Thiết kế và chế tạo khâu lắp ráp sản phẩm dùng trong công nghiệp

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo khâu lắp ráp sản phẩm dùng trong công nghiệpSinh viên thực hiện 2: Trần Quang ChiếnMSV: 1911505510108 Lớp: 19TDH1 Nhóm thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA ĐIỆN -ĐIỆN TỬ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ

Người hướng dẫn : TS PHẠM DUY DƯỞNG

Sinh viên thực hiện : PHAN THẾ HIỀN

Lớp : 19TDH1

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2023

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo khâu lắp ráp sản phẩm dùng trong công nghiệp

Sinh viên thực hiện 2: Trần Quang ChiếnMSV: 1911505510108

Lớp: 19TDH1

Nhóm thực hiện đề tài: “Thiết kế và chế tạo khâu lắp ráp sản phẩm dùng trong

công nghiệp” sử dụng bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 1214 DC/DC/DC

Siemens để nhận dữ liệu từ thiết bị ngoại vi bên ngoài như: cảm biến sau đó điềukhiển các xi lanh, động cơ để thực hiện các thao tác lắp ráp 1 sản phẩm theo yêu cầu

và giám sát hệ thống thông qua Websever

Xây dựng được một hệ thống quản lý , điều khiển, giám sát các thông số sảnphẩm một cách thuận tiện và dễ dàng nhất

KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn : TS Phạm Duy Dưởng

Trần Quang Chiến 1911505510108

1 Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo khâu lắp ráp sản phẩm dùng trong công nghiệp

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Sử dụng PLC S7-1200

- Hệ thống truyền động Robot T-Bot

- Có băng tải đưa sản phẩm vào và trả sản phẩm ra bên ngoài

3 Nội dung chính của đồ án:

NỘI DUNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

NỘI DUNG 2: TỔNG QUAN VỀ PHẦN MỀM PLC S7-1200 VÀ TIA PORTAL

NỘI DUNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO PHẦN CỨNG

NỘI DUNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

NỘI DUNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Sau hơn 4 năm học tại trường đại học Đồ án tốt nghiệp kỹ sư là môn học cuốicùng đánh dấu sự kết thúc quá trình rèn luyện và học tập các kiến thức cơ bản, đồngthời đã mở ra những con đường thực tế đi vào cuộc sống của chúng em trong tươnglai Quá trình làm đồ án giúp chúng em tổng hợp, thu thập lại các kiến thức đã đượchọc trong suốt những năm tháng qua, qua đó rèn luyện được những khả năng tínhtoán và giải quyết các vấn đề trong thực tế.

Trong quá trình làm đồ án này chúng em gặp không ít những trở ngại và khókhăn do vốn kiến thức còn nhiều hạn chế Dù bận rộn rất nhiều công việc nhưng cácThầy Cô vẫn giành nhiều tâm huyết và thời gian để hướng dẫn chúng em Thầy Côluôn quan tâm, hướng dẫn và sửa chữa những vấn đề quan trọng giúp chúng emđịnh hướng và làm việc theo quan điểm đúng đắn, chính sự nhiệt huyết và tận tâmcủa Thầy đã giúp chúng em có được tinh thần, một niềm tin và khối kiến thứcphong phú để đến ngày hôm nay đồ án tốt nghiệp của chúng em được hoàn thành Với tất cả tấm lòng biết ơn sâu sắc, chúng em xin chân thành gửi lời cảm ơn đếnBan giám hiệu cùng toàn thể quý Thầy Cô Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật –Đại Học Đà Nẵng, các Thầy Cô khoa Điện- Điện Tử, bộ môn Công Nghệ Kỹ ThuậtĐiều Khiển và Tự Động Hóa đã chân tình hướng dẫn, giúp đỡ chúng em trong suốtquá trình học tập tại trường, đặc biết là Thầy Phạm Duy Dưởng – Giảng viên hưỡngdẫn đồ án này Chúng em còn xin cảm ơn Công Ty TNHH TDH Nhật Tri đã hỗ trợchúng em trong quá trình xây dựng mô hình robot từ những ngày đầu

Sau cùng chúng em xin cảm ơn gia đình, người thân luôn bên cạnh ủng hộ vàđộng viên Cảm ơn tất cả bạn bè đã gắn bó và cùng học tập, giúp đỡ chúng mìnhtrong suốt thời gian qua, cũng như trong quá trình hoàn thành đồ án tốt nghiệp này Chúng em xin chân thành cảm ơn!

TP Đà Nẵng, ngày 2 tháng 5 năm 2023

Sinh viên thực hiện

Phan Thế Hiền

Tôi xin cam đoan rằng đề tài Thiết kế và chế tạo khâu lắp ráp sản phẩm dùng

dựa trên sự cố gắng cũng như sự nỗ lực của bản thân cùng với sự giúp đỡ khôngnhỏ từ đơn vị Công ty TNHH TDH Nhật Tri và hướng dẫn tận tình của Thầy PhạmDuy Dưởng

Các số liệu và kết quả nguyên cứu được đưa ra trong đồ án là trung thực Nhữngphần có sử dụng tài liệu tham khảo có trong đồ án đã được liệt kê và nêu rõ tại phầntài liệu tham khảo

Nếu như sai tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu tất cả các kỹ luật của bộmôn cũng như nhà trường đề ra

