47 Trang 4 Chương 7 Lập trình điều khiển chuyển động và Ứng dụng Bộ điều khiển chuyển động là một thiết bị có thể lập trình và là “bộ não” của hệ thống.. Chương này tiếp tục giới thiệu
lOMoARcPSD|39108650 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH BÀI BÁO CÁO MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN CÁC HỆ THỐNG SERVO ĐỀ TÀI: CHƯƠNG 7 SINH VIÊN THỰC HIỆN NGUYỄN PHƯỚC ĐỊNH PHÚC PHÙNG QUANG MINH PHAN TRƯƠNG HẢI PHI NGUYỄN VĂN HƯNG GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ĐÀO THANH LIÊM TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2023 Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG THƯƠNG TP HỒ CHÍ MINH BÀI TẬP MÔN HỌC ĐIỀU KHIỂN CÁC HỆ THỐNG SERVO ĐỀ TÀI: CHƯƠNG 7 NGUYỄN PHƯỚC ĐỊNH PHÚC MSSV: 2025200044 PHÙNG QUANG MINH MSSV: 2025200202 PHAN TRƯƠNG HẢI PHI MSSV: 2025200041 NGUYỄN VĂN HƯNG MSSV: 2025202024 GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ĐÀO THANH LIÊM TP HỒ CHÍ MINH, THÁNG 11 NĂM 2023 Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 MỤC LỤC 7.1 Chế độ di chuyển 5 7.1.1 di chuyển tuyến tính .5 7.1.2 Chuyển động tròn 6 7.1.3 Di chuyển đường viền 6 7.1.3.1 sự pha trộn vận tốc 7 7.2 chương trình 7 7.2.1 Chương trình chuyển động 8 7.2.2 Chức năng PLC 9 7.2.2.1 Đọc đầu vào 10 7.2.2.2 Đầu ra kích hoạt cạnh 12 7.2.2.3 Thời gian chính xác 13 7.2.2.4 Công tắc chuyển mạch 13 7.3 Chuyển động một trục 14 7.3.1 Jogging 15 7.3.2 Homing 15 7.4 Chuyển động đa trục 17 7.4.1 động cơ dẫn động một trục 18 7.4.2 Chuyển động phối hợp của hai hoặc nhiều trục 19 7.4.3 cách sử dụng đồng bộ hóa Master / Slave (chính/phụ) 20 7.4.3.1 Hộp số điện tử 21 7.4.3.2 Camming điện tử 22 7.4.3.3 Kích hoạt Camming .38 7.4.4 Kiểm soát tải trọng .40 7.4.4.1 Kiểm soát căng thẳng web vòng hở 43 7.4.4.2 Kiểm soát căng thẳng web vòng kín .44 7.4.4.3 Độ căng côn 46 7.4.5 Động học 47 7.4.5.1 Robot SCARA 51 Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 4 Chương 7 Lập trình điều khiển chuyển động và Ứng dụng Bộ điều khiển chuyển động là một thiết bị có thể lập trình và là “bộ não” của hệ thống Nó tạo ra các cấu hình chuyển động cho tất cả các trục, giám sát I/O và đóng các vòng phản hồi Bộ điều khiển cũng có thể tạo và quản lý các cấu hình chuyển động phức tạp bao gồm chuyển động điện tử, nội suy tuyến tính, nội suy vòng tròn, đường viền và phối hợp chủ/phụ Chương này bắt đầu bằng việc khám phá các chế độ di chuyển tuyến tính, tròn và đường viền Bộ điều khiển có thể bắt chước chức năng của phần cứng bộ điều khiển logic khả trình (PLC) điển hình PLC là một loại bộ điều khiển khác được sử dụng rộng rãi trong tự động hóa Chương này tiếp tục giới thiệu các thuật toán cho chức năng PLC cơ bản thường được sử dụng trong các chương trình điều khiển chuyển động Tiếp theo, các động tác jogging và di chuyển home được trình bày, là các động tác một trục Sau đó, các thuật toán cho chuyển động đa trục với các chuyển động phối hợp, đồng bộ hóa master/ slave , cam điện tử và điều khiển lực căng được trình bày Các máy không phải Descartes, chẳng hạn như robot công nghiệp có thể được điều khiển bằng bộ điều khiển chuyển động Tuy nhiên, hình dạng phức tạp của máy đòi hỏi phải tính toán động học trong thời gian thực Chương này kết thúc bằng cách xem xét động học thuận và nghịch và bằng cách cung cấp các quy trình này cho robot cánh tay robot có