc theo tâm mặt bàn, băng tải 3 và 4 được đặt 2 bên nửa cuối băng tải 2
Hình 4 2 Khâu vận chuyển bánh trên băng tải chính
Hình 4 3 Khâu vận chuyển khay sau khi phân loại
4.1.2 Thi công khâu nhận biết khối lượng bánh
4.1.3 Thi công khâu chứa khay
Nhóm thi công kho chứa khay bằng chất liệu mica với dộ dày 2mm Kết quả thi công kho 1 và kho 2 như hình
4.1.4 Thi công khung nút nhấn và màn hình giám sát
Hình 4 6 Vận hành giám sát
4.1.5 Thi công khâu phân loại bánh (Robot)
Sau khi hoàn thành bản thiết kế và lý thuyết tính toán động học, nhóm thi công Robot đã nhanh chóng triển khai quá trình lắp ráp Nhóm đã chọn chất liệu nhựa ứng dụng công nghệ in 3D với sai số nhỏ, cùng với các thiết bị cần thiết như trục tròn, vít me và con trượt Kết quả của quá trình thi công cơ khí Robot đã được thể hiện rõ qua hình ảnh minh họa.
4.1.6 Thi công khay chứa bánh
Nhóm thi công khay chứa bánh mica với hai kích thước khác nhau cho hai loại bánh
Thi công phần điện
Van điện từ 5/2 được thiết kế ẩn phía sau để nâng cao tính thẩm mỹ cho hệ thống, đồng thời kết hợp với các đầu giảm thanh nhằm giảm thiểu tiếng ồn phát sinh từ khí nén.
Hình 4 9 Hệ thống van khí
Sau khi hoàn tất việc lựa chọn thiết bị cho các khối, nhóm sẽ tiến hành lắp đặt thiết bị lên bảng điện, sử dụng thanh ray và ốc vít để cố định Dây dẫn sẽ được giấu kín trong máng cáp, đảm bảo an toàn và nâng cao tính thẩm mỹ cho toàn bộ hệ thống.
Cài đặt cấu hình điều khiển động cơ bước trên phần mềm TIA PORTAL v16
Nhóm thực hiện điều khiển cánh tay Robot bằng cách phát xung tốc độ cao PTO để điều chỉnh góc xoay của động cơ bước Qua việc tính toán công thức động học, nhóm xác định được góc xoay cần thiết cho các cơ cấu Link 2 và Link 3, đồng thời sử dụng công thức tính toán để điều khiển di chuyển theo trục z thông qua cơ cấu Vitme Sơ đồ khối điều khiển động cơ bước được xây dựng dựa trên bộ điều khiển PLC S7-1200 và phần mềm Tia Portal V16.
Hình 4 11 Quy trình cài đặt cấu hình điều khiển động cơ bước
Các bước lập trình được thực hiện theo sơ đồ bên dưới:
Hình 4 12 Các bước thiết lập cấu hình điều khiển động cơ bước
4.4.1 Cấu hình thông số driver Động cơ bước
- Tạo mới khối “Technology object” cho 3 động cơ dẫn động cánh tay Robot
- PTO (Pulse Train Output) sử dụng và cấu hình chung cho Driver TB6600 của 3 động cơ
Hình 4 14 Khối Technology object_axis
Cài đặt cấu hình ngõ ra của PLC cho Driver TB6600 là bước quan trọng trong việc điều khiển phát xung tốc độ cao Thông số ngõ ra của PLC được thể hiện trong bảng dưới đây, cho thấy rằng việc lựa chọn tốc độ phát xung tối đa phụ thuộc vào các thông số kỹ thuật của động cơ.