Sinh viên thực hiện

Phan Thế Hiền

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 9

1.1 Lí do chọn đề tài 9

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài 10

1.2.1 Ý nghĩa khoa học 10

1.2.2 Ý nghĩa thực tiễn 10

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu 10

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu: 10

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu: 10

1.4 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận 11

1.4.1 Mục tiêu 11

1.4.2 Phương pháp tiếp cận 11

1.5 Nội dung đề tài 11

1.6 Tổng quan về các phương án thiết kế 11

1.6.1 Phương án 1 11

1.6.2 Phương án 2 12

1.7 Tiêu chí lựa chọn 13

1.8 Lựa chọn phương án 13

1.8.1 Phương án 1: Cánh tay robot 4 bậc 13

1.8.2 Phương án 2: Cơ cấu robot T-BOT 14

1.9 Hệ thống đề xuất 14

1.10 Một số vấn đề về tính an toàn và môi trường trong thiết kế robot 14

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 VÀ TIA PORTAL 16

2.1 Giới thiệu về PLC 16

2.1.1 Lịch sử hình thành 16

2.1.2 Các loại PLC thông dụng 16

2.1.3 Ngôn ngữ lập trình 17

2.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC 17

2.1.5 Ứng dụng 19

2.2 Tổng quan về S7-1200 19

2.2.1 Cấu trúc 19

2.2.2 Phân vùng bộ nhớ 21

2.2.3 Sơ đồ đấu dây 21

2.3 Phần mềm lập trình 22

2.3.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal V17 22

2.3.2 Giao diện phần mềm 23

2.4 Giới thiệu hệ SCADA 27

2.4.1 Khái niệm 27

2.4.2 Kết nối giữa máy tính và PLC 27

2.4.3 Các đổi tượng sử dụng trong WinCC 28

2.4.4 Ngôn ngữ thiết kế giao diện 28

2.4.5 Các chức năng hỗ trợ trong lập trình giao diện 28

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG 30

3.1 Tính toán lựa chọn thiết bị 30

3.1.1 Phân tích động lực học kết cấu T-Bot 30

3.1.2 Thiết kế và lựa chọn thiết bị hệ truyền động 39

3.2 Thiết kế phần cứng 57

3.2.1 Kết cấu truyền động 57

3.2.2 Thiết kế đầu tay gắp 58

3.2.3 Chi tiết lắp ráp 58

3.2.4 Chi tiết đế giữ vật 59

3.2.5 Chi tiết dẫn hướng cho vật 60

3.3 Chế tạo mô hình 60

CHƯƠNG 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 61

4.1 Sơ đồ nối dây 61

4.1.1 Sơ đồ tổng quan hệ thống 61

4.1.2 Sơ đồ bố trí bảng điện và sơ đồ đấu nối dây điện: 61

4.2 Phân công vào ra 62

4.2.1 Đầu vào 62

4.2.2 Đầu ra 63

4.2.3 Biến trung gian 63

4.3 Quy trình công nghệ 64

4.3.1 Phân tích quy trình công nghệ 64

4.3.2 Lựa chọn quy trình công nghệ 64

4.4 Lưu đồ thuật toán 65

4.5 Chương trình điều khiển 68

4.6 Thiết kế giao diện điều khiển 71

CHƯƠNG 5: GIỚI THIỆU THIẾT BỊ TRUYỀN THÔNG SIMATIC IOT2040 74

5.1 Giới thiệu chung các thiết bị 74

5.1.1 Simatic iot2040 74

5.1.2 Thiết bị mở rộng ethernet switch: 75

5.2 Sơ đồ tổng quan thiết kế truyền thông 76

5.3 Cài đặt cấu hình cho Simatic iot2040 76

5.4 Giới thiệu về Node-red 77

5.5 IOT2040 thu thập dữ liệu từ S7-1200 77

5.6 Xây dựng tính năng người dùng 79

CHƯƠNG 6: THỬ NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 81

6.1 Thử nghiệm hệ thống 81

6.2 Đánh giá kết quả 81

TÀI LIỆU THAM KHẢO 83

PHỤ LỤC 84

MỤC LỤC HÌNH ẢNH VÀ BẢNG THÔNG S

Hình 1.1 Công nghiệp 4.0 ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế Việt Nam 9