khớp nối tuân thủ chọn lọc (SCARA) Mỗi nhà sản xuất bộ điều khiển đều có ngôn ngữ lập trình và môi trường lập trình riêng cho sản phẩm của mình Vì các chi tiết lập trình rất cụ thể cho từng phần cứng nên chương này chỉ cung cấp những phác thảo về thuật toán Phải tuân thủ chặt chẽ hướng dẫn sử dụng sản phẩm và đề xuất của nhà sản xuất trong việc điều chỉnh các thuật toán này cho phù hợp với lựa chọn phần cứng bộ điều khiển chuyển động cụ thể Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 5 7.1 Chế độ di chuyển Chức năng chính của bộ điều khiển chuyển động là thực hiện di chuyển vị trí trục và quỹ đạo Bộ điều khiển có thể thực hiện các kiểu di chuyển khác nhau, chẳng hạn như tuyến tính hoặc vòng tròn, giữa hai điểm Sau khi ra lệnh di chuyển, trình tạo quỹ đạo sẽ tạo các vị trí (điểm) trung gian giữa điểm bắt đầu và điểm kết thúc trong thời gian thực Các vị trí này sau đó được chuyển tới hệ thống điều khiển để quản lý chuyển động của từng trục Mỗi bước di chuyển bao gồm một loại di chuyển và các ràng buộc, đó là vị trí/khoảng cách di chuyển, vận tốc tối đa và khả năng tăng/giảm tốc Dựa trên thông tin này, bộ tạo quỹ đạo tạo ra một đường cong vận tốc, có dạng hình thang hoặc đường cong S như đã thảo luận trong Chương 2 Theo đường cong vận tốc này, trục bắt đầu di chuyển từ điểm bắt đầu, tăng tốc đến tốc độ xác định, chạy trong một lúc, giảm tốc độ và dừng lại ở điểm kết thúc 7.1.1 di chuyển tuyến tính Đây là chế độ di chuyển cơ bản nhất thực hiện dọc theo một đường thẳng giữa hai điểm Nó đòi hỏi điểm bắt đầu và điểm kết thúc cũng như các ràng buộc di chuyển Đường cong vận tốc hình thang yêu cầu thời gian tăng/giảm tốc (𝑡𝑎) và thời gian di chuyển (𝑡𝑚) như trong Hình 2.4 Nếu những thời gian này được chỉ định trong chương trình người dùng thì bộ điều khiển sẽ tính toán tốc độ di chuyển tối đa (𝑣𝑚) Nếu chương trình người dùng chỉ định tốc độ di chuyển tối đa, thường là tốc độ tiến dao, thì bộ điều khiển sẽ tính toán𝑡𝑚 và 𝑡𝑎 để tạo ra cấu hình vận tốc Có hai cách để xác định vị trí mục tiêu: (1) Tuyệt đối và (2) Tăng dần Giả sử rằng hai bước di chuyển liên tiếp sẽ được thực hiện trong 5 và 10 inch với trục bắt đầu từ gốc tọa độ Ở chế độ tuyệt đối, mỗi bước di chuyển được thực hiện tương ứng với vị trí gốc Do đó, trong lần di chuyển đầu tiên, trục di chuyển được 5 inch Trong lần di chuyển thứ hai, nó di chuyển thêm 5 inch nữa vì trục này sẽ bằng 10 inch tính từ gốc tọa độ Trong trường hợp ở chế độ tăng dần, bước di chuyển tiếp theo được thực hiện Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 6 từ vị trí hiện tại Do đó, trong ví dụ này, trục đầu tiên sẽ di chuyển 5 inch, sau đó là 10 inch và dừng ở 15 inch so với gốc tọa độ 7.1.2 Chuyển động tròn Trong chế độ di chuyển này, một cung tròn được tạo ra giữa hai điểm dưới dạng đường dẫn mà đầu dao (chẳng hạn như dụng cụ cắt) theo sau Vòng tròn có thể được chứa trong mặt phẳng hai chiều (2D) theo bất kỳ hướng nào hoặc nó có thể là cung ba chiều (3D) như trong trường hợp đường xoắn ốc Chế độ này yêu cầu bộ điều khiển phối hợp nhiều trục một cách tự độn Các lệnh di chuyển vòng tròn yêu cầu xác định hướng của mặt phẳng chứa cung tròn Điều này thường được thực hiện bằng cách xác định tọa độ của vectơ pháp tuyến cho mặt phẳng Hơn nữa, điểm bắt đầu, điểm kết thúc và điểm trung tâm của cung tròn cần phải được xác định Vì có thể