Bảng 4 1 Tốc độ phát xung theo ngõ ra của PLC 1214C
100 kHz 100 kHz 100 kHz 100 kHz 20 kHz
20 kHz 20 kHz 20 kHz 20 kHz 20 kHz
Do nhu cầu sử dụng phân loại bánh nhỏ nhẹ, nhóm đã lựa chọn động cơ với mức nhận xung tối đa là 20kHz Cấu hình ngõ ra được cài đặt như sau:
Hình 4 15 Cấu hình ngõ ra Pulse và Direction động cơ Link 1
Hình 4 16 Cấu hình ngõ ra Pulse và Direction động cơ Link 2
Hình 4 17 Cấu hình ngõ ra Pulse và Direction động cơ Link 3
Mỗi động cơ bước có độ phân giải mặc định là 1.8°, tương đương với 200 xung cho mỗi vòng quay Để tăng độ chính xác cho cánh tay Robot, việc chia nhỏ độ phân giải của động cơ là cần thiết.
Cơ cấu của robot bao gồm khớp tịnh tiến và khớp xoay, với tỷ lệ xung cấp cho mỗi vòng của động cơ khớp tịnh tiến nhỏ hơn so với khớp xoay Điều này xảy ra do hệ thống dẫn động vitme tại trục động cơ, yêu cầu lực lớn để hoạt động hiệu quả.
Hình 4 18 Khai báo số xung cho mỗi vòng tại trục động cơ Link 1
Hình 4 19 Khai báo số xung cho mỗi vòng tại trục động cơ Link 2,3
Việc thiết lập các thông số động lực học của động cơ, bao gồm cấu hình vận tốc tối đa, vận tốc khởi động và dừng, cũng như tốc độ tăng tốc và giảm tốc, có ảnh hưởng quan trọng đến độ ổn định của động cơ.
Khi bắt đầu quá trình tăng tốc và giảm tốc, việc thiết lập thông số cho cánh tay Robot trở nên phức tạp do cơ cấu dẫn động thông qua dây đai và bánh răng.
Hình 4 20 Vận tốc phát xung giới hạn cho động cơ
- Đặt thời gian tăng tốc độ (gia tốc) và thời gian giảm tốc độ (giảm tốc) phù hợp với điều kiện cơ khí của Robot
Mối quan hệ giữa thời gian tăng tốc và gia tốc và thời gian giảm tốc và giảm tốc được thể hiện trong các phương trình sau:
Hình 4 21 Mối quan hệ giữa thời gian tăng và giảm tốc
Để đảm bảo quá trình tăng tốc và giảm tốc trục diễn ra mượt mà mà không bị dừng đột ngột, chức năng giới hạn giật được kích hoạt để giải quyết vấn đề này Chức năng này có thể được điều chỉnh một cách nhẹ nhàng theo các bước cài đặt hoặc thời gian làm mịn Sơ đồ dưới đây mô tả chi tiết hoạt động của giới hạn giật.
Hình 4 22 Đồ thị thể hiện sự ảnh hưởng của giới hạn giật trong điều khiển
Dựa trên lý thuyết tính toán đã trình bày, nhóm nghiên cứu đã xác định bộ thông số động lực học cần thiết để điều khiển ổn định động cơ ở từng khâu, như thể hiện trong hình 4.23 và hình 4.24.
Hình 4 23 Thông số động lực học của động cơ Link 1,2
Hình 4 24 Thông số động lực học của động cơ Link 3
4.4.2 Chạy thử nghiệm động cơ
Sử dụng công cụ "Chạy thử" để kiểm tra chức năng của bộ phận mà không cần tạo chương trình người dùng Khi khởi động công cụ, bảng điều khiển sẽ hiển thị các lệnh có sẵn.
• Di chuyển trục ở chế độ chạy bộ
• Vị trí trục theo giá trị tuyệt đối và đối tương
Các giá trị động có thể điều chỉnh theo lệnh chuyển động, trong khi bảng điều khiển hệ thống hiển thị trạng thái hiện tại của nó.
