Phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển cho rô bốt công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q

Hiện nay ở nước ta, các ngành nghề đòi hỏi việc ứng dụng robot công nghiệp ngày càng nhiều nhằm nâng cao năng suất, chất lượng, hạ giá thành sản phẩm. Tuy nhiên, vấn đề thiết kế, chế tạo, đặc biệt là phần điều khiển quan trọng nhất Việt Nam còn chưa làm chủ được. Nhiều robot hỏng hệ thống điều khiển trong khi phần cơ khí vẫn hoạt động tốt dẫn đến lãng phí do không thể sử dụng được. Nhận thấy được nhu cầu thực tế này, nhóm em quyết định chọn đề tài “Phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển cho rô bốt công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q” nhằm phát triển hệ thống điều khiển và phần mềm điều khiển, phục hồi hoạt động của các robot. Đề tài ứng dụng PLC Mitsubishi Q, sử dụng modun QD75MH4, truyền thông SSCNET với động cơ servo, thiết kế mạch điện, thiết kế phần mềm điều khiển. Kết quả của đề tài có thể ứng dụng cho hoạt động của các robot công nghiệp trong thưc tế như: robot gắp thả, robot lắp ráp, robot phun keo tự động, cắt laze,…

TỔNG QUAN

Lý do lựa chọn đề tài

Từ những năm 90 của thế kỷ XX, ở Việt Nam đã bắt đầu công nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước Trải qua hơn 30 năm, Việt Nam đã đạt được nhiều thành tựu trong quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa, phản ánh cả trực tiếp và gián tiếp qua nhiều khía cạnh như đời sống, văn hóa và kinh tế Đến năm 2020, Việt Nam cơ bản trở thành một nước công nghiệp với tỷ trọng trong GDP của nông nghiệp chiếm 16-17%, công nghiệp khoảng 40-41%, dịch vụ chiếm 42-43%, tỷ trọng lao động trong tổng lao động xã hội, lao động công nghiệp và dịch vụ là 50%, nông nghiệp là 50% Việc gia tăng số lượng lao động trong lĩnh vực công nghiệp cần đi đôi với cả việc gia tăng chất lượng và trình độ lao động có chuyên môn để đảm bảo sự phát triển bền vững của quá trình công nghiệp hóa – hiện đại hóa

Tuy nhiên, số lượng lao động trình độ cao liên quan đến công nghệ - kỹ thuật cao ở Việt Nam còn khá hạn chế khi so về tổng thể lực lượng lao động đang tham gia vào phát triển và sản xuất kinh tế Nhiều trường đại học và cao đẳng ở Việt Nam đã, đang chú tâm đầu tư, xây dựng và phát triển nguồn nhân lực, kỹ sư chất lượng cao nhưng vẫn chưa đạt được nhiều đột phá và thành quả đáng kể Mặc dù nền tảng kiến thức của sinh viên và học viên đã được trang bị đầy đủ, nhưng do hạn chế về cơ sở, thiết bị thực hành công nghệ cao, hầu hết các cá nhân vẫn chưa thể áp dụng kiến thức vào thực tế cũng như thể hiện năng lực bản thân Nhằm thử sức và áp dụng các kiến thức được tiếp cận vào thực tế, cũng như xây dựng một dự án khác biệt, không đi theo các đề tài có sẵn đã quá quen thuộc, nhóm quyết định chọn đề tài “Phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển cho rô bốt công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q” Đây không chỉ là một hướng đi mới mà còn là một đề tài gần với yêu cầu thực tiễn sản xuất, đem lại cho nhóm em nhiều kinh nghiệm và kiến thức cho các dự án trong tương lai.