Hình 1.2 Cánh tay robot 4 bậc trong công nghiệp 12

Hình 1.3 Robot sử dụng cơ cấu T-BOT 12

Hình 2.1 Sơ đồ khối PLC 17

Hình 2.2 Sơ đồ đấu dây CPU 1214 AC/DC/Relay 21

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214 DC/DC/Relay 22

Hình 2.4 Sơ đồ đấu dây CPU 1214 DC/DC/Relay 22

Hình 2.5 Phần mềm TIA PORTAL V17 23

Hình 2.6 Logo TIA Portal V17 24

Hình 2.7 Thao tác tạo dự án mới 24

Hình 2.8 Thao tác đặt tên chọn đường dẫn và tạo new project 24

Hình 2.9 Thao tác chọn vào Configure a device 25

Hình 2.10 Thao tác chọn vào Add new device 25

Hình 2.11 Thao tác Chọn loại CPU PLC 26

Hình 2.12 Một project mới được tạo ra 26

Hình 2.13 Cấu hình kết nối giữa PLC và WinCC 27

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của cánh tay máy T-Bot 30

Hình 3.2 Gắn hệ tọa độ lên tay máy 31

Hình 3.3 Sơ đồ nguyên lý sau khi tịnh tiến tọa độ gốc 34

Hình 3.4 Hướng di chuyển của tay máy T-Bot với các trường hợp cơ bản 35

Hình 3.5 Trường hợp di chuyển của tay máy với 𝜃1 ≠ 0 và 𝜃2 = 0 35

Hình 3.6 Trường hợp di chuyển của tay máy khi 𝜃1 = 0 và 𝜃2 ≠ 0 36

Hình 3.7 Động cơ servo CSMT_01BR1ABT3 40

Hình 3.8 Bộ drive AC servo CSD5_01BX1 hãng RS Automation 41

Hình 3.9 Băng chuyền được thiết kế trên Onshape 43

Hình 3.10 Động cơ truyền động băng chuyền S6I06GB-P43 44

Hình 3.11 Xy lanh kẹp MHF2-8D 45

Hình 3.12 Xy lanh xoay MSQA7AE 45

Hình 3.13 MCB EZ9F34216 46

Hình 3.14 Công tắc hành trình V-156-1C25 47

Hình 3.15 Bố trí công tắc hành trình trên tay máy T-bot 48

Hình 3.16 Cảm biến quang E3X-HD11 48

Hình 3.17 Đầu sợi quang E32-T11 49

Hình 3.18 Cảm biến xy lanh D-A90V 50

Hình 3.19 Bố trí cảm biến D-A90V trên xy lanh xoay 50

Hình 3.20 Van điện từ Airtac 4V210-08 51

Hình 3.21 Rơ-le trung gian Omron LY2N-J 52

Hình 3.22 Nút dừng khẩn cấp LA38 52

Hình 3.23 Các dòng PLC trên thị trường hiện nay 53

Hình 3.24 PLC siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC 54

Hình 3.25 Bộ nguồn S8VS-09024 55

Hình 3.26 Module giảm áp LM2596 56

Hình 3.27 Kết cấu truyền động T-Bot 57

Hình 3.28 Đầu tay gắp 58

Hình 3.29 Mặt chiếu đứng đầu tay gắp 58

Hình 3.30 chi tiết lắp ráp 1 59

Hình 3.31 Mặt dưới chi tiếp lắp ráp 1 59

Hình 3.32 Tổng quát chi tiết 2 59

Hình 3.33 Tháo dỡ chi tiết 2 59

Hình 3.34 Đế giữ vật 59

Hình 3.35 Hình chiếu mặt của để giữ vật 59

Hình 3.36 Chi tiết dẫn hướng cho vật 60

Hình 4.1 Sơ đồ tổng quan toàn hệ thống gồm 3 thành phần chính 61

Hình 4.2 Sơ đồ bố trí bảng điện 61

Hình 4.3 Sơ đồ đấu nối dây động cơ servo 62

Hình 4.4 Sơ đồ đấu nối dây hệ thống 62

Hình 4.5 Lưu đồ thuật toán toàn bộ hệ thống 65

Hình 4.6 Lưu đồ thuật toán chế độ Manual 66

Hình 4.7 Lưu đồ thuật toán chế độ auto 67

Hình 4.8 Khối Main [OB1] điều khiển chính 68

Hình 4.9 Khối [FB11] chế độ Auto 68

Hình 4.10 Khối [FB1] chế độ manual 69

Hình 4.11 Khối [FB4] chương trình đưa cánh tay robot về home 69

Hình 4.12 Khối [FB2] chương trình điều khiển 2 động cơ step 70

Hình 4.13 Khối [FB6] chương trình điều khiển 2 băng tải 70

Hình 4.14 Khối [FB5] chương trình điều khiển gắp thả vật 71

Hình 4.15 Màn hình điều khiển chính 71

Hình 4.16 Màn hình điều khiển chế độ Manual 72

Hình 4.17 Màn hình điều khiển chế độ Auto 72

Hình 5.1 Thiết bị Simatic iot2040 74

Hình 5.2 Bộ chuyển đổi mạng FL SWITCH SFN 5TX 75

Hình 5.3 Sơ đồ tổng quan thiết kế truyền thông 76

Hình 5.4 Giao diện chính của Node - Red 77

Hình 5.5 Địa chỉ IP trên thiết bị PLC 77

Hình 5.6 Địa chỉ IP trên máy tính 78

Hình 5.7 Cấu hình Permit acces 78

Hình 5.8 Tạo khối Data Block 79

Hình 5.9 Tính năng xuất báo cáo bằng Excel 80

Hình 5.10 Tính năng gửi cảnh báo bằng ứng dụng Telegram 80

Hình 6.1 Quá trình thử nghiệm hệ thống 81

Y Bảng 1- Một số loại PLC thông dụng 16

Bảng 2 - Một số CPU S7 – 1200 19

Bảng 3 - Phân vùng bộ nhớ 21

Bảng 4: Thành lập bảng tham số theo phương pháp Denavit-Hartenberg 31

Bảng 5 Thông số kỹ thuật của động cơ servo 41

Bảng 6 Thông số kỹ thuật của bộ drive AC servo 42

Bảng 7 Thông số của băng chuyền 43

Bảng 8 Thông số động cơ truyền động băng chuyền 44

Bảng 9 Thông số kỹ thuật của xy lanh kẹp 45

Bảng 10 Thông số kỹ thuật của xy lanh xoay 46

Bảng 11 Thông số kỹ thuật của MCB 46

Bảng 12 Thông số công tăc hành trình 47

Bảng 13 Thông số của cảm biến quang 49

Bảng 14 Thông số của đầu sợi quang 50

Bảng 15 Thông số của cảm biến xy lanh 50

Bảng 16 Thông số kỹ thuật của van điện từ 51

Bảng 17 Thông số kỹ thuật của rơ le trung gian 52

Bảng 18 Thông số của bộ điều khiển PLC S7-1200 54

Bảng 19 Thông số kỹ thuật của bộ nguồn 24V 56

Bảng 20 thông số của Module giảm áp 56

Bảng 21 Bảng tên chi tiết của kết cấutruyền động T-bot 58

Bảng 22 Bảng phân công đầu vào 63

Bảng 23 Bảng phân công đầu ra 63

Bảng 24 Các Biến trung gian dùng trong chương trình 63

Bảng 25: Thông số kỹ thuật của iot2040 74

Bảng 26: Thông số của switch ethernet 75

DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU

PLC: Programable Logic Controller

PC: Personal Computer

WinCC: Windows Control Center

Profinet: Process Field Net

MỞ ĐẦU

Hiện nay, đất nước ta đã và đang dần hòa nhập với xu hướng công nghiệp 4.0

và ngày càng phổ biến rộng rãi tại các nhà máy có quy mô lớn nhỏ Công nghiệp4.0 cho phép các nhà máy thông minh, sản phẩm thông minh và chuỗi cung ứngcũng thông minh làm cho các hệ thống sản xuất, dịch vụ trở nên linh hoạt và đápứng khách hàng hơn Trong tương lai, công nghiệp 4.0 dự kiến sẽ còn phát triểnmạnh mẽ hơn nữa và do đó các doanh nghiệp cần sẵn sàng để chuẩn bị cho một sựđổi mình liên tục thể cập nhật các xu hướng hiện đại sắp tới