Hình 4 25 Trình thử nghiệm thông số cài đặt cấu hình điều khiển động cơ
4.4.3 Cấu hình khối điều khiển động cơ bước trên Tia portal V16
Việc điều khiển động cơ bước sử dụng các khối Motion control trong thư viện Tia Portal Trạng thái lệnh Điều khiển chuyển động và các lỗi phát sinh trong quá trình thực hiện có thể được lấy từ các tham số đầu ra Các bước lập trình được thực hiện theo trình tự cụ thể.
- Khối MC_Power: khối này thực hiện chứ năng cho phép thực hiện phát xung cho driver điều khiển động cơ
Hình 4 26 Khối MC_Power_DB
Lệnh "MC_Home" trong khối MC_Home được sử dụng để khớp tọa độ trục với vị trí ban đầu, giúp định vị tuyệt đối cho trục Việc thực hiện homing là cần thiết để đảm bảo chính xác trong quá trình điều khiển chuyển động.
Hình 4 27 Khối MC_Home_DB Bảng 4 2 Thông số khối MC_Home
Parameter Declaration Data type Default value
Axis INPUT TO_Axis - Axis technology object
TRUE The axis is enabled
All current jobs are interrupted in accordance with the
"StopMode" configured The axis is stopped and disabled
Busy OUTPUT BOOL FALSE MC_Power" is active
An error occurred in Motion Control instruction
"MC_Power" or in the associated technology object The cause of the error can be found in parameters "ErrorID" and "ErrorInfo"
- Khối MC_MoveAbsolute: Định vị tuyệt đối của trục Lệnh Điều khiển chuyển động
"MC_MoveAbsolute" bắt đầu chuyển động định vị trục để di chuyển nó đến vị trí tuyệt đối, với yêu cầu để vận hành như sau:
+ Thông số cấu hình động cơ đã được thiết lập chính xác
+ Khối MC_Power đã được kích hoạt
+ Vị trí trục động cơ hiện tại đã là vị trí Home
Hình 4 28 Khối MC_MoveAbsolute_DB Bảng 4 3 Thông số Khối MC_MoveAbsolute_DB
Declaration Data type Default value
Axis INPUT TO_Position ingAxis
Start of the command with a positive edge
Absolute target position Limit values:
Start/stop velocity ≤ Velocity ≤ maximu m velocity
Done OUTPUT BOOL Absolute target position reached
Khối MC_MoveJog là lệnh điều khiển chuyển động cho phép di chuyển trục liên tục với vận tốc xác định trong chế độ bằng tay Lệnh này thường được sử dụng cho mục đích thử nghiệm và chạy thử nghiệm.
Hình 4 29 Khối MC_MoveJog_DB Bảng 4 4 Thông số Khối MC_Movejog
Parameter Declaration Data type Default value
Axis INPUT TO_SpeedAxis Axis technology object
If the parameter is TRUE, the axis moves in the positive direction at the velocity specified in parameter "Velocity"
As long as the parameter is TRUE, the axis moves in the negative direction at the velocity specified in parameter "Velocity".
Thiết kế và thi công giao diện màn hình HMI giám sát điều khiển hệ thống
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC 1214C được thiết kế nhằm tối ưu hóa kết nối và ổn định trong việc vận hành và giám sát Do đó, nhóm thực hiện đã quyết định chọn thiết kế màn hình HMI trên thiết bị Simatic KTP700 BASIC với các tiêu chí phù hợp.
• Màn hình có giao diện trực quan dễ điều khiển vận hành, giám sát
• Đáp ứng đầy đủ các tiêu chí về việc vận hành hệ thống với 2 chế độ Manual và Auto
• Có màn hình cảnh báo mỗi khi hệ thống gặp lỗi (mất tín hiệu cảm biến, quá tải cân nặng, lỗi quy trình…)
• Phân quyền truy cập và bảo mật thông số cài đặt hệ thống
Bảng 4 5 Phân quyền truy cập hệ thống
Set the position of the Robot ✓
Bảng 4 6 Thông tin đăng nhập hệ thống
Phân quyền Tên đăng nhập Mật khẩu Vai trò
Engineer ADMIN 12345678 Kỹ sư lắp đặt, bảo trì
Opertor OPERATOR 123456 Công nhân vận hành
Monitor MONITOR 1234 Người quan sát, giám sát
Nhóm thực hiện đã thiết kế và thi công hệ thống giám sát, điều khiển HMI với 5 màn hình và 1 cửa sổ đăng nhập, đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đặt ra.
