Hiện nay ở nước ta, robot công nghiệp ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp giúp cho việc sản xuất, vận chuyển hàng hoá trở nên nhanh chóng và chính xác hơn. Tuy nhiên, các hệ thống robot bao gồm robot và bộ điều khiển đi kèm đều được phát triển ở nước ngoài và nhập khẩu về nước. Đề tài đưa ra tổng quan, phân tích và lập trình tạo ra bộ điều khiển robot công nghiệp do chính người Việt Nam phát triển. Lấy ý tưởng từ robot AR3 sẵn có, nhóm đã tinh chỉnh các thành phần về cơ khí và điện cho phù hợp với quy mô đồ án. Nội dung đề tài: bộ điều khiển sử dụng PLC và giao diện viết trên C# của Visual Studio (tính toán các thông số động học trong C#).
TỔNG QUAN
Lý do chọn đề tài
Ở nước ta, việc sử dụng robot công nghiệp trong sản xuất đã bắt đầu nhiều năm từ khi cuộc cách mạng” Hiện đại hóa- Công nghiệp hóa” được phát động
Robot được ứng dụng trong nhiều ngành như: hàn, sơn, gia công, …thậm chí trong nhiều trường đại học như Đại Học Bách Khoa Hà Nội robot công nghiệp đã được đưa vào giảng dạy như một môn học bắt buộc của nhiều chuyên ngành
Tuy nhiên, sau nhiều năm đưa vào sử dụng, việc thay thế, sửa chữa còn gặp nhiều bất cập vì robot sản xuất ở nước ngoài, hầu hết phụ tùng, công nghệ đều nhập khẩu từ nước ngoài Kết quả là chi phí bị đội lên quá cao, robot hỏng hóc nặng sẽ bị bỏ đi và mua mới để tiết kiệm chi phí Sau nhiều năm tiếp xúc, kết cấu robot công nghiệp đã được bóc tách, nhiều dự án, bài báo về chế tạo robot công nghiệp từ chính người Việt đã được triển khai Nhưng phần mềm điều khiển cho robot công nghiệp vẫn còn bị bỏ ngỏ, chưa được tối ưu Để góp phần giải quyết vấn đề này, nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và điều khiển robot công nghiệp sử dụng PLC”.
Ý tưởng thiết kế
Từ thời cổ xưa, con người đã mong muốn tạo ra những vật giống như mình để bắt chúng phục vụ cho bản thân mình Ví dụ, trong kho thần thoại Hy Lạp có chuyện người khổng lồ Promethe đúc ra con người từ đất sét và truyền cho họ sự sống, hoặc chuyện tên nô lệ Talus khổng lồ được làm bằng đồng và được giao nhiệm vụ bảo vệ hoang đảo Crete Đến năm 1921, từ "Robot" xuất hiện lần đầu trong vở kịch "Rossum's Universal Robots" của nhà viết kịch viễn tưởng người Sec, Karel Capek Trong vở kịch này, ông dùng từ "Robot", biến thể của từ gốc Slavơ "Rabota", để gọi một thiết bị - lao công do con người (nhân vật Rossum) tạo ra
Vào những năm 40 nhà văn viễn tưởng Nga, Issac Asimov, mô tả robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Positron, do chính con người lập trình Asimov cũng đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản: robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người, hoạt động của robot phải tuân theo các quy tắc do con người đặt ra Các quy tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình, nhưng không được vi phạm hai nguyên tắc trước Các nguyên tắc trên sau này trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot
Từ sự hư cấu của khoa học viễn tưởng, robot dần dần được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định Để hoàn thành nhiệm vụ đó, robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người
2 Khả năng hoạt động của robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí, gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí Chức năng cảm nhận, gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến (sensor) và các thiết bị liên quan thực hiện Hệ thống này được gọi là hệ thống thu nhận và xử lý tín hiệu, hay đơn giản là hệ thống cảm biến
Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên, đảm bảo cho robot có thể tự điều chỉnh "Hành vi" của mình và hoạt động theo đúng chức năng quy định trong điều kiện môi trường thay đổi, trong robot phải có hệ thống điều khiển Xây dựng các hệ thống điều khiển thuộc phạm vi điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin
Robotics được hiểu là một ngành khoa học có nhiệm vụ nghiên cứu, thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học, kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh Từ hiểu biết sơ bộ về chức năng và kết cấu của robot, chúng ta hiểu robotics là một khoa học liên ngành, gồm cơ khí, điện tử, kỹ thuật điều khiển và công nghệ thông tin Theo thuật ngữ hiện nay, robot là sản phẩm của ngành cơ - điện tử (Mechatronics)
Khía cạnh nhân văn và khía cạnh khoa học - kỹ thuật của việc sản sinh ra robot thống nhất ở một điểm: thực hiện hoài bão của con người, là tạo ra thiết bị thay thế mình trong những hoạt động không thích hợp với mình như các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà, hay trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: như ngoài khoảng không vũ trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao, hay những việc đòi hỏi độ chính xác cao, như thông tắc mạch máu hoặc các ống dẫn trong cơ thể, lắp ráp các cấu tử trong vi mạch,
Lĩnh vực ứng dựng của robot rất rộng và ngày càng được mở rộng thêm
Ngày nay, khái niệm về robot đã mở rộng hơn khái niệm nguyên thuỷ rất nhiều
Sự phỏng tác về kết cấu, chức năng, dáng vẻ của con người là cần thiết nhưng không còn ngự trị trong kỹ thuật robot nữa Kết cấu của nhiều "con" robot khác xa với kết cấu các bộ phận của cơ thể người và chúng cũng có thể thực hiện được những việc vượt xa khả năng của con người
1.2.2 Giới thiệu về robot công nghiệp