Ý tưởng thiết kế

1.2.1 Ví dụ về một số loại robot công nghiệp

Thế giới robot hiện nay vô cùng phong phú và đa dạng Chính vì vậy, con người tiến hành phân loại robot để dễ dàng xếp loại và phân tích chúng Việc phân loại robot giúp con người chọn được các loại robot phù hợp với nhu cầu trong quá trình thiết kế cũng như chọn lựa sử dụng Có nhiều cách để phân loại robot, nhưng phổ biến nhất là phân loại theo 3 cách: Kết cấu, phạm vi ứng dụng, điều khiển a) SCARA robot

Thuật ngữ Scara được đề xuất lần đầu tiên vào năm 1979 tại Nhật Bản, trong các hoạt động nghiên cứu lắp ráp tại trường đại học Yamanashi Nó là tên viết tắt của Selective Compliance Assembly Robot Arm

Hình mẫu nguyên thủy của SCARA là một kiểu tay máy có cấu tạo rất đặc biệt Nó bao gồm 2 khớp quay, 1 khớp tịnh tiến 3 khớp đều có trục song song với nhau Các cấu trúc của SCARA là cấu trúc nối tiếp, nghĩa là động cơ đầu tiên phải mang theo tất cả những động cơ khác sau đó Nếu SCARA được thiết kế theo đôi cánh tay thì 2 động cơ đầu tiên sẽ được cố định ở đấy và có chức năng kéo theo, điều khiển các động cơ còn lại Ưu điểm của SCARA robot

Với thiết kế và kết cấu đơn giản, mô phỏng chính xác hoạt động của cánh tay con người, robot SCARA có nhiều ưu điểm vượt trội so với các loại robot khác như:

• Tốc độ làm việc cao

• Kết cấu nhỏ, phù hợp cho các ứng dụng trong phạm vi nhỏ, hẹp Ứng dụng của SCARA robot

SCARA robot là một trong những loại robot công nghiệp mang tính ứng dụng cao nhất hiện nay Chuyển động tay máy của SCARA giúp nó có khả năng gắp đặt vật liệu tốt Vì vậy, nó được ứng dụng nhiều nhất trong những dây chuyền sản xuất có công đoạn công việc này Hơn nữa, nó cũng được sử dụng cho các công việc liên quan đến hàn xì ở các xưởng cơ khí chế tạo

Với độ linh hoạt cao và khả năng làm việc liên tục, SCARA robot được quan tâm và kỳ vọng sẽ giải phóng sức lao động và bảo vệ sức khỏe của con người khỏi các công việc nặng nhọc và độc hại như hàn, xử lý chất thải, các công việc liên quan đến phóng xạ,… b) Robot 6 bậc tự do

Robot 6 bậc tự do (phổ biến là loại robot 6 trục quay) có thể thực hiện công

Hình 1.1 – SCARA robot được lập trình Robot được lập trình sẵn theo một trình tự nhất định và sử dụng mục đích phục vụ công việc lắp ráp, sản xuất hoặc chế biến sản phẩm Robot hỗ trợ rất nhiều cho con người Đặc biệt là trong những môi trường khắc nghiệt, độc hại và nguy hiểm Loại robot này có tính chính xác cao và hiệu quả vượt trội so với sản xuất thủ công Ưu điểm của robot 6 bậc tự do

Giống bao loại robot khác, ưu điểm đầu tiên và lớn nhất của loại robot này là tăng năng suất lao động Khả năng làm việc liên tục cho phép robot có thể hoạt động không ngừng nghỉ trong thời gian dài, giúp nâng cao hiệu suất công việc

Tuy có kích thước tương đối to, nhưng với tính linh hoạt cao trong công việc và chuyển động, một cánh tay robot có thể thực hiện nhiều công việc khác nhau Do đó chỉ cần một số ít robot được lắp đặt ở các vị trí thích hợp cũng có thể đảm nhiệm tác vụ của đội ngũ, từ đó tiết kiệm được không gian bố trí trong nhà máy Ngoài ra, nhờ giảm số lượng công nhân mà chi phí sản xuất cũng sẽ được giảm thiểu theo trong khi sản lượng lại tăng