Màn hình Home cho phép người dùng như kỹ sư lắp đặt, công nhân vận hành và người giám sát đăng nhập vào hệ thống qua nút Select Mode Sau khi đăng nhập thành công, hệ thống sẽ cung cấp các chế độ vận hành khác nhau tùy thuộc vào quyền truy cập của từng người dùng.
Hình 4 31 Màn hình chọn chế độ vận hành
Màn hình cài đặt thông số hệ thống cho phép cấp quyền cho kỹ sư (Admin) và người vận hành (Operator) để thiết lập và điều chỉnh các thông số vận hành của hệ thống theo yêu cầu sử dụng Người dùng có thể thiết lập các thông số cần thiết như khối lượng bánh loại 1 và loại 2 cần phân loại, số bánh có trong một khay chứa, và số khay bánh cần hoàn thành cho mỗi loại.
Hình 4 32 Màn hình cài đặt thông số vận hành chế độ Auto
Màn hình giám sát chế độ vận hành Auto cho phép kỹ sư (Admin) và người vận hành (Operator) khởi động hệ thống khi các thông số đã được cài đặt đầy đủ Tại đây, trạng thái và thông số làm việc của hệ thống được hiển thị, bao gồm số lượng bánh từng loại đã phân loại, vị trí bánh đã được đặt, khối lượng bánh đã đặt cho từng loại và số khay bánh đã hoàn thành.
Hình 4 33 Màn hình giám sát hệ thống dành cho người vận hành
Khi đăng nhập vào màn hình bằng tài khoản Monitor (người giám sát), người dùng có thể theo dõi các thông số hoạt động của hệ thống, tuy nhiên không thể thay đổi trạng thái như bật hoặc tắt.
Hình 4 34 Màn hình giám sát hệ thống dành cho người giám sát
Màn hình ghi nhận lỗi hệ thống cung cấp thông tin chi tiết về các sự cố như quá tải khối lượng cân, thiếu khay trong kho, mất tín hiệu cảm biến và vật cản trên băng tải chính khi hệ thống chưa khởi động Thông qua màn hình này, kỹ sư bảo trì có thể kiểm tra và khắc phục lỗi một cách nhanh chóng và chính xác.
Hình 4 35 Màn hình cảnh báo
Màn hình vận hành chế độ Manual cho phép quyền truy cập tối đa cho người quản trị admin, chủ yếu là kỹ sư bảo trì, người có khả năng bật tắt các cơ cấu trong hệ thống băng tải vận chuyển, điều khiển van khí nén và điều chỉnh cánh tay Robot theo hướng thuận nghịch.
Hình 4 36 Màn hình vận hành chế độ Manual
Thiết kế giao diện thiết lập vị trí chấp hành của cánh tay Robot trên WinCC RT
Giao diện cài đặt cho phép Admin điều chỉnh vị trí và thứ tự bánh trong khay, một bước quan trọng ảnh hưởng đến quá trình vận hành và sự ổn định của hệ thống.
Việc thay đổi thông số cài đặt của Robot sẽ được thực hiện trên PC được kết nối với PLC thông qua chuẩn kết nối Ethernet
Hình 4 37 Màn hình cài đặt vị trí hút thả bánh
Kết quả nghiên cứu
Sau 4 tháng làm việc với đề tài, nhờ sự hướng dẫn tận tình của giáo viên và kỹ năng tìm hiểu tài liệu của nhóm, chúng tôi đã hoàn thành các mục tiêu ban đầu đã đề ra.