Mặc dù, như định nghĩa chung về robot đã nêu, không có gì giới hạn phạm vi ứng dụng của robot, nhưng có một thực tế là hầu hết robot hiện đang có đều được dùng trong công nghiệp Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá, thương mại hoá rộng rãi Lớp robot này được gọi là Robot công nghiệp (Industrial Robot - IR)
Kỹ thuật tự động hoá (TĐH) trong công nghiệp đã đạt tới trình độ rất cao: không chỉ TĐH các quá trình vật lý mà cả các quá trình xử lý thông tin Vì vậy,
3 TĐH trong công nghiệp tích hợp công nghệ sản xuất, kỹ thuật điện, điện tử, kỹ thuật điều khiển tự động trong đó có TĐH nhờ máy tính
Hiện nay, trong công nghiệp tồn tại 3 dạng TĐH:
- TĐH cứng (Fixed Automation) được hình thành dưới dạng các thiết bị hoặc dây chuyền chuyên môn hoá theo đối tượng (sản phẩm) Nó được ứng dụng có hiệu quả trong điều kiện sản xuất hàng khối với sản lượng rất lớn các sản phẩm cùng loại
- TĐH khả trình (Programmable Automation) được ứng dụng chủ yếu trong sản xuất loạt nhỏ, loạt vừa, đáp ứng phần lớn nhu cầu sản phẩm công nghiệp Hệ thống thiết bị dạng này là các thiết bị vạn năng điều khiển số, cho phép dễ dàng lập trình lại để có thể thay đổi chủng loại (tức là thay đổi quy trình công nghệ sản xuất) sản phẩm
- TĐH linh hoạt (Flexible Automation) là dạng phát triển của TĐH khả trình
Nó tích hợp công nghệ sản xuất với kỹ thuật điều khiển bằng máy tính, cho phép thay đổi đối tượng sản xuất mà không cần (hoặc hạn chế) sự can thiệp của con người TĐH linh hoạt được biểu hiện dưới 2 dạng: tế bào sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing Cell - FMC) và hệ thống sản xuất linh hoạt (Flexible Manufacturing System - FMS)
RBCN có 2 đặc trưng cơ bản:
- Là thiết bị vạn năng, được TĐH theo chương trình và có thể lập trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ khác nhau
- Được ứng dụng trong những trường hợp mang tính công nghiệp đặc trưng, như vận chuyển và xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,
Vì thể hiện 2 đặc trưng cơ bản trên của RBCN, hiện nay định nghĩa sau đây về robot công nghiệp do Viện nghiên cứu robot của Mỹ đề xuất được sử dụng rộng rãi: RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ hoặc các thiết bị chuyên dùng khác
Chọn mẫu robot và tính toán động học
Với kết cấu chung của robot công nghiệp thường được sử dụng trong các nhà máy, xí nghiệp, hầu hết chúng đều có kích thước lớn, kết cấu phức tạp nên mục đích là tìm ra robot công nghiệp có đầy đủ 6 bậc tự do nhưng kích thước nhỏ hơn, kết cấu đơn giản hơn
Qua tìm hiểu về các dự án trên Internet chủ yếu là qua Youtube, nhóm đã xác định mẫu robot là AR3, thế hệ thứ 2 của mẫu robot AR (Annin Robotics) dùng chủ yếu trong việc học tập, nghiên cứu với nhiều tài liệu có thể tìm thấy dễ dàng trên trang web của nhà phát triển
Hình 1.1 Thông số robot AR3
Robot AR3 được nghiên cứu và phát triển bởi Annin Robotics – một phòng nghiên cứu với mục đích tạo ra sản phẩm là các robot công nghiệp có kích thước để bàn Mục tiêu của loạt robot AR là tạo ra tùy chọn chi phí thấp nhất để bất kỳ ai cũng có thể chế tạo robot 6 trục cho mục đích giải trí, giáo dục hoặc hoạt động sản xuất nhỏ
Robot AR3 là cánh tay robot 6 trục với tải trọng mang tối đa là 1Kg, tầm với 600 mm, độ chính xác lặp 0,2 mm và có khối lượng 10Kg Do một số thay đổi trong việc chọn vật liệu, động cơ nên những thông số trên sẽ có sự thay đổi nhất định ở sản phẩm hoàn thiện
1.3.2 Tính toán động học cho robot AR3 A Tính toán động học thuận, động học ngược
Giới hạn về góc và tốc độ quay của các khớp được thể hiện dưới bảng sau:
Bảng 1 Bảng giới hạn về góc
Trục Giới hạn chuyển động
5 Trục Giới hạn chuyển động
Dựa vào độ dài các khâu và giới hạn các góc khớp như bảng trên, nhóm đã vẽ lại không gian làm việc của robot qua phần mềm Matlab như sau:
Hình 1.2 Không gian làm việc robot
Ta có các trục tọa độ gắn vào các gốc của robot như sau:
Hình 1.3 Hệ trục toạ độ gắn vào các khâu robot
Ta xây dựng mối quan hệ động học thông qua bộ thông số DH
Theo Denavit & Hartenberg, hai ông đã đề xuất dùng ma trận thuần nhất 4x4 để mô tả quan hệ giữa 2 khâu liên tiếp trong cơ cấu không gian
Trước hết xác định bộ thông số cơ bản giữa 2 trục quay của 2 khớp động i+1 và i:
- ai là độ dài đường vuông góc chung giữa 2 trục khớp động i+1 và i
- i là góc chéo giữa 2 trục khớp động i+1 và i
- di là khoảng cách đo dọc trục khớp động i kể từ đường vuông góc chung giữa trục khớp động i+1 và trục khớp động i tới đường vuông góc chung giữa trục khớp động i và trục khớp động i-1
- θi là góc giữa 2 đường vuông góc nói trên
Bảng 2 Bảng DH của robot
❖ Tính động học thuận: Động học thuận là tính giá trị tọa độ điểm tác động cuối của robot (x,y,z) từ các biến là giá trị góc khớp (𝜃 𝑖 ) Ở bài này, ta dùng phương pháp giải tích (nhân ma trận)
Từ công thức tổng quát Ma trận Jacobi:
𝑇 𝑖−1 𝑖 =[ cos(𝜃 𝑖 ) −sin(𝜃 𝑖 )cos(𝛼 𝑖 ) sin(𝜃 𝑖 ) 𝑠𝑖 𝑛(𝛼 𝑖 )𝑎 𝑖 𝑐𝑜s(𝜃 𝑖 ) sin(𝜃 𝑖 ) 𝑐𝑜𝑠(𝜃 𝑖 )𝑐𝑜s(𝛼 𝑖 ) −𝑐𝑜𝑠(𝜃 𝑖 )𝑠𝑖 𝑛(𝛼 𝑖 )𝑎 𝑖 𝑐𝑜s(𝜃 𝑖 )
Và bảng DH ở trên, ta viết được các Ma trận Jacobi tại các khớp của robot lần lượt như sau:
Với giá trị tọa độ cần tìm của điểm tác động cuối robot:
Cho bộ giá trị biến khớp thay đổi như dưới đây:
Hình 1.4 Biểu đồ góc khớp theo thời gian
Ta thu được quỹ đạo chuyển động của điểm tác động cuối E
Hình 1.5 Qũy đạo chuyển động điểm cuối E