Trong mỗi nhà máy lắp ráp, gồm rất nhiều phân đoạn có liên quan mật thiết vớinhau để tạo nên một sản phẩm hoàn thiện, được thực hiện bởi rất nhiều máy móc

và robot Dẫn đến việc giám sát, quản lý và bảo trì từng bộ phận máy móc tốnnhiều nhân công và không đảm bảo về độ chính xác Để giải quyết những vấn đềtrên, chúng tôi đưa ra ứng dụng các cơ cấu thích hợp vào quản lý, giám sát và điềukhiển mô hình robot trong dây chuyền lắp ráp

Nội dung chính của đề tài bao gồm:

- Tổng quan về đề tài

- Thiết kế robot và hệ truyền động

- Thiết kế phần điều khiển, lựa chọn bộ điều khiển và phân tích động học

- Giới thiệu công cụ, xây dựng thuật toán điều khiển và giao diện người dùng

- Thử nghiệm và đánh giá kết quả

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Lí do chọn đề tài

Nhà máy hay còn gọi là nhà xưởng là nơi tiến hành sản xuất (chế tạo) các sảnphẩm thực tế, vừa là nơi sửa chữa như là kiểm tra bảo dưỡng duy tu các máy mócliên quan đến sản phẩm đã có Tên gọi trong xí nghiệp còn được gọi là "xưởng chếtạo", "xưởng gia công"

Hiện nay, nước ta đang dần hòa nhập với xu hướng công nghiệp 4.0 và ngàycàng phổ biến ở các nhà máy có quy mô lớn nhỏ Công nghiệp 4.0 cho phép các nhàmáy thông minh, sản phẩm thông minh và chuỗi cung ứng cũng thông minh, và làmcho các hệ thống sản xuất và dịch vụ trở nên linh hoạt và đáp ứng khách hàng hơn.Trong tương lai, công nghiệp 4.0 dự kiến sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn nữa và do

đó các doanh nghiệp cần sẵn sàng để chuẩn bị cho một sự đổi mình liên tục thể cậpnhật các xu hướng hiện đại sắp tới (Hình 1.1 mô tả khâu lắp ráp sản phẩm trongmột nhà máy sản xuất ô tô)

Hình 1.1 Công nghiệp 4.0 ảnh hưởng lớn đến nền kinh tế Việt Nam

Công ty TNHH Tự động hóa Nhật Tri là doanh nghiệp đã hoạt động trong lĩnhvực dịch vụ tự động hóa cho các hệ thống máy móc công nghiệp, nhà máy sản xuất.Các giải pháp công nghệ về lĩnh vực tự động hóa do Nhật Tri cung cấp cho khách

hàng đã giúp nâng cao chất lượng sản xuất cũng như hiệu quả hoạt động của hệthống máy móc công nghiệp

Để đáp ứng yêu cầu xu hướng công nghệ trong sản xuất công nghiệp, công ty đãđưa ra các phương pháp hợp lý vào quản lý, điều khiển giám sát Robot sản xuấttrong nhà máy

Với các yêu cầu đặt ra đó là: Ứng dụng mô hình Robot T-Bot lắp ráp sản phẩm,kết hợp PLC để giám sát, quản lý dữ liệu

1.2 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài

để tiến hành việc công nghiệp hóa các công đoạn lắp ráp thành phẩm và vừa có thể

tự chế tạo máy để làm chủ được công nghệ kỹ thuật theo nguyên tắc lý thuyết vàthực tiễn trong nghiên cứu chế tạo máy tự động

1.3 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu

1.3.1 Đối tượng nghiên cứu:

Đề tài này chúng tôi sẽ nghiên cứu các vấn đề sau:

- Tìm hiểu quy trình, thiết kế và lập trình điều khiển mô hình tay gắp

- Thiết kế trạm quản lý và giám sát mô hình từ xa

sự kiện xảy ra, xuất file excel báo cáo

1.3.2 Phạm vi nghiên cứu:

Một khâu lắp ráp trong toàn bộ dây chuyền sản xuất của nhà máy

Về mặt phạm vi để nghiên cứu, đề tài đã được chia làm 3 phần chính:

để điều khiển Robot

+ Điều khiển Robot thực hiện công việc trong quy trình sảnxuất, lắp ráp

- Phần 3: Xây dựng trạm điều khiển và giám sát cho hệ thống

1.4 Mục tiêu và phương pháp tiếp cận

1.4.1 Mục tiêu

của các nhà máy, doanh nghiệp cụ thể là hệ thống lắp ráp và giám sát sảnphẩm

1.5 Nội dung đề tài

Cho chúng ta nhìn thấy tổng quan đề tài một cách khách quan, qua đó giúp chochúng ta hiểu thêm về tổng quan công nghệ trong các nhà máy ở Việt Nam, cũngnhư phân tích rõ các yêu cầu bài toán đã đặt ra Từ đó sẽ đưa ra những phương phápnghiên cứu phù hợp với bài toán Rồi đi đến xây dựng tổng quan đề tài để thực hiệncác chương tiếp theo