Nhóm sử dụng PLC S7-1200 làm bộ điều khiển trung tâm cho hệ thống, nhận và xử lý tín hiệu analog từ cảm biến loadcell Từ đó, PLC phát xung PTO để điều khiển step motor, giúp điều khiển cánh tay Robot 3 bậc theo tọa độ chính xác.
• Hệ thống nhận biết được nhiều loại khối lượng khác nhau (bé hơn 1000g) với sai số bé hơn 5%, cụ thể hệ thống phân loại 2 loại khối lượng là 34.5g và 64g
• Cánh tay Robot gắp bánh cho vào khay với độ chính xác cao, sai lệch ± (1- 3mm) so với tọa độ đã đặt
• Tốc độ hệ thống phân loại đat:
- 35 giây cho một khay 4 bánh loại 1, độ chính xác 90%
- 1 phút 50 giây cho một khay 8 bánh loại 2, chính xác 94%.
Kết quả thi công cơ khí
Dựa trên yêu cầu thiết kế cơ khí trong chương 3, nhóm đã hoàn thành các giai đoạn thi công bao gồm vận chuyển, nhận dạng khối lượng, phân loại, vận hành và giám sát, đảm bảo mọi khâu đều phù hợp với bản thiết kế đã đề ra.
Hình 5 1 Kết quả toàn bộ hệ thống
Kết quả thi công phần điện
Nhóm đã thi công bảng điện dựa trên bản vẽ và sơ đồ kết nối, đạt tính an toàn và thẩm mĩ
Hình 5 2 Kết quả thi công bảng điện
Hình 5 3 Kết quả thi công van khí nén
Kết quả giao diện giám sát và điều khiển
Qua quá trình thi công giao diện giám sát và điều khiển thông qua màn hình HMI nhóm đã đạt được những yêu cầu như sau:
- Đảm bảo tính trực quan, dễ sử dụng, tính bảo mật cao
- Cho phép chọn chế độ vận hành Auto và Manual
- Hệ thống có ghi nhận lỗi vận hành
Hình 5 4 Màn hình tổng quan hệ thống
Hình 5 5 Màn hình đăng nhập hệ thống
Hình 5 6 Màn hình cài đặt thông số vận hành
Hình 5 7 Màn hình giám sát hệ thống dành cho người vận hành
Hình 5 8 Màn hình giám sát hệ thống dành cho người giám sát
Hình 5 9 Màn hình vận hành chế độ Manual
Hình 5 10 Màn hình ghi nhận lỗi hệ thống
Kết quả vận hành
Nhóm thực hiện khảo sát kết quả vận hành với các trường hợp:
5.5.1 Khảo sát độ chính xác về khâu nhận dạng khối lượng
Bảng 5 1 Khối lượng hộp bánh cài đặt và thực tế với thời gian cân 3(s)
Khối lượng thực tế bánh loại 1 (khối lượng đặt 64g) Độ chính xác (%)
Khối lượng thực tế bánh loại 2 (khối lượng đặt 34.5g) Độ chính xác (%)
❖ Với thời gian cân là 3 giây, bàn cân cho giá trị chính xác cao và ổn định cụ thể là 98.62% đối với bánh loại 1 và 98.7% đối với bánh loại 2
Bảng 5 2 Khối lượng hộp bánh cài đặt và thực tế với thời gian cân 2(s)
Khối lượng thực tế bánh loại 1 (khối lượng đặt 64g) Độ chính xác
Khối lượng thực tế bánh loại 2 (khối lượng đặt 34.5g) Độ chính xác (%)
❖ Với thời gian cân nhanh hơn là 2 giây, giá trị cân dao động ít ổn định hơn với tỉ lệ là 98.1% loại bánh 1 và 97.6% loại bánh 2
Vậy nhằm đáp ứng tính ổn định hệ thống nhóm lựa chọn thời gian cân là tối thiểu 3 giây cho khâu nhận biết phân biệt khối lượng
5.5.2 Khảo sát kết quả hệ thống hoạt động phân loại bánh loại 1 và bánh 2
Kết quả chạy thực nghiệm toàn hệ thống với đầy đủ các khâu được biểu diễn trong các bảng 5.3, 5.4 và 5.5
Bảng 5 3 Kết quả hoạt động hệ thống 1
Tốc độ Robot (Pulse/s) Link 1: 12000, Link 2: 1200, Link 3: 1000
Loại bánh Số bánh phân loại
Kết quả phân loại Độ chính xác
Theo bảng kết quả 5.3, với thời gian cân là 3.2 giây, tốc độ các Link lần lượt là 12.000, 1200, và 1000 Nhóm đã tiến hành thử nghiệm 80 cái bánh liên tục, trong đó bánh loại 1 có 6 lỗi, đạt tỷ lệ chính xác 95% Bánh loại 2 cũng gặp lỗi.