Với cấu hình đến 6 bậc tự do robot có thể thực hiện các chuyển động phức tạp với nhiều góc và hướng khác nhau, cho phép thực hiện những nhiệm vụ có độ khó cao Việc sử dụng robot cũng cho phép giảm thiểu sai số chủ quan do con người khi chúng đã được lập trình và tính toán kỹ lưỡng, cũng như có các phương pháp bù lỗi chuyên nghiệp Ứng dụng

Robot 6 trục hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực và công nghiệp như:

• Hàn gia công cơ khí

• Gắp và sắp xếp sản phẩm

• Robot cắt bằng tia nước

Hình 1.2 – Robot 6 trục quay trong việc hàn khung ô tô

• Robot đánh bóng c) Robot tuyến tính

Robot tuyến tính là một loại robot kết hợp từ nhiều khâu tịnh tiến Chủng robot này có nhiều loại từ đơn giản như robot khung giàn (loại robot chuỗi hở) và loại robot nâng hạ

Mỗi loại robot đều có những ưu nhược điểm riêng cũng như tính phổ biến của chúng cũng khác nhau Trong đó, đơn giản, hiệu quả và phổ biến nhất là loại robot khung giàn Loại robot này có kết cấu vô cùng đơn giản, trong đó gồm 3 (hoặc nhiều hơn) khâu tịnh tiến liên kết với nhau theo kiểu chuỗi hở Điều này có nghĩa số bậc tự do của robot bằng số khâu của chính nó

Robot khung giàn có cách điều khiển đơn giản, độ cứng vững phụ thuộc vào vật liệu chế tạo khâu, phù hợp với các tác vụ nhẹ, vừa và đơn giản Khả năng đánh giá sai số của robot tốt do tương đối ít khâu và các khâu đều tuân theo quy tắc trục tọa độ của Descartes nên mỗi khâu chỉ tác động đến sai số một chiều chuyển động

Cartesian Robot là loại robot sử dụng trục tuyến tính để chuyển động

Robot cartesian trông tương tự như một giàn cần cẩu và hoạt động tương tự như nó Nhưng điểm đặc biệt là robot cartesian không bị giới hạn ở các chức năng nâng và di chuyển Chúng đem đến các chức năng tùy chỉnh theo yêu cầu

Cánh tay robot được đặt trên khâu cuối và có thể di chuyển trong mặt phẳng nằm ngang Cánh tay robot có thể gắn thêm các bộ phận khác hoặc máy công cụ tại khâu tác động cuối tùy thuộc vào chức năng được sử dụng

Hình 1.3 – Robot khung giàn b) Ứng dụng của Robot Cartesian

Tính linh hoạt, chi phí thấp và dễ lập trình làm cho Cartesian Robot phù hợp với nhiều ứng dụng trong môi trường công nghiệp

Một số ứng dụng của robot Cartesian có thể kể đến như sau:

Sử dụng trong băng chuyền

HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Cơ cấu dẫn động và dẫn hướng

2.1.1 Cơ cấu dẫn động vít me – đai ốc

Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến Truyền động vít me – đai ốc có 2 loại là vít me – đai ốc trượt và vít me đai ốc bi a) Vít me – đai ốc trượt

1 Trục vít me: được tiện ren với 2 kiểu ren chính:

• Ren có dạng hình thang có ưu điểm: gia công đơn giản, có thể phay hoặc mài Nếu dùng với đai ốc hai nửa thì có thể đóng mở lên ren dễ dàng

• Ren có hình dạng vuông chỉ dùng ở những máy cắt ren chính xác Về mặt kết cấu nên chế tạo vít me với 2 cổ trục giống như nhau để sau một thời gian sử dụng, có thể lắp đảo ngược vít me lại nhằm làm cho bề mặt làm việc của vít me được mòn đều ở 2 bên