❖ Tính động học ngược: Động học ngược là tìm giá trị các góc khớp theo các biến là các tọa độ X Y Z của khâu tác động cuối của robot
Vì robot 6 trục có cấu trúc khá phức tạp, nên ở bài toán này, ta chia 6 biến khớp ra làm hai phần để dễ tính toán, lần lượt là 3 khớp đầu và 3 khớp sau:
+ 3 giá trị khớp đầu 𝑞 1 , 𝑞 2 , 𝑞 3 , dùng phương pháp hình học
Với khớp đầu 𝑞 1 , khi cánh tay robot tiến lên hoặc lùi lại, đều sẽ thuộc một trong hai trường hợp sau:
Hình 1.6 Động học ngược khớp đầu
Góc 𝜃 1 được tính như hình trên :𝜃 1 = arctan 𝑃 𝑦
𝑃 𝑥 Dựa theo không gian làm việc của Robot, có thể chia ra 2 trường hợp với không gian khớp khác nhau:
Hình 1.7 Hai trường hợp động học ngược 3 khớp đầu
𝑃 𝑥 −𝑎 1 Với 𝜃 𝐵 , xét hình dưới đây:
Trong lượng giác, định lý cos (hay công thức cosine, luật cosine) biểu diễn sự liên quan giữa chiều dài của các cạnh của một tam giác với cosin của góc tương ứng
10 Sử dụng các kí hiệu trong hình trên, ta có thể phát biểu định lý cos dưới dạng công thức như sau:
𝑐 2 = 𝑎 2 + 𝑏 2 − 2 𝑎 𝑏 𝑐𝑜𝑠𝛾 Định lý cos được biểu diễn tương tự cho hai cạnh còn lại:
Từ định lý hàm cos với 𝜃 𝐵 trong tam giác với 3 đỉnh là khớp 2,3 và điểm tác động cuối P, ta có:
Với các giá trị𝑎 1 ,𝑎 2 ,𝑑 1 , 𝑑 4 đã biết và 𝑃 𝑥 ,𝑃 𝑧 là tọa độ theo phương X,Z của điểm tác động cuối P sẽ tính được giá trị biến khớp 𝜃 2
𝜃 2 = 𝜃 𝐷 = (𝑎 1 ̂, 𝑃𝑎2𝐻) - 𝜃 𝐴 Xét tam giác vuông tạo bởi 3 cạnh 𝑃 𝑥 − 𝑎 1 ,𝑃 𝑧 − 𝑑 1 và Pa2H có:
𝑃 𝑥 −𝑎 1 Từ định lý hàm cos với 𝜃 𝐵 trong tam giác với 3 đỉnh là khớp 2,3 và điểm tác động cuối P, ta có:
Với các giá trị𝑎 1 ,𝑎 2 ,𝑑 4 đã biết và 𝑃 𝑥 ,𝑃 𝑧 là tọa độ theo phương X,Z của điểm tác động cuối P sẽ tính được giá trị biến khớp 𝜃 2
+ 3 giá trị khớp sau 𝑞 4 , 𝑞 5 , 𝑞 6 , dùng phương pháp giải tích (nhân ma trận)
Hướng của khâu chấp hành cuối (gắn dụng cụ) được giải sau khi đã biết được các góc vị trí (θ1, θ2, θ3)
6 5 5 6 5 4 6 cosq cosq cosq sin q sin q cosq sin q cosq cosq sin q cosq sin q d cosq sin q cosq sin q cosq cosq sin q cosq cosq cosq sin q sin q sin q sin q d sin q sin q cosq sin q sin q sin q cosq d d
11 Nếu chỉ xét đến thành phần định hướng (ma trận R3x3), ta có:
𝑅 0 6 đã được giải từ phần động học thuận (của hướng đã đặt ban đầu), còn𝑅 0 3 đã có khi giải ra các góc (θ1,θ2,θ3) ở trên
Còn 𝑅 3 6 bao gồm các thành phần ma trận quay của (θ4,θ5,θ6) theo 𝑇 3 6 ở trên và là các giá trị cần được xác định:
6 5 5 6 5 cosq cosq cosq sin q sin q cosq sin q cosq cosq sin q cosq sin q R cosq sin q cosq cosq sin q cosq cosq cosq sin q sin q sin q sin q cosq sin q sin q sin q cosq
Giả sử các thành phần của tích của 2 ma trận vế phải (R ) R 3 T 0 6 0 sau khi tính được là ma trận [bij]3x3 :
2 3 2 3 z z z cos q cos(q q ) sin q cos q sin(q q ) p n t sin q cos(q q ) cos q sin q sin(q q ) p n t sin(q q ) 0 cos(q q ) p n t
Từ đó, sau khi nhân được vế phải phép nhân ma trận trên ra các giá trị bij rồi đồng nhất với các phần tử của R 6 3 ta có được các nghiệm (θ4,θ5,θ6): θ4 = atan 𝑏 23
B Tính toán động lực học, tĩnh học robot
12 Các tham số động lực sau xét trên hệ trục gắn với khâu (coi các khâu là thanh mảnh đồng chất) các biểu thức I đối với khối tâm 𝑐 𝑖 trong hệ 𝑥 𝑐 𝑦 𝑐 𝑧 𝑐 𝑐 𝑖 song song với hệ tọa độ khâu
Hình 1.8 Mô hình robot Bảng 3 Momen quán tính các khâu
Khâu Vị trí trọng tâm Khối lượng
Ma trận momen quán tính
Ta có phương trình Lagrange loại II: 𝑑
𝑅 𝑖 : Ma trận Cosin chỉ hướng của khâu i so với hệ cơ sở
13 𝐽 𝑇𝑖 ,𝐽 𝑅𝑖 : Lần lượt là các ma trận Jacobi tịnh tiến và Jacobi quay được tính bằng công thức:
Phương trình Lagrange được đưa về dạng:
• Ma trận khối lượng M(q) Với Robot 6 bậc :
Ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất của khối tâm khâu 1 sớ với hệ tọa độ Oxyz 𝐴 𝑐1 0 =𝐴 1 0 𝐴 1 𝑐1 = [
) Đạo hàm riêng lần lượt cho 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝜃 3 , 𝜃 4 , 𝜃 5 , 𝜃 6 𝐽 𝑇1 0 = [
0] Đạo hàm riêng lần lượt cho 𝜃 1 , 𝜃 2 , 𝜃 3 , 𝜃 4 , 𝜃 5 , 𝜃 6
Tính tương tự với các khâu còn lại,ta được ma trận khối lượng M(q):
• Lực quán tính Coriolis và quán tính li tâm
∏=∏ 1 +∏ 2 +∏ 3 +∏ 4 +∏ 5 +∏ 6 Ma trận gia tốc trọng trường g = [0 −𝑔 0]
• Lực suy rộng của các lực không thế
Phân tích lực tĩnh học robot là vấn đề quan trọng trong việc xác định giá trị của lực truyền qua các khớp của cơ cấu Kết quả này sẽ là cơ sở cho việc thiết kế lựa chọn kích cỡ các khâu và các động cơ dẫn thích hợp
Dựa vào mô hình thiết kế trên solidwork, vật liệu được chọn trong thiết kế là Nhôm (6061 Alloy) ta có được khối lượng của các khâu như dưới đây:
Bảng 4 Khối lượng các khâu 1
Dựa vào phương pháp cân bằng khâu:
• Tách cấu trúc và xét cân bằng từ khâu cuối (n) đến khâu (0)
• Tiên đề: tác dụng bằng phản lực tác dụng
Tính lực (mô-men) dẫn động tại các khớp đảm bảo robot cân bằng tĩnh Hệ phương trình cân bằng trong hệ tọa độ cơ sở:
𝐹⃗ 𝑖,𝑖−1 là lực do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ cơ bản
𝑖,𝑖−1 là mô-men do khâu i-1 tác dụng lên khâu i ở khớp thứ i trong hệ tọa độ cơ bản
1 0 là trọng lực của khâu i trong hệ tọa độ cơ bản, 𝑟 𝑖
1 0 = 0 𝑅 𝑖 𝑖 𝑟 𝑖 là véc-tơ có gốc là𝑂 𝑜 nối với𝑂 𝑖 trong hệ tọa độ cơ bản
1 0 là ma trận quay biến đổi từ hệ tọa độ 0 sang hệ tọa độ thứ i
1 𝑖 là véc-tơ có gốc 𝑂 𝑖−1 nối với𝑂 𝑖 trong hệ tọa độ khâu i
• Ta giả sử lực môi trường tác động khâu cuối :
Thay vào 2 phương trình trên ta thu được:𝐹 6,5 = [