có một cung theo chiều kim đồng hồ (CW) hoặc ngược chiều kim đồng hồ (CCW) giữa hai điểm trong cùng một mặt phẳng nên hướng di chuyển cũng phải được xác định (Hình 7.1) Cuối cùng, cần có các ràng buộc chuyển động thông thường (vận tốc tối đa, tăng/giảm tốc) để bộ tạo quỹ đạo tạo ra biên dạng chuyển động 7.1.3 Di chuyển đường viền Trong một số ứng dụng, chẳng hạn như glue dispensing, điều khiển số máy tính (CNC), hàn hoặc quét, quỹ đạo được tạo thành từ nhiều đoạn Di chuyển đường viền là cần thiết khi quỹ đạo không thể được xây dựng bằng cách sử dụng các đoạn đường và cung Trong trường hợp này, một chuỗi các vị trí được chỉ định bởi chương trình người dùng Bộ điều khiển kết nối các điểm này bằng cách sử dụng đường trục để tạo quỹ đạo Thông thường, biên dạng vị trí giữa hai điểm liền kề được tạo bằng cách sử dụng các đường liên kết liền nét Điều này ngăn chặn những thay đổi đột ngột về vận tốc hoặc gia tốc ở ranh giới đường trục giữa các đoạn liền kề Tổng thời gian di chuyển giữa vị trí đầu tiên và vị trí cuối cùng được chia thành các đoạn thời gian bằng nhau để thực hiện từng đoạn vị trí Có thể trộn giữa hai đoạn thẳng, hai đoạn tròn và giữa các đoạn Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 7 tuyến tính và tròn Pha trộn cho phép chuyển động mượt mà liên tục dọc theo toàn bộ quỹ đạo mặc dù nó bao gồm các đoạn Chuyển động tròn trong mặt phẳng XY 7.1.3.1 sự pha trộn vận tốc Bộ điều khiển có thể chuyển đổi trơn tru từ vận tốc này sang vận tốc khác bằng cách trộn vận tốc của bước di chuyển đầu tiên với vận tốc của bước di chuyển tiếp theo Quá trình trộn bắt đầu tại điểm bắt đầu giảm tốc cho bước di chuyển đầu tiên như trong Hình 7.2a Khi kích hoạt tính năng hòa trộn, vị trí cuối cùng của mỗi phân đoạn có thể đạt được hoặc không Như thể hiện trong Hình 7.2b, khi pha trộn được kích hoạt, đầu công cụ sẽ bắt đầu từ điểm "A" di chuyển về phía "B" và thay đổi hướng của nó về phía "C" một cách trơn tru và liên tục và dừng lại ở "C" Nhưng điểm "B" sẽ không đạt được Nếu quá trình pha trộn bị vô hiệu hóa, mẹo công cụ sẽ bắt đầu từ "A" di chuyển đến "B" và dừng lại trong giây lát Sau đó, nó sẽ tăng tốc về phía "C" tiếp tục di chuyển, và cuối cùng dừng lại ở "C" 7.2 chương trình Chương trình điều khiển chuyển động bao gồm các hướng dẫn để mô tả chuyển động mong muốn và logic điều khiển chung cho máy Việc điều khiển logic được thực hiện như một chương trình PLC Mỗi nhà sản xuất bộ điều khiển chuyển động có cách Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 8 tiếp cận riêng để lập trình bộ điều khiển Trong một số bộ điều khiển, các lệnh chuyển động được trộn lẫn với các chương trình PLC [18, 19] và ở các bộ điều khiển khác, các chương trình chuyển động và PLC được viết thành các chương trình riêng biệt phối hợp để thực hiện chuyển động mong muốn [12] Trong phần tiếp theo chúng ta sẽ xem xét trường hợp của chương trình riêng biệt Hình 7.2 Di chuyển hỗn hợp (a) Trộn vận tốc giữa hai chuyển động liên tiếp (b) Hai bước di chuyển tuyến tính (Trái) có hòa trộn và (Phải) không hòa trộn 7.2.1 Chương trình chuyển động Tất cả các chức năng của bộ điều khiển chuyển động mô tả chuyển động mong muốn có thể được lập trình bằng cách sử dụng các hoạt động I / O toán học, logic, máy và lệnh cho các loại di chuyển cụ thể Các tham số của bộ điều khiển, chẳng hạn như độ lợi hoặc bất kỳ tham số cấu hình nào, có thể được đặt từ chương trình Một bộ điều khiển chuyển động có thể lưu trữ nhiều chương trình trong bộ nhớ của nó Một chương trình chuyển động có thể gọi các chương trình chuyển động khác là chương trình con Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 9 Mỗi nhà sản xuất bộ điều khiển chuyển động có cú pháp ngôn ngữ lập trình riêng Tuy nhiên, tất cả các ngôn ngữ này đều có cấu trúc để kiểm soát luồng logic trong một chương trình Các cấu trúc điển hình bao gồm vòng lặp WHILE, vòng lặp FOR và IF THEN phân nhánh Ngoài các toán tử toán học và logic cơ bản, bộ điều khiển có khả năng động học đi kèm với các tính năng toán học bổ sung như SIN, COS, SQRT, v.v., Thuật toán 1 cho thấy cấu trúc cơ bản của một chương trình chuyển động điển hình 7.2.2 Chức năng PLC PLC là một máy tính công nghiệp có mục đích đặc biệt PLC là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất trong tự động hóa kể từ những năm 1960 Một chương trình PLC thường được viết theo định dạng logic bậc thang [17] và chạy liên tục trong cái gọi là chế độ quét Về cơ bản, chương trình chạy trong một vòng lặp vô hạn sau khi bắt đầu Trong mỗi chu kỳ quét, PLC đầu tiên đọc trạng thái của tất cả các thiết bị I / O Sau đó, nó quét logic trong chương trình từ trên xuống dưới để xác định trạng thái mới cho các thiết bị đầu ra với trạng thái hiện tại của tất cả các thiết bị đầu vào Cuối cùng, nó cập nhật các thiết bị đầu ra Tùy thuộc vào độ phức tạp của chương trình logic và tốc độ của CPU, mỗi chu kỳ quét có thể chỉ mất vài mili giây trên một nghìn dòng câu lệnh logic đơn giản Thuật toán 1 Cấu trúc của chương trình chuyển động cơ bản 1: thủ tục chính Gán động cơ cho các trục 2: X ← Động cơ 1 ⊳ Động cơ 1 gán cho trục X 3: Y ← Động cơ 2 ⊳ Động cơ 2 gán cho trục Y Xác định chế độ di chuyển 4: Chế độ chuyển động ← Tuyến tính ⊳ Di chuyển tuyến tính Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com) lOMoARcPSD|39108650 5: PosMode ← Abs 10 Xác định các hạn chế di chuyển 6: TA ← 10 ⊳ Vị trí tuyệt đối 7: TM ← 1000 ⊳ Thời gian tăng tốc 10 ms Chuyển động mong muốn ⊳ Thời gian di chuyển 1000 ms ⊳ Di chuyển 5 đơn vị theo X và 3 đơn vị 8: X5 Y3 theo Y 9: Kết thúc thủ tục Bộ điều khiển chuyển động bắt chước chức năng chu kỳ quét của phần cứng PLC điển hình như một phần mềm chạy trên chính bộ điều khiển chuyển động Bộ điều khiển chuyển động có thể chạy các chương trình PLC trong nền đồng thời thực hiện lệnh / chương trình chuyển động Các chương trình PLC lý tưởng cho các tác vụ không đồng bộ với chuyển động được sắp xếp Chúng có thể chứa cú pháp giống như một chương trình chuyển động ngoại trừ các lệnh chuyển động Thông thường, các chương trình PLC thực hiện giám sát đầu vào, cập nhật đầu ra, thay đổi mức tăng của bộ điều khiển, định cấu hình phần cứng, gửi lệnh và giao tiếp với giao diện người-máy (HMI) Trong các phần sau, chúng ta sẽ khám phá một vài chương trình PLC mẫu cơ bản có thể được sử dụng để thực hiện các chức năng khác nhau thường gặp trong các ứng dụng điều khiển chuyển động 7.2.2.1 Đọc đầu vào I/O máy được ánh xạ tới bộ nhớ của bộ điều khiển Ví dụ: chúng ta hãy giả sử rằng có một đầu nối 25 chân kiểu D-sub trên bộ điều khiển cho các đầu vào và đầu ra kỹ thuật số của nó Đây là nơi các thiết bị giao diện người dùng loại BẬT / TẮT, chẳng Downloaded by ANH LE (bachvan14@gmail.com)