1.6 Tổng quan về các phương án thiết kế

1.6.1 Phương án 1

 Khâu lắp ráp sản phẩm sử dụng cánh tay robot 4 bậc

Cánh tay robot là một sản phẩm cơ khí đang được ứng dụng nhiều trong lĩnh vựccông nghệ và sản xuất thậm chí là y tế , giáo dục hay thăm dò quân sự,…( Hình 1.2

là một ví dụ về ứng dụng của cánh tay robot trong lĩnh vực công nghiệp)

Với tính khéo léo và khả năng thao tác linh hoạt , thiết bị này thường được ứngdụng khi làm việc tại các mặt phẳng không song song ví dụ như chỉnh sửa máymóc

Thông thường người ta sẽ dựa trên số trục hoặc số điểm quay theo cấu tạo đểphân loại các robot Cánh tay robot 4 bậc được chế tạo từ 4 trục bao gồm cả dọc vàngang: Servo cơ sở, Servo tay, Servo vai, Servo kép,…

Hình 1.2 Cánh tay robot 4 bậc trong công nghiệp

1.6.2 Phương án 2

 Khâu lắp ráp sản phẩm sử dụng Robot T-Bot

Hình 1.3 Robot sử dụng cơ cấu T-BOT

Tay máy gắp sản phẩm T-bot dựa theo nguyên lý hệ điều khiển vị trí XY Với

mô hình này, tay máy có thể làm việc theo chiều dọc và linh hoạt hơn, thích hợp đểứng dụng vào máy lắp ráp sản phẩm ( Hình 1.3 là một robot do hãng MACRONchế tạo ứng dụng cơ cấu T-BOT)

Thành phần chính của tay máy bao gồm hai động cơ servo hoạt động liên động

và được kết nối bởi một dây đai có dạng chữ T vòng quanh 2 trục tuyến tính so le.Hai động cơ servo sẽ được điều khiển bởi hai bộ driver và bộ điều khiển PLC S7-

1200

1.7 Tiêu chí lựa chọn

- Chi tiết lắp ráp nhỏ gọn, có bộ bền cao

- Thiết kế lại phần tay gắp sao cho phù hợp với chi tiết lắp ráp

của tay gắp robot

Các kết cấu cơ khí phải được thiết kế nhỏ gọn, độ bền cao, tháo ráp dễ dàng vàtiện lợi cho việc gắn các thiết cảm biến và hệ thống truyền động cho băng chuyền

khớp vai, cổ tay, khửu tay kết hớp ngón tay giúp chuyển động linh hoạt vàlàm việc hiệu quả

- Với thiết kế cổ xoay bi kết hợp với động cơ servo, hệ thống điều khiểnlinh hoạt giúp thao tác chính xác trong nhiều không gian làm việc cũng như

độ khó khác nhau

- Cấu tạo trục linh hoạt với góc xoay 270 độ

- Tất cả hoạt động của cánh tay đều được nhận lệnh trực tiếp từ thiết bị

bo mạch điều khiển

 Nhược điểm

gọn hơn rất nhiều nên chức năng nâng vật nặng sẽ có phần hạn chế

- Cấu tạo phức tạp dể hư hỏng trong quá trình hoạt động

- Giá thành của các bộ phận khá cao do yêu cầu độ chính xác trong cáckhớp cao.

1.8.2 Phương án 2: Cơ cấu robot T-BOT

 Ưu điểm

hiệu chỉnh được lực căng đai ở hai bên máy theo phương Y và theo phươngX

- Giá thành rẻ hơn nhiều so với các cơ cấu khác

 Nhược điểm

giản và dể điều khiển hơn kết cấu T-BOT

trái và phải sang xy lanh xoay ở vị trí trung tâm Xy lanh xoay ở trung tâm sẽthực hiện xoay 90° để lắp ráp 2 chi tiết lại với nhau Sau đó đưa thành phẩm

về băng chuyền bên trái

động với nhau, được kết nối bằng một dây đai đơn có dạng hình chữ T Đầutay gắp sản phẩm được điều khiển nhờ một van khí nén

động cơ

- Dùng cảm biến phát hiện vị trí để băng tải dừng lại, thuận tiện cho việcgắp sản phẩm Bên cạnh đó thiết kế và chế tạo phần cơ khí dẫn hướng chosản phẩm giúp tăng độ chính xác khi điều khiển hệ thống

thống một cách thuận tiện hơn

1.10 Một số vấn đề về tính an toàn và môi trường trong thiết kế robot

Vấn đề điều khiển chung tay máy công nghiệp được đặt ra: hệ điều khiển taymáy công nghiệp (ĐKTMCN) có độ tin cậy, độ chính xác cao, giá thành hạ và tiếtkiệm năng lượng thì nhiệm vụ cơ bản là hệ ĐKTMCN phải đảm bảo giá trị yêu cầucủa các đại lượng điều chỉnh và điều khiển Ngoài ra, ĐKTMCN phải đảm bảo ổnđịnh động và tĩnh, chống được nhiễu trong và ngoài, đồng thời không gây tác hạicho môi trường như: tiếng ồn quá mức quy định, sóng hài của điện áp và dòng điệnquá lớn cho lưới điện v.v Các công trình nghiên cứu về hệ thống ĐKTMCN tậptrung chủ yếu theo 2 hướng, hướng thứ nhất là sử dụng các mô hình động lực họctay máy công nghiệp có đặc tính phi tuyến có thể ước lượng được để đơn giản việcphân tích, thiết kế, hướng thứ hai là từ mô hình động lực học tay máy công nghiệp

có đặc tính phi tuyến đề ra các thuật toán điều khiển mới nhằm nâng cao chất lượngcác đáp ứng của tay máy