4 trên 80 tỉ lệ chính xác 92.5% đáp ứng yêu cầu của hệ thống
Bảng 5 4 Kết quả hoạt động hệ thống 2
Tốc độ Robot (Pulse/s) Link 1: 14000, Link 2: 1300, Link 3: 1000
Loại bánh Số bánh phân loại
Kết quả phân loại Độ chính xác
❖ Theo bảng kết quả 5.4, với thời gian cân nhanh hơn là 2.3 giây, tốc độ các Link 1, 2,
Nhóm nghiên cứu đã tiến hành thử nghiệm 80 chiếc bánh liên tục với ba loại bánh có thay đổi lần lượt là 14.000, 1.300 và 1.000 Kết quả cho thấy loại bánh 1 có 8 chiếc bị lỗi trong tổng số 80 chiếc, từ đó tính toán được tỷ lệ chính xác.
90%, bánh loại 2 lỗi 10 trên 80 tỉ lệ chính xác 87.5%, trong trường này kết quả không đáp ứng được yêu cầu hệ thống
Bảng 5 5 Kết quả hoạt động hệ thống 3
Tốc độ Robot (Pulse/s) Link 1: 11000, Link 2: 900, Link 3: 800
Loại bánh Số bánh phân loại
Kết quả phân loại Độ chính xác
Theo bảng kết quả 5.5, với thời gian cân trung bình 2.8 giây, tốc độ các Link 1, 2, 3 lần lượt là 11.000, 900, 800 Nhóm đã tiến hành thử nghiệm 80 cái liên tục với mỗi loại bánh và nhận thấy bánh loại 1 có 11 lỗi trên 80 cái, tỉ lệ chính xác đạt 86.25% Bánh loại 2 có 13 lỗi trên 80 cái, tỉ lệ chính xác là 83.75% Kết quả này cho thấy độ chính xác khá thấp và hoàn toàn không đáp ứng được yêu cầu.
Dựa trên các bảng số liệu về tốc độ vận hành trong quá trình thực nghiệm, nhóm đã xác định được tốc độ tối ưu, đảm bảo độ chính xác cao nhất và đạt được tốc độ vận hành nhanh nhất có thể.
Link 1: 12000 (pulse/s), Link 2: 1200 (pulse/s), Link 3: 1000 (pulse/s), tốc độ cân 3.2 (s) Với tốc độ vận hành này, hệ thống đạt về mặt tốc độ và tính hiệu quả nhưng độ bền và ổn định chưa cao cần được cải tiến thêm ở khâu phân loại (cánh tay Robot)
Kết luận
Qua thời gian học tập, nghiên cứu và thực hiện đề tài, nhóm đã hoàn thành được những nội dung sau:
✓ Thiết kế hệ thống phân loại và sắp xếp bánh sử dụng PLC kết hợp cánh tay Robot với công suất 250sp/h
✓ Thiết kế giao diện và điều khiển giám sát trên phần mềm HMI
✓ Phân quyền cho người sử dụng
✓ Cảnh báo Alarm khi hệ thống gặp sự cố
Hệ thống gặp một số hạn chế như nhiệt độ của step motor tăng cao khi hoạt động lâu, dây đai có hiện tượng dãn sau thời gian dài sử dụng, chất liệu 3D không chịu được tải lớn, độ nhiễu cân dao động từ 2 đến 4 gram, và động cơ một chiều khiến tốc độ băng tải không thể thay đổi.