Tương tự tính cho các khớp còn lại ta thu được kết quả dưới đây:
Lực tĩnh của từng khâu 𝐹 6,5 = [
Momen tĩnh động cơ cần để robot cân bằng:
𝑑 1 = 170𝑚𝑚, 𝑎 1 = 70𝑚𝑚, 𝑎 2 = 305𝑚𝑚, 𝑑 4 = 263𝑚𝑚, 𝑑 6 = 60𝑚𝑚 Ta thu được các kết quả:
THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHO ROBOT
Thiết kế 3D của Robot
Dưới đây là hình ảnh các khâu của Robot đượcc thiết kế trên phần mềm Solidworks:
Hình ảnh tổng thể của Robot sau khi chỉnh sửa trên Solidworks:
Hình 2.7 Một số kích thước chính Robot
Hình 2.8 Chiều quay các khớp Robot
20 Hình ảnh thực tế của Robot:
Các bộ truyền và động cơ
Robot dùng 1 bộ truyền vít me - đai ốc bi và 3 bộ truyền đai răng:
• Bộ truyền vít me – đai ốc bi: dùng cho khớp 5
- Truyền động vít me- đai ốc bi có ma sát không đáng kể - Đem lại hiệu suất truyền động lớn
- Đảm bảo chuyển động chính xác, mượt mà, ổn định, bền bỉ và lâu dài - Có độ cứng vững dọc trục cao
- Khả năng chịu tải kém hơn so với các bộ truyền vít me khác
Hình 2.10 Bộ truyền vít me- đai ốc bi
• Bộ truyền đai răng cho khớp 1,3,4 và 5
- Có khả năng truyền chuyển động giữa các trục xa nhau
- Làm việc êm và không ồn
21 - Giữ an toàn cho các chi tiết và động cơ khi bị quá tải nhờ hiện tượng trượt đai
- Kết cấu đơn giản, dề dàng lắp ráp và thay thế, không yêu cầu bôi trơn định kỳ
➢ Nhược điểm : - Kích thước đai và pulley lớn
- Hiệu suất thấp do trượt đàn hồi
- Tuổi thọ của dây đai thấp
- Lực tác dụng lên trục và ổ bi lớn do phải căng đai
Hình 2.11 Bộ truyền đai khớp 1, 3, 4 và 5
Robot dùng 6 động cơ Step, động cơ có thể gắn thêm hộp giảm tốc, dùng Driver để điều khiển
Việc chọn động cơ dựa vào bộ truyền đã chọn và momen đã tính được ở trên phần tĩnh học,dưới đây là thông số động cơ nhóm đã chọn:
Hình 2.12 Động cơ khớp 1: 17HS15-1684DHG10
Hình 2.13 Động cơ khớp 2: 23HS22-2804DHG100
Hình 2.14 Động cơ khớp 3: 17HS15-1684DHG50
Hình 2.15 Động cơ khớp 4: 11HS20-0674DPG14
Hình 2.16 Động cơ khớp 5: 17LS19-1684E-200G
Hình 2.17 Động cơ khớp 6: 14HS11-1004DPG19
Bảng 5 Bảng thông số các động cơ
Moment xoắn cực đại(Nm)
THIẾT KẾ TỦ ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN
Ý tưởng thiết kế
PLC viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển lập trình được (khả trình) cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự các sự kiện Các sự kiện này được kích hoạt bởi tác nhân kích thích (ngõ vào) tác động vào PLC hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định thì hay các sự kiện được đếm PLC dùng để thay thế các mạch relay (rơ le) trong thực tế
PLC hoạt động theo phương thức quét các trạng thái trên đầu ra và đầu vào Khi có sự thay đổi ở đầu vào thì đầu ra sẽ thay đổi theo
Bộ điều khiển robot công nghiệp bằng PLC (Programmable Logic Controller) là một hệ thống điện tử được sử dụng để kiểm soát các tác vụ tự động trong quá trình sản xuất công nghiệp Nó là một giải pháp hiệu quả và linh hoạt để kiểm soát các robot công nghiệp trong môi trường sản xuất
3.1.1 Bộ điều khiển sử dụng FX3U
Sử dụng PLC của Mitsubishi dòng FX-3U:
- Ưu điểm của PLC Mitsubishi:
PLC Mitsubishi là một trong các dòng PLC đang được dùng phổ biến nhất trên thế giới và Việt Nam, được sản xuất bởi tập đoàn Mitsubishi Electric (Nhật Bản)
Mitsubishi Electric là một nhà sản xuất tự động hóa công nghiệp (FA) toàn diện trên tất cả lĩnh vực sản xuất từ bộ điều khiển đến thiết bị điều khiển truyền động, thiết bị điều khiển phân phối điện và cơ điện tử công nghiệp Cùng với việc phát triển sản phẩm phù hợp với nhu cầu của khách hàng, Mitsubishi Electric sử dụng kỹ thuật tiên tiến để cung cấp các giải pháp FA đáng tin cậy với một tầm nhìn hướng đến những thế hệ mới trong sản xuất
PLC Mitsubishi có ưu điểm lớn về giá thành, chất lượng sản phẩm và khả năng đáp ứng đa dạng các cấu hình yêu cầu các tính năng như: Giao tiếp truyền thông, ngõ vào ra tương tự, bộ đếm ngõ vào tốc độ cao, ngõ ra phát xung tốc độ cao, các module đọc nhiệt độ, loadcell …vv Ở Việt Nam, PLC Mitsubishi được dùng nhiều trong ngành Dệt sợi, Bao bì giấy, Carton, Nilon, Nhựa, Thực phẩm, Cơ khí chính xác, Chế tạo máy …vv
- Một số dòng PLC của Mitsubishi:
• PLC Mitsubishi QS/WS Series
• PLC Mitsubishi Alpha Series - Lựa chọn PLC dòng FX-3U
25 PLC Mitsubishi dòng F/FX được ra đời từ năm 1981, là một loại PLC micro của hãng Mitsubishi nhưng có nhiều tính năng mạnh mẽ Loại PLC này được tích hợp sẵn các I/O trên CPU Tùy theo model mà các loại này có dung lượng và bộ nhớ khác nhau Dung lượng bộ nhớ có thể từ 2kStep đến 8kStep (hoặc 64kStep nếu gắn thêm bộ nhớ ngoài) Tổng số I/O có thể lên đến 256 I/O Riêng với FX3U có thể lên đến 384 I/O Số module mở rộng có thể lên đến 8 module
• Các CPU PLC Mitsubishi dòng FX tích hợp nhiều chức năng trên CPU (Main Unit) như ngõ ra xung hai tọa độ, bộ đếm tốc độ cao (HSC), PID, đồng hồ thời gian thực…
• Module mở rộng nhiều chủng loại như Analog, nhiệt độ, điều khiển vị trí, các module mạng như Cclink, Profibus…
• Có các board mở rộng (Extension Board) như Analog, các board dùng cho truyền thông chuẩn RS232, RS422, RS485, và USB
• Phần mềm lập trình PLC FX series : FXGP_WIN_E, GX_Developer
• Ngôn ngữ lập trình: Ladder, Instruction, SFC
Các dòng PLC Mitsubishi F/FX Series (MELSEC-F Series) được biết đến như:
FX0N, FX0S, FX1N, FX1S, FX2N, FX3U‚ FX3UC‚ FX3GE‚ FX3G‚ FX3GC‚
FX3S, FX3SA, FX3GA
Dòng sản phẩm mới PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FX-PLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric
• Sản phẩm được thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng mới đặc biệt là hệ thống “adapter bus” được bổ hữu ích cho việc mở rộng thêm những tính năng đặc biệt và khối truyền thông mạng Khả năng mở rộng tối đa có thể lên đến 10 khối trên hệ thống mới này
• Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065às trờn một lệnh đơn logic, cùng với 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho việc điều khiển vị trí Dòng PLC mới này còn cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet và cổng lập trình RS-422 mini
26 DIN Với tính năng mạng mở rộng làm cho PLC này nâng cao được khả năng kết nối tối đa lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/O qua mạng
▪ Điện áp nguồn cung cấp: 24VDC hoặc 100/240VAC
▪ Bộ nhớ chương trình: 64000 bước
▪ Kết nối truyền thông: hỗ trợ kết nối RS232, RS485, USB, Ethernet, profibus, CAN, CC-Link
▪ Bộ đếm tốc độ cao: max 100kHz, lên tới 200kHz với module chức năng
▪ Loại ngõ ra: relay, transistor
▪ Phát xung tốc độ cao: max 100kHz, lên tới 200kHz hoặc 1Mhz với module chức năng
▪ Có thể mở rộng lên tới 256 I/Os thông qua module hoặc 384 I/O thông qua mạng CC-Link
- PLC FX-3U của Mitsubishi chỉ điều khiển được tối đa 3 trục, nên có 2 phương án giải quyết:
+ Dùng 1 PLC và 2-3 module mở rộng
+ Dùng 2 PLC kết nối thông qua module truyền thông
(Phương án sử dụng: 1 PLC FX-3U 32MT và 1 PLC FX-3U 64MT Module truyền thông 485 dùng kết nối 2 PLC
Chương trình truyền thông 2 PLC trên GX Works 2) - Ngoài ra, bộ điều khiển còn bao gồm: laptop (hiển thị giao diện điều khiển), các bộ nguồn cho PLC , Driver, động cơ,…
- Driver cho mỗi động cơ dùng loại của MicroStepdriver
Driver hay mạch điều khiển động cơ là mạch hỗ trợ lập trình điều khiển để thay đổi thông số động cơ (bước- step hoặc servo) cụ thể là thay đổi điện áp/ dòng điện vào các cổng, từ đó thay đổi số xung- góc quay nhỏ nhất làm việc của động cơ
Trong bài này, nhóm sử dụng mạch điều khiển động cơ bước TB6600 4.0A 9~42VDC
Bảng thông số của Driver:
Bảng 6 Bảng thông số Driver TB6600
Thông số Giá trị Điện áp đầu vào 9~42V
Ngoài ra, Driver có ngõ vào cách ly quang, tốc độ cao và tích hợp đo quá dòng, quá áp
Cài đặt và ghép nối Driver: trên Driver có 6 công tắc dùng để thay đổi thông số dòng điện và số xung
Bảng 7 Bảng cài đặt dòng điện trên Driver
I(A) PK Current Switch 4 Switch 5 Switch 6
Cài đặt số xung/ vòng:
Bảng 8 Bảng cài đặt số xung/ vòng trên Driver
Micro Pulse/Rev Switch 1 Switch 2 Switch 3
NC NC ON ON ON
Nguồn cấp điện cho Driver:
Driver có điện áp đầu vào là 9~42V nên nhóm đã chọn nguồn tổ ong có ngõ ra là 24V
• Điện áp đầu vào: AC110V / 220V
• Chất liệu vỏ: vỏ kim loại / vỏ nhôm Ưu điểm:
• Giá thành rẻ, gọn, nhẹ, dễ tích hợp cho thiết bị nhỏ gọn, hiệu suất cao
• Tuổi thọ thường không cao, khó sửa chữa khi xảy ra sự cố
Nút dừng khẩn cấp hay còn gọi là nút nhấn khẩn Emergency Stop Button Nút
Stop là loại nút nhấn được sử dụng dừng máy trong các trường hợp dừng khẩn cấp
Trong trường hợp khẩn cấp người dùng có thể tác động dễ dàng bằng thao tác nhấn hoặc đập tay vào nút Khi muốn trở lại ban đầu thì chỉ cần xoay nút theo chiều mũi tên
Một số thông số cơ bản của nút nhấn:
- Điện áp tối đa: 600V - Dòng điện tối đa: 10A - Đường kính ren gắn tủ: 22mm - Tiếp điểm: 1NO + 1NC
- Nhiệt độ hoạt động: -25~70 độ C - Chất liệu: Nhựa, kim loại
Hình 3.5 Nút dừng EMERGENCY STOP
Bố cục các thành phần trong tủ điện
Tủ điện của bộ điều khiển bao gồm các thành phần như bảng dưới:
Bảng 9 Các thành phần tủ điện
Tên thành phần Số lượng
PLC FX3U của Mitsubishi 2 ( 32MT+64MT )
Sau khi đo đạc các thành phần, nhóm đã bố cục và thiết kế tủ điện tối ưu nhất trên phần mềm Solidworks, kết quả như dưới đây:
Hình 3.6 Thiết kế bên ngoài tủ điện
Hình 3.7 Thiết kế bên trong tủ điện
Sơ đồ nối mạch
Hình 3.8 Sơ đồ nối mạch
Lắp đặt thực tế và đi dây
Các thiết bị được bố trí trong tủ điện như sau:
Hình 3.9 Lắp đặt thực tế
Hình ảnh cách đi dây các thiết bị trong tủ điện:
Hình 3.10 Đi dây các thiết bị trong tủ điện
THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN
Phương pháp điều khiển
Một số lượng các phần tử được kết nối với nhau để tạo thành một hệ thống tạo ra đầu ra mong muốn được gọi là hệ thống điều khiển Đầu ra của bất kỳ hệ thống nào đều được kiểm soát bởi hệ thống điều khiển
Bởi vì mỗi phần tử trong hệ thống này đều có ảnh hưởng đến đầu ra Đôi khi, hệ thống điều khiển sử dụng một vòng phản hồi để có được sự ổn định và nhất quán của hệ thống để tạo ra đầu ra mong muốn
Hình 4.1 Điều khiển hồi tiếp Ở đây, vòng hồi tiếp là một phần tử của tín hiệu đầu ra Chúng rất cần thiết trong bất kỳ hệ thống điều khiển nào để có được sự ổn định đầu ra Hệ thống điều khiển được phân thành hai loại dựa trên kết nối phản hồi là:
• Hệ thống điều khiển vòng kín
Hệ thống điều khiển vòng kín có thể được định nghĩa là hệ thống có vòng phản hồi (hoặc) hệ thống điều khiển sử dụng tín hiệu phản hồi để tạo ra đầu ra Sự ổn định của hệ thống này có thể được kiểm soát bởi một hệ thống phản hồi
• Hệ thống điều khiển vòng hở
Hệ thống điều khiển vòng hở được định nghĩa là hệ thống không có vòng phản hồi,là một dạng của bộ điều khiển dùng để tính toán đầu vào của nó vào 1 hệ thống chỉ sử dụng dòng trạng thái và mô hình của nó cho hệ thống