2 Ổ đỡ vít me: có tác dụng đảm bảo cho trục chuyển động với độ đảo hướng trục và độ hướng kính nhỏ

3 Đai ốc vít me: có 2 loại đai ốc chính là đai ốc liền và đai ốc hai nửa:

• Đai ốc liền: dùng trong cơ cấu vít me – đai ốc có chế độ làm việc ít, không yêu cầu độ chính xác cao, giữa các ren có thể có độ hở nhất định Ưu điểm của đai ốc liền là đơn giản, giá thành thấp, có thể tự hãm ỡ mức độ nhất định

• Đai ốc 2 nửa: sử dụng để đóng, tách đai ốc khỏi vít me khi tiện vít me trên máy tiên vạn năng

4 Ray trượt dẫn hướng: đảm bảo chuyển động thẳng cho các trục

Hình 2.1 – Trục vít me trượt

Cơ cấu vít me – đai ốc trượt có những đặc điểm:

– Độ chính xác truyền động cao

– Truyền động êm, bền bỉ

– Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn

– Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính b) Vít me – đai ốc bi

Giữa các rãnh của đai ốc và vít me, người ta đặt những viên bi, vì vậy biến ma sát trượt trở thành ma sát lăn của những viên bi chuyển động một cách liên tục

Nhờ máng nghiêng mà bi được dẫn từ rãnh cuối về rãnh đầu

Rãnh của vít me – đai ốc bi được chế tạo dạng cung nửa vòng tròn hoặc rãnh Để điều chỉnh khe hở vít me – đai ốc bi, đai ốc kép được sử dung Giữa các đai ốc, người ta đặt một vòng căng Khi xiết chặt vít, các rãnh của 2 đai ốc sẽ tì sát vào bề mặt bi, khử được khe hở giữa vít me và đai ốc đồng thời tạo được lực căng ban đầu

Cơ cấu vít me – đai ốc bi có các đặc điểm sau:

- Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90 – 95 %

- Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở những vận tốc nhỏ

Hình 2.2 – Trục vít me - đai ốc bi

- Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu

Vì những ưu điểm đó vít me - đai ốc bi thường được sử dụng cho những máy cần có truyền động thẳng chính xác như máy khoan, doa tọa độ, các máy điều khiển chương trình số

Bộ truyền đai là bộ truyền cơ khí được sử dụng từ rất sớm và hiện nay vẫn được sử dụng rông rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng,… a) Giới thiệu bộ truyền đai răng Đai răng, là một dạng biến thể của bộ truyền đai Dây đai có hình dạng gần giống như thanh răng, bánh đai có răng gần giống như bánh răng Bộ truyền đai răng làm việc theo nguyên tắc ăn khớp là chính, ma sát là phụ, lực căng trên đai khá nhỏ

Cấu tạo của đai răng bao gồm các sợi thép bện chịu tải, nền và răng bằng cao su hoặc chất dẻo Thông số cơ bản của đai răng là mô đun m, mô đun được tiêu chuẩn hóa, giá trị tiêu chuẩn của m: 1; 1,5; 2; 3; 4; 5; 7; 10 mm Dây đai răng được chế tạo thành vòng kín Giá trị tiêu chuẩn của chiều dài đai tương tự như đai hình thang b) Ưu điểm và nhược điểm

So với các bộ truyền khác bộ truyền đai có những ưu điểm như:

• Truyền động giữa các trục xa nhau

• Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai, do đó có thể truyền động với vận tốc cao

• Kết cấu và vận hành đơn giản

Bên cạnh những ưu điểm, bộ truyền đai răng cũng tồn tại những nhược điểm như:

• Hiệu suất bộ truyền tương đối thấp

Hình 2.3 – Bộ truyền đai răng

Hình 2.4 – Ray dẫn hướngHình 2.5 – Bộ truyền đai răng

• Kích thước bộ truyền lớn

• Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu

- Hiện nay trên thị trường có 2 loại thanh trượt phổ biến là thanh trượt vuông và thanh trượt tròn Cơ cấu dẫn hướng được sử dụng trong các trục của robot là thanh trượt vuông Ưu điểm nổi bật của dòng thanh trượt dẫn hướng vuông so với các loại thành trượt dẫn hướng khác là độ cứng cao, chịu tải lớn, hoạt động ổn định.