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Chương 1 cho chúng ta nhìn thấy tổng quan đề tài một cách khách quan, qua đógiúp cho chúng ta hiểu thêm về tổng quan công nghệ trong các nhà máy ở ViệtNam, cũng như phân tích rõ các yêu cầu bài toán đã đặt ra Từ đó sẽ đề ra cácphương pháp nghiên cứu phù hợp với bài toán Rồi đi đến xây dựng tổng quan đềtài để thực hiện các chương tiếp theo

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ PLC S7-1200 VÀ TIA PORTAL

2.1 Giới thiệu về PLC

2.1.1 Lịch sử hình thành

Thiết bị điều khiển khả trình (PLC, programmable logic controller) là một loạimáy tính điều khiển chuyên dụng, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điềukhiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình, do nhà phát minh người Mỹ RichardMorley lần đầu tiên đưa ra ý tưởng vào năm 1968 Dựa trên yêu cầu kỹ thuật củaGeneral Motors là xây dựng một thiết bị có khả năng lập trình mềm dẻo thay thếcho mạch điều khiển logic cứng, công ty Allen Bradley và BedfordAssociate(Modicon) đã đưa ra trình bày đầu tiên Trước đây thiết bị này thườngđược gọi với cái tên Programmable Controller, viết tắc PC, sau này khi máy tính cánhân PC (Personal Computer) trở nên phổ biến từ viết tắc PLC hay được dùng hơn

để tránh nhầm lẫn

2.1.2 Các loại PLC thông dụng

Bảng 1- Một số loại PLC thông dụng.

S7-300: CPU 313, CPU 314, CPU 315,…

S7-400: CPU 412, CPU 413, CPU 414, CPU 416,…S7-1200: CPU 1211C, CPU 1212C, CPU 1214C,…

Dòng CQM1Dòng CP1EDòng CP1LDòng CP1HDòng CJ1/M

- Sequential Function Charts(SFC): Xuất xứ từ mạng Petre/Grafcet.

2.1.4 Cấu trúc và phương thức thực hiện chương trình PLC

2.1.4.1 Cấu trúc

Hình 2.1 Sơ đồ khối PLC

Theo Hình 2.1 ta có chức năng của các khối như sau:

Bộ xử lý trung tâm (CPU): Bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý điều hành hoạtđộng của toàn hệ thống

Các kênh truyền (các BUS): bus dữ liệu (thường là 8 bit), đường dẫn các thôngtin dữ liệu, mỗi dây truyền 1 bit dạng số nhị phân Bus địa chỉ (thường là 8 hoặc 16bit), tải địa chỉ vị trí nhớ trong bộ nhớ Bus điều khiển, truyền tín hiệu điều khiển từCPU đến các bộ phận Bus hệ thống, trao đổi thông tin giữa các cổng nhập xuất vàthiết bị nhập xuất

Bộ nguồn: cung cấp nguồn một chiều (5V) ổn định cho CPU và các thành phầnchức năng khác từ nguồn một chiều (12, 24V…) hoặc một nguồn xoay chiều (110,220V…)

Các thành phần vào/ra: đóng vai trò là giao diện giữa CPU và quá trình kỹ thuật.Nhiệm vụ của chúng là chuyển đổi, thích ứng tín hiệu và cách ly giữa các thiết bịngoại vi (cảm biến, cơ cấu chấp hành) và CPU.

Đầu vào số (DI: Digital Input): các ngõ vào của khối này được kết nối với các bộchuyển đổi tạo ra tín hiệu nhị phân như nút ấn, công tắc, cảm biến tạo tín hiệu nhịphân Dải điện áp đầu vào có thể là 5 VDC, 12 – 24 VDC/VAC, 48 VDC, 100 –

Đầu ra tương tự (AO: Analog Output): Khối này có nhiệm vụ biến đổi tín hiệu sốđược gửi từ CPU đến đối tượng điều khiển thành tín hiệu tương tự Các đầu ra củakhối này được kết nối với các đối tượng điều khiển nhận tín hiệu tương tự như ngõvào analog của biến tần, van điện từ…

Đầu ra số (DO: Digital Output): Các đầu ra của khối này được kết nối với các đốitượng điều khiển nhận tín hiệu nhị phân như đèn báo, cuộn hút Relay… Có 3 loạiđầu ra số là dạng Trans (1 chiều), Triac (xoay chiều) và Relay với các dải điện áp 5VDC, 24 VDC, 12 – 48VDC/VAC, 120 VAC, 230 VDC

2.1.4.2 Phương thức thực hiện chương trình

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp Mỗi chu kỳ được gọi là một lầnquét Trước mỗi chu kỳ quét là giai đoạn chuyển dữ liệu từ cổng đầu vào kỹ thuật sốsang bộ đệm ảo đầu vào, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình Trong mỗichu kỳ quét, chương trình thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc Tiếp theogiai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn trong đó nội dung của bộ đệm ảo đầu

ra được định tuyến đến các cổng đầu ra kỹ thuật số Bánh xe quét kết thúc với giaotiếp nội bộ và kiểm tra lỗi Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một chu kỳ quétđược gọi là thời gian quét Thời gian chu kỳ quét không cố định, tức là không phảitất cả các lần quét đều được thực hiện cùng một lúc Một số lần quét mất nhiều thờigian, một số lần quét nhanh, tùy thuộc vào số lượng lệnh trong chương trình đượcthực thi và lượng dữ liệu được truyền trong lần quét đó

2.1.5 Ứng dụng

xuất bia, sản xuất xi măng…

- Điều khiển thang máy.