Một đặc tính của bộ điều khiển vòng hở là nó không sử dụng hồi tiếp để xác định liệu đầu ra của nó có đạt được mục đích mong muốn của đầu vào hay không Điều này có nghĩa là hệ thống này không giám sát đầu ra của quá trình mà nó điều khiển Do đó, một hệ thống vòng hở thực sử không thể được sử dụng trong máy học và cũng không thể hiệu chỉnh bất kỳ sai số có thể mắc phải nào
Nó cũng không thể bù nhiễu trong hệ thống
Do điều kiện trong bài này, Robot không có các thiết bị đo lường có phản hồi ( Encoder động cơ, cảm biến về gốc, ) nên nhóm sử dụng phương pháp điều khiển- hệ thống điều khiển vòng hở Điều khiển vòng hở được sử dụng cho các hệ thống được xác định rõ ràng, nơi mà mối quan hệ giữa đầu vào và trạng thái kết quả có thể được mô tả bởi một công thức toán học Như trong bài này, công thức này tương đương với phương trình động học thuận ngược đã được tính toán ở phần trên
Hình 4.2 Sơ đồ điều khiển trong bài
Ý tưởng đề xuất
Robot dùng PLC Mitsubishi dòng FX-3U thông qua phần mềm GX Works2 để lập trình, sử dụng C# trên Visual Studio để thiết kế giao diện và tính toán động học, thông qua phần mềm trung gian là MX Component để kết nối giữa 2 phần mềm
Việc điều khiển Robot trong bài này chủ yếu thông qua việc tính toán động học thuận ngược trên giao diện C#, cụ thể theo sơ đồ khối dưới đây
Hình 4.3 Sơ đồ khối điều khiển chung
Sử dụng MX Component kết nối
MX Component là một phần mềm trung gian do Mitsubishi Electric phát triển giúp đồng bộ hóa, liên kết dữ liệu giữa các phầm mềm lập trình PLC của Mitsubishi với các phần mềm lập trình khác, giúp mô phỏng hoạt động của PLC,…
Sau khi cài đặt, phần mềm sẽ được lưu trong thư mục MELSOFT dưới tên Communication Settings Utility
Hình 4.4 Biểu tượng của MX Component
Sau khi khởi động, phần mềm hiện ra kết nối như sau:
Hình 4.5 Giao diện sau khi khởi động
ComboBox Logical station hiển thị cổng kết nối chọn (trong những cổng đã tạo)
Danh sách các cổng kết nối đã chọn hiển thị trong List view:
Hình 4.6 Các cổng kết nối trong List view
Có thể thử kết nối với những cổng đã chọn ở phần Communication test để xem xét có gặp lỗi gì không, sau khi kết nối thành công sẽ hiện như sau:
Hình 4.7 Giao diện kết nối thành công Để tạo các cổng kết nối như đã nói ở trên, sử dụng Wizard ở cạnh ComboBox Logical station theo các bước như sau:
Click vào nút , màn hình hiển thị như sau:
Hình 4.8 Màn hình chọn số cổng
Chọn thứ tự của cổng (sẽ hiển thị theo thứ tự ở List view)
Sau khi Next, màn hình hiển thị các lựa chọn kiểu kết nối và cổng kết nối của máy tính:
Hình 4.9 Chọn cổng kết nối
Loại kết nối bao gồm như sau: Cổng kết nối trên máy tính:
37 Ngoài ra còn Time out là thông số tốc độ truyền mặc định là 10000ms
Bước tiếp theo là cài đặt thông số PLC cho cổng:
Trung tâm điều khiển, do nhóm sử dụng máy tính nên chọn CPU module:
38 Bước cuối là chọn mạng và đặt tên cho cổng:
Sau khi tạo, thông tin về Cổng vừa tạo sẽ hiển thị chi tiết ở List view.
Chương trình PLC viết trên GX Works2
GX Works2 là phần mềm nâng cấp và thay thế cho phần mềm GX Developer, lập trình cho các dòng PLC FX, Q, L, A, S, CNC GX Work2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho GX Developer với giao diện trực quan đẹp hơn hơn, thao tác mượt mà và có hỗ trợ thêm các ngôn ngữ lập trình khác như là FBD (Function Block Diagram), SFC (Sequential Function Chart) Phần mềm này khá nặng, nếu máy tính lập trình cấu hình thấp thì có thể sử dụng GX Developer
Nếu lập trình cho FX5U thì phải cài thêm cài thêm phần mềm GX Works3
39 Giao diện khi tạo mới chương trình:
Hình 4.13 Tuỳ chọn dòng PLC
Hình 4.14 Tuỳ chọn loại PLC
Hình 4.15 Giao diện phần mềm GX Works2
4.4.2 Tín hiệu điều khiển xung Động cơ bước có thể quay theo hai hướng, có nghĩa là bộ điều khiển cần cung cấp hai tín hiệu điều khiển cho driver Có hai chế độ để xuất tín hiệu đó là chế độ 1P (Bước/Hướng) và chế độ 2P (CW/CCW) Ở chế độ 1P, một tín hiệu điều khiển là tín hiệu xung hoặc tín hiệu bước
Các tín hiệu khác ở dạng định hướng, tức điều khiển quay theo một chiều nào đó
Nếu tín hiệu đầu vào định hướng được bật (ON) và tín hiệu xung xuất hiện ở đầu, động cơ sẽ quay theo chiều kim đồng hồ Ngược lại, nếu tín hiệu định hướng tắt (OFF) và có tín hiệu xung đầu vào, động cơ sẽ quay theo hướng khác hoặc ngược chiều kim đồng hồ Dãy tín hiệu xung luôn ở cùng một dạng cho dù hướng quay nào được quyết định
Trong chế độ 2P, cả hai tín hiệu là một chuỗi xung Chỉ có một đầu vào tại một thời điểm sẽ có tần số, vì vậy nếu có mạch xung CW, động cơ sẽ quay CW Nếu có mạch xung CCW, động cơ quay CCWs Đầu vào nào nhận được chuỗi xung phụ thuộc vào hướng mong muốn
4.4.3 Lệnh phát xung trên PLC Mitsubishi FX3U
PLC FX3U hỗ trợ phát xung 3 trục, phát xung tốc độ cao: max 100kHz, nếu dùng module chức năng có thể hoạt động 4 trục với tốc độ 200kHz
Phát xung tương đối (DRVI): Phát xung kèm thêm phát lệnh đảo chiều theo giá trị +/- của xung Lệnh này cũng cho phép cài đặt chỉ số hiệu chỉnh sườn dốc khi bắt đầu và chuẩn bị kết thúc lệnh Mỗi lần phát xung, số xung được tính tương đối theo lệnh
Hình 4.18 Lệnh phát xung tương đối
Phát xung tuyệt đối (DRVA): nhưng vị trí ban đầu được xác định tuyệt đối Số xung sẽ lưu lại trong thanh ghi và xác định tuyệt đối so với điểm ban đầu