Mô hình Robot và thực tế

2.2.1 Mô hình 3D Robot trên SolidWork

• Trục X: kích thước 900x130x80 (chưa tính đế đỡ)

• Trục Y: Kích thước 700x80x85 (chưa tính chi tiết hỗ trợ)

• Trục Z : Kích thước 350x130x55 (chưa tính chi tiết hỗ trợ)

Tính toán động học, động lực học

2.3.1 Tính toán động học a) Động học thuận

Hình 2.11 – Hình ảnh Robot thực tế

Hình 2.12 – Hệ tọa độ cho robot

- Thiết lập hệ tọa độ cho robot:

Bảng 2.1 – Bảng động học robot

- Ma trận biến đổi thuần nhất giữa 2 khâu liên tiếp là:

Dựa vào ma trận trên, thay tương ứng các thông số trong bảng D-H ta được:

Ma trận biến đổi thuần nhất của các khâu so với khâu cố định là:

Toạ độ điểm tác động cuối là: {

Bài toán động học ngược có vai trò rất quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot bởi trong thực tế thường cần điều khiển robot sao cho tay kẹp di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật nào đó Yêu cầu của bài toán động học ngược là từ toạ độ, góc quay trong không gian thao tác tính toán được toạ độ khớp trong không gian khớp Có nhiều cách để giải bài toán động học ngược từ hình học đến giải tích Đầu vào của bài toán động học ngược là toạ độ của điểm tác động cuối E trong không gian thao tác: [ x E y E z E ]

Theo kết quả bài toán động học thuận, ta có:

Từ kết quả bài toán động học thuận ta có kết quả bài toán động học ngược như sau:

2.3.2 Tính toán động lực học

- Động lực học robot (Robot Dynamics) là nghiên cứu về mối quan hệ giữa lực hay moomen xoắn với chuyển động của robot

- Với phương pháp động lực học nghịch (Inverse Dynamics): cho thông số vị trí, vận tốc, gia tốc, tìm lực hoặc momen cần thiết cung cấp cho các khớp của robot để tạo ra chuyển động cho robot

- Phương pháp động lực học thuận (Forward Dynamics) cho trước các thông số về vị trí, vận tốc và lực (hay momen xoắn), từ đó tìm đươc gia tốc

- Có 2 phương pháp giải quyết bài toán động lực học là:

+ Phương pháp Lagrange – Euler: Dựa trên năng lượng động năng và thế năng

+ Phương pháp Newton – Euler: Dựa trên lực tác động tại từng khâu của robot Để tính toán động lực học robot, ta sẽ thiết lập phương trình vi phân chuyển động của robot Phương trình vi phân chuyển động của robot được xây dựng theo phương trình Lagrange II có dạng tổng quát như sau: d dt(∂T

• qi: Tọa độ suy rộng thứ i

• Qi kt: Lực suy rộng của các lực không thế ứng với tọa độ suy rộng qi Lực thế là các lực mà công của lực đó sinh ra không phụ thuộc vào hình dáng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối trong quá trình chuyển động của vật Ví dụ của lực thế là: trọng lực, lực đàn hồi,…

Trong tính toán thiết kế robot người ta thường sử dụng dạng ma trận của phương trình Lagrange loại II để thuận lợi trong việc sử dụng các công cụ toán học và tiến hành mô phỏng trên máy tính Phương trình vi phân chuyển động của robot có dạng:

• M(q): Là ma trận khối lượng

• G(q): Là ma trận trọng lượng

• Q = U: Là vector lực suy rộng của các lực không thế

Với U = [ τ 1 τ 2 τ 3 ] , 𝜏 𝑖 (với i = 1, 2, 3) là lực dẫn động của động cơ tại các khớp của các khâu 1, 2 ,3

Bảng 2.2 – Bản tham số động lực học robot các khâu

Momen quán tính khối xc yc zc I 1 I 2 I 3

3 −𝑙 4 0 −𝑙 5 m 3 I 3xx I 3yy I 3zz a) Ma trận khối lượng M(q)

Ma trận khối lượng được tính theo công thức:

M(q) = ∑(J Tk T m k J Tk + J Rk T R 0 k I Ck k R k 0T J Rk )

- Tọa độ khối tâm C 1 trong hệ tọa độ R 1 :

], 𝑙 1 là khoảng cách từ khối tâm C1 đến gốc O1 theo phương X1,

𝑙 2 là khoảng cách từ khối tâm C1 đến gốc O1 theo phương Z1

• “−𝑙 1 ” vì khối tâm C1 ở phía âm trục X1 trong hệ tọa độ khâu 1

• “𝑙 2 ” vì khối tâm C1 ở phía dương trục Z1 trong hệ tọa độ khâu 1

- Tọa độ khối tâm C 1 trong hệ tọa độ R 0 : r C 0 1 = r O 0 1 + R 0 1 r C 1 1 = [ a 1 − a 3 − 𝑙 1 0 𝑙 2 − 𝑚

−𝑚 ] là tọa độ gốc O1 trong hệ cố định

] là ma trận cosin chỉ hướng của khâu 1 r O 0 1 , R 1 0 đều được lấy từ ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất T 1 0 của khâu 1 so với khâu cố định Với r O 0 1 là vector chứa 3 phần tử hàng 1, 2, 3 trong cột cuối cùng của ma trận T 1 0 , R 1 0 là ma trận 3x3 chứa 9 phần tử ở 3 hàng và 3 cột đầu của ma trận T 1 0

- Ma trận Jacobi tịnh tiến [1]:

Trong bài này, các tọa độ của điểm P theo 3 phương x, y, z so với hệ cố định chính là các phần tử trong vector r C 0 1 - Tọa độ khối tâm C1 trong hệ cố định Thay tương ứng các tọa độ này vào công thức PT 2.13 ta được ma trận Jacobi tịnh tiến của khâu 1:

- Dễ thấy vận tốc góc khâu 1 so với khâu cố định: w 1 0 = [0 0 0]T (2.15) Với vận tốc góc theo 3 phương x, y, z trong phương trình 2.14 ứng với 3 phần tử trong vector vận tốc góc w 1 0 Khi đó, thay tương ứng các vận tốc góc này vào công thức trong phương trình 2.14 ta sẽ được ma trận Jacobi quay của khâu 1 trong hệ cố định:

- Ma trận mô mem quán tính khối:

I xx I xy I xz I yx I yy I yz I zx I zy I zz

] là ma trận momen quán tính khối của vật đối với hệ trục Oxyz Để đơn giản hóa quá trình tính toán, các khâu của robot trong đồ án này được thiết kế đối xứng qua 2 mặt:

+ Đối xứng qua mặt y-z: I xy = I xz = I yx = I zx = 0 + Đối xứng qua mặt x-y: I zy = I yz = 0

Lúc này momen quán tính của khối tâm C1 trong hệ tọa độ khâu 1 là:

- Tọa độ khối tâm C 2 trong hệ tọa độ R 2 : r C 2 2 = [

] , 𝑙 3 là khoảng cách từ khối tâm C2 đến gốc O2 theo phương trục X2

“−𝑙 3 ” vì khối tâm C2 ở phía âm trục X2 trong hệ tọa độ khâu 2

- Tọa độ khối tâm C 2 trong hệ tọa độ R 0 : r C 0 2 = r O 0 2 + R 0 2 r C 2 2 = [ a 1 − a 3 a 2 − 𝑙 3