Hướng phát triển
Nghiên cứu về hệ thống phân loại và sắp xếp bánh theo khối lượng kết hợp cánh tay Robot sử dụng PLC S7-1200 mở ra nhiều triển vọng phát triển trong tương lai Các ứng dụng tiềm năng bao gồm tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao hiệu suất làm việc và giảm thiểu sai sót trong quá trình phân loại Việc áp dụng công nghệ tự động hóa này không chỉ cải thiện năng suất mà còn góp phần vào sự phát triển bền vững trong ngành công nghiệp.
Cánh tay Robot được cải tiến với chất liệu 3D cứng cáp hơn, sử dụng động cơ servo thay cho step để giảm tiếng ồn, nâng cao độ chính xác, độ bền và khả năng chịu nhiệt, từ đó đáp ứng tốt hơn cho nhiều loại hàng hóa.
Sử dụng đầu cân công nghiệp giúp truyền thông hiệu quả, giảm thiểu nhiễu trong kết quả cân và nâng cao độ chính xác, từ đó hạn chế lỗi khối lượng trong quá trình vận hành hệ thống.
Hệ thống băng tải có thể được điều khiển bằng động cơ xoay chiều thông qua biến tần hoặc sử dụng phát xung PWM để điều khiển động cơ một chiều có encoder, giúp dễ dàng thay đổi tốc độ và nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
➢ Phát triển quy mô hệ thống lớn hơn, kết hợp web sever truy cập giám sát từ xa
➢ Mở rộng giới hạn hệ thống sang các khâu còn lại như gói bánh, đóng hộp để hoàn thiện hơn
Tài liệu từ giáo trình, Website, bài báo
Báo cáo xu hướng sản xuất kinh doanh trong ngành công nghiệp chế biến, chế tạo và xây dựng quý IV năm 2022 chỉ ra những thay đổi quan trọng và dự báo triển vọng cho quý I năm 2023 Nền kinh tế đang đối mặt với nhiều thách thức nhưng cũng có cơ hội phát triển Các chỉ số sản xuất và doanh thu trong ngành chế biến chế tạo có dấu hiệu hồi phục, trong khi ngành xây dựng ghi nhận sự tăng trưởng ổn định Dự báo, trong quý I năm 2023, hoạt động sản xuất sẽ tiếp tục được cải thiện nhờ vào các chính sách hỗ trợ và nhu cầu thị trường tăng cao.
[2] Robot Nhện, ứng dụng, và hạn chế trong dây chuyền sản xuất, https://ngophangroup.com/vi/tin-tuc/co-khi/Robot-nhen-nhung-uu-diem-va-han-che- 648.html
[3] Robot công nghiệp là gì? Ứng dụng & vai trò củaRobot https://maysanxuattudong.com/Robot-cong-nghiep-la-gi/
[4] PGS.TS Nguyễn Trường Thịnh (2014), “Giáo trình Kỹ thuật Robot”, Nhà xuất bản Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
[5] Động Cơ Bước: Khái Niệm, Phân Loại, Nguyên Lý Hoạt Động, https://thuykhidien.com/dong-co-buoc/
[6] PLC Mitsubishi hay PLC Siemens? https://plctech.com.vn/plc-mitsubishi-hay-plc-siemens/
Cảm biến LOADCELL là thiết bị quan trọng trong việc đo lường trọng lượng, hoạt động dựa trên nguyên lý biến đổi lực tác động thành tín hiệu điện Khi có tải trọng, cảm biến sẽ tạo ra sự biến dạng, từ đó thay đổi điện trở và tạo ra tín hiệu tương ứng Để sử dụng cảm biến LOADCELL với Arduino, người dùng cần kết nối các chân của cảm biến với board Arduino và sử dụng mã lập trình phù hợp để đọc giá trị trọng lượng Việc áp dụng cảm biến này giúp tạo ra các ứng dụng cân điện tử đơn giản và hiệu quả.