Hình 4.19 Lệnh phát xung tuyệt đối Đối với điều khiển vị trí trên PLC FX3U có một số bit, thanh ghi đặc biệt được xây dựng để xác định các thông số kiểm soát và tạo điều kiện cho hệ thống đặc hoạt động
Bảng 11 Chức năng các thanh ghi
D8340 Lưu giá trị xung chân Y0
D8350 Lưu giá trị xung chân Y1
D8360 Lưu giá trị xung chân Y2
D8348 Thời gian tăng tốc chân Y0
D8349 Thời gian giảm tốc chân Y0
D8343 Tốc độ tối đa cho chân Y0
M8029 ON lên khi kết thúc chu trình
Giao diện thiết kế trên C#
Sau khi tải và cài đặt MX Component, các thư viện để liên kết với PLC Mitsubishi sẽ được tự động thêm vào trong Visual, khi tạo mới Form bằng C#, ta phải thêm thư viện ActUtitype vào trước khi viết chương trình bao gồm :
+ Phương trình động học thuận, ngược
+ Truyền nhận giữa PLC và máy tính
4.5.1 Phần mềm Visual Studio và C#
Visual studio là một phần mềm hỗ trợ đắc lực hỗ trợ công việc lập trình website Công cụ này được tạo lên và thuộc quyền sở hữu của ông lớn công nghệ Microsoft Năm 1997, phần mềm lập trình nay có tên mã Project Boston Nhưng sau đó, Microsoft đã kết hợp các công cụ phát triển, đóng gói thành sản phẩm duy nhất
Visual Studio là hệ thống tập hợp tất cả những gì liên quan tới phát triển ứng dụng, bao gồm trình chỉnh sửa mã, trình thiết kế, gỡ lỗi Tức là, bạn có thể viết code, sửa lỗi, chỉnh sửa thiết kế ứng dụng dễ dàng chỉ với 1 phần mềm Visual Studio mà thôi Không dừng lại ở đó, người dùng còn có thể thiết kế giao diện, trải nghiệm trong Visual Studio như khi phát triển ứng dụng Xamarin, UWP bằng XAML hay Blend vậy
- Ưu điểm của Visual Studio:
+ Đa nền tảng: Dùng được trên các hệ điều hành Windows, Linux và Mac Systems
+ Đa ngôn ngữ lập trình: Không chỉ hỗ trợ đa nền tảng, Visual Studio cũng cho phép sử dụng nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau từ C#, F#, C/C++, HTML, CSS, Visual Basic, JavaScript,…
+ Kho tiện ích mở rộng phong phú + Lưu trữ phân cấp
+ Kho lưu trữ an toàn + Màn hình đa nhiệm, hỗ trợ viết code, hỗ trợ thiết bị đầu cuối, hỗ trợ Grit,…
- C# (hay C sharp) là một ngôn ngữ lập trình đơn giản, được phát triển bởi đội ngũ kỹ sư của Microsoft vào năm 2000 C# là ngôn ngữ lập trình hiện đại, hướng đối tượng và được xây dựng trên nền tảng của hai ngôn ngữ mạnh nhất là C++ và Java
- C# với sự hỗ trợ mạnh mẽ của NET Framework giúp cho việc tạo một ứng dụng
Windows Forms hay WPF (Windows Presentation Foundation), phát triển game, ứng dụng Web, ứng dụng Mobile trở nên rất dễ dàng
4.5.2 Giao diện điều khiển robot trên C#
4.5.2.1 Giới thiệu cơ bản về giao diện C# trên phần mềm Visual Studio
Trong lập trình phần mềm, TextBox là một thành phần giao diện người dùng (GUI) được sử dụng để cho phép người dùng nhập dữ liệu văn bản vào ứng
43 dụng của bạn TextBox cho phép người dùng nhập dữ liệu bằng cách sử dụng bàn phím hoặc sao chép và dán từ clipboard
Trong C#, TextBox là một lớp được định nghĩa trong thư viện lập trình Windows Forms (WinForms) và Windows Presentation Foundation (WPF) Bạn có thể tạo một TextBox bằng cách sử dụng một đối tượng TextBox, sau đó đặt văn bản nhập vào hoặc lấy văn bản được nhập bằng cách sử dụng thuộc tính Text của nó
Các thành phần cơ bản được sử dụng: Button, TextBox, Label,… a Button Control
Nó là một thành phần giao diện người dùng (GUI) được sử dụng để kích hoạt một hành động hoặc chức năng trong ứng dụng của bạn khi người dùng nhấn vào nút đó Bạn có thể tạo nút bấm bằng cách sử dụng lớp Button trong thư viện lập trình Windows Forms (WinForms) hoặc Windows Presentation Foundation (WPF) của C#
Một số thuộc tính cơ bản:
“Name”: Thay đổi tên nút bấm để phân biệt các sự kiện khác nhau thuận tiện cho người lập trình
“Text”: Thay đổi tên nút bấm hiển thị trên giao diện cho người sử dụng “BackColor”: Thay đổi màu sắc nút bấm
“Font”: Thay đổi cỡ chữ, phông chữ hiển thị trên nút bấm + Để lập trình, khi click đúp vào button sẽ xuất hiện cửa sổ giao diện code: b Label
Trong lập trình phần mềm, Label là một thành phần giao diện người dùng (GUI) được sử dụng để hiển thị một văn bản tĩnh hoặc động cho người dùng Label thường được sử dụng để hiển thị tiêu đề, thông tin, nhãn và giải thích trong một ứng dụng
Trong C#, Label là một lớp được định nghĩa trong thư viện lập trình Windows Forms (WinForms) và Windows Presentation Foundation (WPF) Bạn có thể tạo một Label bằng cách sử dụng một đối tượng Label, sau đó đặt văn bản cần hiển thị trong thuộc tính Text của nó
+ Một số thuộc tính cơ bản: Tương tự như Button, Label cũng có những thuộc tính như: “Name”, “Text”, “Font”, BackColor” để thuận tiện cho việc sử dụng c TextBox Trong lập trình phần mềm, TextBox là một thành phần giao diện người dùng (GUI) được sử dụng để cho phép người dùng nhập dữ liệu văn bản vào ứng dụng
44 của bạn TextBox cho phép người dùng nhập dữ liệu bằng cách sử dụng bàn phím hoặc sao chép và dán từ clipboard
Trong C#, TextBox là một lớp được định nghĩa trong thư viện lập trình Windows Forms (WinForms) và Windows Presentation Foundation (WPF) Bạn có thể tạo một TextBox bằng cách sử dụng một đối tượng TextBox, sau đó đặt văn bản nhập vào hoặc lấy văn bản được nhập bằng cách sử dụng thuộc tính Text của nó
Cũng giống như Button hay Label, TextBox có rất nhiều thuộc tính cơ bản giúp việc thiết kế giao diện thuận tiện hơn Mỗi một thành phần của giao diện đều có một bảng các thuộc tính cơ bản (properties) giúp người lập trình thao tác