2.2 Tổng quan về S7-1200

2.2.1 Cấu trúc

S7-1200 là một họ Bộ điều khiển logic khả trình (PLC) có thể điều khiển nhiềuứng dụng tự động hóa Thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và kịch bản mạnh mẽ giúpchúng ta có một giải pháp hoàn hảo hơn cho các ứng dụng sử dụng với S7-1200 S7-1200 bao gồm một bộ vi xử lý, nguồn điện tích hợp và các đầu vào I/O(DI/DO)

Một số tính năng bảo mật giúp bảo vệ quyền truy cập vào CPU và trình điềukhiển

S7-1200 cung cấp một cổng PROFINET và hỗ trợ các tiêu chuẩn Ethernet vàTCP/IP Ngoài ra bạn có thể sử dụng module giao tiếp để mở rộng kết nối quaRS485 hoặc RS232

Phần mềm được sử dụng để lập trình S7-1200 là Step 7 Basic Step 7 basic hỗ trợ

ba ngôn ngữ lập trình: FBD, LAD và SCL Phần mềm được tích hợp trong SiemensTIA Portal

Các mô-đun CPU khác nhau có hình dạng, chức năng, tốc độ xử lý lệnh và bộnhớ chương trình khác nhau.PLC S7 – 1200 có các loại sau:

Bảng 2 - Một số CPU S7 – 1200

1211C

CPU 1212C

CPU 1214C

CPU 1215C

Kích thước vật lý

x75

90x100x75

110x100x75

130x100x75

75Kbytes

100Kbytes

Kbytes

10Kbytes

10Kbytes

Out

8 Inputs/ 6

Out

14Inputs /

1024 bytes

Outputs

1024bytes

1024bytes

1024bytes

1024 bytes

bytes

4096bytes

4096bytes

Lưu trữ thời gian

4 built –

in I/O, 6

Singephase

100kHzSB: 2 at30kHz

3 at80kHz

1 at20kHzSB: 2 at20kHz

3 at80kHz

3 at20kHz

3 at100kHz

3 at 20kHz

2.2.2 Phân vùng bộ nhớ

PLC có 3 loại bộ nhớ sử dụng là Load memory, Work memory và RetentiveMemory:

cần chứa các dữ liệu cần lưu vào đây

2.2.3 Sơ đồ đấu dây

Những Hình 2.2, Hình 2.3, Hình 2.4 mô tả sơ đồ nối dây với các chân trên PLC

Hình 2.2 Sơ đồ đấu dây CPU 1214 AC/DC/Relay

Hình 2.3 Sơ đồ đấu dây CPU 1214 DC/DC/Relay

Hình 2.4 Sơ đồ đấu dây CPU 1214 DC/DC/Relay

2.3 Phần mềm lập trình

2.3.1 Tổng quan về phần mềm TIA Portal V17

TIA Portal là phần mềm tích hợp của nhiều phần mềm điều hành để quản lý vậnhành tự động hóa và cơ điện của hệ thống Có thể hiểu, TIA Portal là phần mềm tựđộng hóa đầu tiên sử dụng cùng một môi trường/nền tảng để thực thi các tác vụ và

hệ thống điều khiển

Hình 2.5 Phần mềm TIA PORTAL V17

TIA Portal - Complete Automated Integration là phần mềm cơ bản cho mọi quátrình phát triển phần mềm khác: lập trình, tích hợp cấu hình thiết bị trong dòng sảnphẩm Tính năng TIA Portal cho phép các phần mềm dùng chung cơ sở dữ liệu, tạo

sự thống nhất và toàn vẹn cho việc quản lý và vận hành các hệ thống ứng dụng TIAPortal tạo ra một môi trường lập trình đơn giản để:

- Thiết kế giao diện kéo thả thông tin dễ sử dụng, hỗ trợ nhiều ngôn ngữ.Quản lý chung user, code, phân quyền của project

- Go live và chẩn đoán tất cả các thiết bị trong dự án để xác định bệnh vàlỗi hệ thống

- Dễ dàng cấu hình và kết nối các thiết bị Siemens

Hiện tại, phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14, TIAPortal V15, TIA Portal V16, và mới nhất là TIA Portal V17 Người dùng có thểchọn cài đặt phiên bản cổng TIA tương ứng theo nhu cầu của mình

2.3.2 Giao diện phần mềm

Phần mền TIA PORTAL V17 làm nhiệm vụ trung gian giữa người dùng, ngườilập trình và PLC

Các bước để tạo một project trên phần mềm :

Hình 2.6 Logo TIA Portal V17

- Bước 2: Click chuột vào Create new project để tạo dự án

Hình 2.7 Thao tác tạo dự án mới

project

Hình 2.8 Thao tác đặt tên chọn đường dẫn và tạo new project

Hình 2.9 Thao tác chọn vào Configure a device

Hình 2.10 Thao tác chọn vào Add new device

Hình 2.11 Thao tác Chọn loại CPU PLC

-Hình 2.12 Một project mới được tạo ra.

2.4 Giới thiệu hệ SCADA

2.4.1 Khái niệm

Phần mềm SIMATIC WinCC của Siemens là phần mềm đặc biệt để xây dựnggiao diện điều khiển HMI cũng như xử lý và lưu trữ dữ liệu trong hệ thống SCADAtrong ngành tự động hóa WinCC cung cấp các công cụ phần mềm để thiết lập mộtgiao diện điều khiển chạy trên hệ điều hành của Microsoft Gói phần mềm được sửdụng trong máy là WinCC RT Advanced với các tính năng chính:

- Giám sát, báo cáo, đăng nhập và quản lí người dùng ở mức độ cơ bản;

network

2.4.2 Kết nối giữa máy tính và PLC

Để máy tính có thể điều khiển, giám sát từ giao diện tới PLC thì máy tính và PLCcần được liên kết với nhau Trước tiên, ta cần gọi một khối SIMATIC PC Station từHardware Catalog của TIA Portal Ở đây chúng em sử dụng WinCC RT Advanced

và cuối cùng là module CP/IE để cho phép máy tính và PLC liên kết với nhau thôngqua cáp mạng ethernet Như vậy ta đã hoàn thành việc thiết lập cấu hình cho PLC

và máy tính (Hình 2.13 mô tả cấu hình kết nối giữa PLC với WinCC thông qua dâyPN/IE_1)