[8] Cảm biến quang – Cấu tạo, Phân loại và Ứng dụng cảm biến quang, https://thegioidienco.vn/cam-bien-quang.html
[9] HMI là gì? Cấu tạo, phân loại, ứng dụng và chức năng, https://thuykhidien.com/hmi/
[10] BĂNG TẢI LÀ GÌ? CẤU TẠO - PHÂN LOẠI - ỨNG DỤNG, http://www.cokhimha.com/san-xuat-bang-tai-mha-a138
[11] Công Thức Tính Lực Hút Chân Không Và Số Lượng Giác Hút Cần Thiết,
97 https://hctechco.com/tai-lieu-ky-thuat/cong-thuc-tinh-luc-hut-chan-khong.html
[12] 6ES7 214-1AG40-0XB0 Datasheet, https://www.allaboutcircuits.com/electronic-components/datasheet/6ES72141AG400XB0 Siemens/
[13] SIMATIC S7-1200, Digital output SM 1222, 8 DO, relay 2 A 6ES7222-1HF32- 0XB0, http://siemens-vietnam.vn/product/simatic-s7-1200-digital-output-sm-1222-8-do-relay-2-a- 6es7222-1hf32-0xb0/
[14] Van đảo chiều và hệ thống van khí nén, https://vancongnghiepvn.net/van-khi-nen-bid28.html
[15] DFRobot (2018) TB6600 Stepper Motor Driver User Guide
Phụ lục 1: Chương trình điều khiển PLC
Phụ lục 2: Code động học Robot trên matlab
%%thong so he thong disp('thong so goc dat ban dau') th20, th30, d1=5;d2=7.5; d3; d4; disp ('TOA DO DIEM CUOI SAU KHI TÍNH DONG HOC THUAN')
T0Es = [d2 + d4*cosd (th2 + th3) + d3*cosd(th2); d4*sind (th2 + th3) + d3*sind(th2); d1;
Tinh Dong Hoc Nghich px=T0Es(1) py=T0Es(2) pz=T0Es(3) nx= px-d2; ny=py;
%%tinh theta3 c3= (nx*nx+ny*ny-d3*d3-d4*d4)/(2*d3*d4); if (px > 0 && py >= 0) s3=-sqrt(1-c3*c3); end if (px > 0 && py < 0) s3=sqrt(1-c3*c3);
The equation for s2 is defined as \( s2 = \frac{(d3 + d4 \cdot c3) \cdot ny - nx \cdot d4 \cdot s3}{(d3 + d4 \cdot c3)^2 + (d4 \cdot s3)^2} \) When px is greater than 0 and py is greater than or equal to 0, s2 is calculated as \( s2 = \sqrt{1 - c2^2} \); conversely, if px is greater than 0 and py is less than 0, then \( s2 = -\sqrt{1 - c2^2} \) The angles theta3 and theta2 are determined using the arctangent function: \( \theta3 = \text{atan2d}(s3, c3) \) and \( \theta2 = \text{atan2d}(s2, c2) \) The results confirm the application of trigonometric principles in both direct and inverse contexts.
Dong hoc thuan disp ('DUNG DONG HOC NGHICH TINH DONG HOC THUAN') th2= theta2; th3=theta3;
T0Es =[d2 + d4*cosd(th2 + th3) + d3*cosd(th2); d4*sind(th2 + th3) + d3*sind(th2); d1;
Phụ lục 3: Code vẽ không gian làm việc Robot trên Matlab clc; clear all; close all;
%Program By HCMUTE-FEEE-D&G for theta2=-104:4:104 if 00 && Py>=0) worlspace_full(:,i)=[Px;Py;Pz]; end end end if -1000 && Py