Hình 4.20 Cửa sổ thuộc tính d Lệnh truyền nhận dữ liệu giữa PLC và giao diện C#
Lệnh ghi giá trị từ giao diện xuống PLC: plc.SetDevice(“X”, x) Trong đó “X” là thanh ghi cần ghi xuống, “x” là giá trị ghi xuống từ giao diện
Lệnh đọc giá trị từ PLC lên giao diện: plc.GetDevice(“X”, out x) Trong đó “X” là thanh ghi cần đọc, “x” là giá trị đọc lên từ thanh ghi
4.5.2.2 Giao diện điều khiển robot
Hình 4.21 Giao diện C# điều khiển robot a Add thư viện ActUtlTypeLib để kết nối giao diện với PLC thông qua MX Component
Hình 4.22 Kết nối C# với PLC bằng MX Component
Khởi tạo biến “plc” mới để sử dụng cho toàn chương trình a Kết nối giao diện với PLC
Hình 4.23 Trạng thái kết nối
Hình 4.24 Code hiển thị trạng thái kết nối
Khai báo hình thức giao tiếp giữa giao diện và plc với khai báo bằng 3 qua MX component
Khi click vào button “Connect”, kết nối giữa PLC và C#, button “Connect” sẽ chuyển thành “Disconnect”, label hiển thị “Connected” màu xanh, chương trình kết nối thành công
Sau khi kết nối thành công, chương trình khởi tạo các thông số ban đầu
Sau khi kết nối thành công, nếu muốn ngắt kết nối, ta click lại vào button
“Disconnect”, button sẽ chuyển lại thành “Connect”, label hiển thị “Disconnected” màu đỏ b Hiển thị hướng khâu cuối của robot
Hình 4.25 Hiển thị thông số góc khâu cuối
Hình 4.26 Code hiển thị thông số góc khâu cuối
Dựa vào bài toán động học thuận, ta đưa ra được công thức tính toán được thông số các góc roll, pitch, yaw của khâu cuối robot và hiển thị lên TextBox sau khi click vào button “Direction set” c Hiện thị các góc quay của động cơ, tăng giảm góc và hiển thị trên giao diện
Hình 4.27 Hiển thị, tăng giảm các góc
Hình 4.28 Code hiển thị nút tăng góc q1
Sau khi click vào button “+” cạnh “q1”, chương trình tự động tăng góc q1 lên 1 góc pi/4 và hiển thị lên TextBox bên phải
Tương tự với các nút bấm còn lại d Hiển thị toạ độ descartes, tăng giảm toạ độ khâu cuối robot
Hình 4.29 Hiển thị, tăng giảm toạ độ khâu cuối
Hình 4.30 Code hiển thị toạ độ khâu cuối
Giải bài toán động học thuận đưa ra công thức tính tọa độ đề-các khâu cuối
Sau khi click button “WRITE”, hiển thị tọa độ khâu cuối lên TextBox
Hình 4.31 Code giảm toạ độ x khâu cuối
Sau khi click vào button “-“ cạnh “x”, giảm tọa độ x đi 10 mm và hiển thị lên TextBox bên cạnh
Tương tự với các nút còn lại
49 e Tính toán và hiển thị 6 góc động cơ
Hình 4.32 Tính động học ngược robot và hiển thị các góc
Hình 4.33 Code tính toán động học ngược và hiển thị các góc
50 Giải bài toán động học ngược đưa ra công thức tính toán 6 góc của 6 động cơ từ tọa độ khâu cuối cho trước
Sau khi click vào button “Inverse kinematics”, hiển thị lên TextBox của 6 góc q1, q2, q3, q4, q5 ,q6 tương ứng với tọa độ x, y, z đã nhập trên giao diện g Lưu điểm chạy theo điểm và chạy theo đường thẳng của robot và hiển thị trên bảng
Hình 4.34 Code lưu điểm và hiển thị trên bảng
Đấu nối giữa các Driver và động cơ tại các khớp
Sơ đồ mạch điện đấu nối giữa các Driver và động cơ:
Hình 4.44 Đấu nối giữa Driver và động cơ
Tải lên chương trình và chạy thử
Hình 4.45 Chọn cổng COM kết nối
Hình 4.47 Giám sát chương trình
Hình 4.48 Kết nối tủ điện với robot
ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Kết quả và đánh giá sai số
Bảng 12 Bảng kết quả và đánh giá sai số
Sai số điểm A(mm) Điểm B(x;y;z)(mm)
- Bảng trên là kết quả khi thực hiện dạy điểm và cho Robot qua lại giữa 2 điểm đã dạy 10 lần
- Chia trung bình tọa độ của điểm tác động cuối Robot rồi lấy giá trị tuyệt đối của trung bình đó với tọa độ mỗi lần, ta được sai số trung bình của các lần đo lớn nhất là 4,53mm trong khi theo thông tin Robot AR3 được AnninRobotics cung cấp, sai số lặp là 0,2mm
- Nguyên nhân sai số bao gồm:
+ Phần kết cấu cơ khí của Robot: Gia công chưa chính xác, sai sót khi lắp ráp, vòng bi và các bộ truyền còn độ hở,
+ Phần giao diện điều khiển: Phương pháp điều khiển là vòng hở, chưa có phản hồi nên sai số còn lớn.
Hiệu chỉnh
- Hiệu chỉnh vòng bi tại các khớp
- Hiệu chỉnh độ siết bu-lông đai ốc
5.2.2 Hiệu chỉnh Bộ điều khiển
- Nối dây động cơ và Driver
- Nối dây Driver với PLC, cài đặt lại số xung, dòng điện đầu ra
KẾT LUẬN VÀ ĐỊNH HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Robot sử dụng điều khiển vòng hở nên chưa có phản hồi từ cảm biến để xác định sai lệch trong từng góc khớp, thiếu bộ điều chỉnh dạng PID, PD, … vì vậy gây ra sai số khá lớn
Robot dễ thao tác và điều khiển, ứng dụng cho việc nghiên cứu, gắp thả vật thể kích thước, khối lượng nhỏ không yêu cầu độ chính xác cao
1.2 Định hướng phát triển của đồ án
Bộ điều khiển cần có thêm các cảm biến ở ngoài và encoder ở động cơ các khớp để hạn chế sai lệch và tăng độ chính xác khi thao tác
Bộ điều khiển mới chỉ phù hợp cho robot 6 trục như trên, cần cải tiến thêm để phù hợp với đa dạng các mẫu robot
PHỤ LỤC – CHƯƠNG TRÌNH PLC
Input Chú thích Output Chú thích
M1 Quay khâu 1+ Y0 Chân xung khâu 1
M2 Quay khâu 1- Y1 Chân xung khâu 2
M3 Quay khâu 2+ Y2 Chân xung khâu 3
M4 Quay khâu 2- Y4 Chân hướng khâu 1
M5 Quay khâu 3+ Y5 Chân hướng khâu 2
M6 Quay khâu 3- Y6 Chân hướng khâu 3
X0 Dừng khẩn cấp Y0(PLC2) Chân xung khâu 4
M15 Lệnh dạy điểm Y1(PLC2) Chân xung khâu 5
M16 Lệnh chạy auto Y2(PLC2) Chân xung khâu 6