Hình 2.13 Cấu hình kết nối giữa PLC và WinCC

2.4.3 Các đổi tượng sử dụng trong WinCC

Sau khi thêm một màn hình bất kì (Screen hay Pop-up screen) phần mềm TIAPortal sẽ hỗ trợ một thanh công cụ Toolbox gồm cái đối tượng có chức năng hiểnthị, điều khiển hoặc xuất nhập dữ liệu Các đối tượng được sử dụng trong đề tài:

- Text field: cho phép người dùng tạo các văn bản để hiển thị, chú thíchcác đối

- I/O field: hiển thị dữ liệu vào ra, cho phép nhận dữ liệu từ máy tính đểtruyền đến PLC thông qua giao diện

- Symbolic I/O field: Hiển thị dữ liệu vào ra, cho phép nhận dữ liệu từmáy tính truyền đến PLC thông qua giao diện ở dạng list

2.4.4 Ngôn ngữ thiết kế giao diện

Vbscript là một ngôn ngữ văn lệnh được thông dịch bởi Window Script Host củaMicrosoft VBS là một phiên bản nâng cấp của Visual Basic, cho phép người dùngđưa ra các lệnh xử lí giao diện phức tạp hơn nhờ vào các cấu trúc lệnh lập trình.WinCC hỗ trợ một môi trường thời gian thực cho VBS Sử dụng VBS để lập trìnhcác hành động, kích hoạt hoặc hiện thị các chủ thể trong thời gian thực

các chủ thể trong hệ thống thời gian thực qua đó thực hiện các lệnh độc lập

- Tag: giá trị của tag có thể được đọc, viết tuỳ vào mục đích

cấp các công cụ hỗ trợ cho việc lập trình tiết kiệm thời gian hơn nhưAutocomplete, Lists of object…

2.4.5 Các chức năng hỗ trợ trong lập trình giao diện

Properties: chứa các thuộc tính của đối tượng (button, I/O field…)

tượng được tác động

số tác động được hỗ trợ

+ Press: nhấn nút bấm ngõ ra hoặc từ phần cứng máy tính

+ Release: nhả bấm nút bấm hoặc phần cứng máy tính

+ Active: khi đối tượng được kích hoạt

+ Deactive: khi đối tượng bị ngừng kích hoạt

- Các funtion chính trong Events

+ ActiveScreen: chuyển sang trang khác khi chủ thể được tác động

+ Increase Tag: cộng giá trị được cho vào giá trị của tag

+ InvertBit: chuyển bit (Nếu 0→1; 1→0)

+ SetBits: đưa giá trị của Bit lên giá trị 1 (True)

+ ResetBit: đưa giá trị của Bit về giá trị 0 (False)

+ SetTag: gán một giá trị mới cho tag

+ ShowPopupScreen: hiển thị Pop-up screen

+ VBScripts funtion: là các function do người dùng tạo từ các câu lệnhlập trình VBScripts

Các hàm được liệt kê trên sẽ được sử dụng xuyên suốt trong đồ án này

KẾT LUẬN CHƯƠNG

Ở chương này, chúng ta sẽ giới thiệu về các hãnh PLC hiện có trên thị trường vàtổng quan về PLC S7-1200 của hãng Siemens Sau đó nói về phần mềm TIA PortalV15 để phục vụ lập trình cho hệ thống Cuối cùng là xây dựng màn hình WinCC đểđiều khiển và giám sát hệ thống ở cấp trường

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

3.1 Tính toán lựa chọn thiết bị

3.1.1 Phân tích động lực học kết cấu T-Bot

Sau khi đã hoàn tất thiết kế cơ khí của hệ thống, cần thiết phải phân tích độnghọc thuận, ngược của cơ cấu tay máy T-bot để tìm ra các mối liên hệ giữa tọa độcủa bộ phận công tác và thông số điều khiển động cơ Từ đó điều khiển end-effectorchuyển động theo quỹ đạo mong muốn Dựa vào các bước ở phần PHỤ LỤC ta tiếnhành thức hiện tính toán động học thuận và ngược

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý của cánh tay máy T-Bot

3.1.1.1 Tính toán động học thuận

Thực hiện gắn các hệ tọa độ lên các khâu của tay máy Robot:

- Bước 1: Gắn trục 𝑍𝑖 dọc theo trục khớp i, hướng tùy ý

Gốc 𝑂𝑖 của hệ tọa độ {i} được đặt tại điểm giao nhau của đường vuông gócchung với trục 𝑍𝑖

hướng từ trục khớp i đến trục (i+1)

- Bước 4: Trục tọa độ 𝑌𝑖 được xác định theo quy tắc bàn tay phải, 𝑌𝑖 =

𝑍𝑖 × 𝑋𝑖

tiên bằng 0

Sau khi thực hiện các bước ta thu được các hệ trục tọa độ như hình 3.2:

Hình 3.2 Gắn hệ tọa độ lên tay máy

Bảng 4: Thành lập bảng tham số theo phương pháp Denavit-Hartenberg

Suy ra:

Xác định ma trận biến đổi giữa hệ tọa độ {0} và hệ tọa độ toàn cục {W}:

Để xác định ❑0W T ta tiến hành thực hiện các phép quay hệ tọa độ {W} về trùnghướng với các trục của hệ tọa độ {0}

−180°

Ở đây, ta quay quanh hệ tọa độ cố định {W} nên:

Với: 𝑊

0𝑅 = 𝑅𝑍 𝑊(−180°)𝑅𝑌 𝑊(−90°)