−𝑚 ] là tọa độ gốc O2 trong hệ cố định

- Ma trận Jacobi tịnh tiến (cách tính tương tự khâu 1):

- Ma trận Jacobi quay (cách tính tương tự khâu 1):

Từ hình 2.1, dễ thấy vận tốc góc khâu 2 so với khâu cố định: w 2 0 = [0 0 0] T

- Ma trận momen quán tính khối (cách tính tương tự khâu 1):

- Tọa độ khối tâm C 3 trong hệ tọa độ R 3 :

−𝑙 5 ], 𝑙 4 là khoảng cách từ khối tâm C3 đến gốc O3 theo trục X3

• “−𝑙 4 ” vì khối tâm C3 ở phía âm trục X3 trong hệ tọa độ khâu 3

• “−𝑙 5 ” vì khối tâm C3 ở phía âm trục Z3 trong hệ tọa độ khâu 3

- Tọa độ khối tâm C 3 trong hệ tọa độ R 0 : r C 0 3 = r O 0 3 + R 0 3 r C 3 3 = [ a 1 − 𝑙 4 a 2 d 3 − 𝑙 5

] là tọa độ gốc O3 trong hệ cố định

- Ma trận Jacobi tịnh tiến (cách tính tương tự khâu 1):

- Ma trận Jacobi quay (cách tính tương tự khâu 1):

Từ hình 2.1, dễ thấy vận tốc góc khâu 3 so với khâu cố định: w 3 0 = [0 0 0] 𝑇 :

- Ma trận momen quán tính khối (cách tính tương tự khâu 1):

Vậy ma trận khối lượng M được xác định:

M(q) = ∑(J Tk T m k J Tk + J Rk T R 0 k I Ck k R 0T k J Rk )

Sử dụng phần mềm Matlab, ta thu được kết quả tính toán như sau: o m 11 (q) = m1 + m2 + m3 o m 22 (q) = m2 + m3 o m 33 (q) = m 3 o m 12 (q) = m 13 (q) = m 21 (q) = m 23 (q) = m 31 (q) = m 32 (q) = 0

Trong đó: m 1 , m 2 , m 3 lần lượt là khối lượng của các trục 1, 2, 3 b) Ma trận Coriolis C(𝒒, 𝒒̇)

Ma trận Coriolis C(q, q̇) xác định bởi:

Các phần tử của ma trận này được tính theo công thức Christoffel: c ij (q, q̇) =1

Vì ma trận khối lượng M(q) là hằng số (các phần tử trong ma trận đều là hằng số khối lượng đo được) do đó các phần tử trong ma trận Coriolis đều bằng 0

Do đó ta có Ma trận Coriolis C(𝑞, 𝑞̇) như sau:

Chọn gốc thế năng trùng với hệ tọa độ cố định

] (“g” vì trong hệ tọa độ cố định O0, chiều Z0 cùng chiều với chiều trọng lực)

Lực suy rộng của các lực không thế Q:

Trong nội dung đồ án, robot được coi là mô hình lý tưởng, do đó bỏ qua lực ma sát, lực cản nhớt Khi đó, lực không thế lúc này chỉ còn là lực dẫn động tại các khớp

Vậy: Q = U = [ τ 1 τ 2 τ 3 ]: Là vector lực suy rộng của các lực không thế với τ i (i

= 1, 2, 3) là lực dẫn động của động cơ đặt tại các khớp của khâu 1, 2, 3 d) Kết luận

Kết quả của bài toán động lực học:

] (2.32) Hay lực điều khiển tại các khớp:

Quy hoạch quỹ đạo cho robot

Bài toán : Thiết kế quỹ đạo chuyển động trong không gian thao tác với các yêu cầu điểm tác động cuối của robot di chuyển từ điểm A (50, 60, 40) mm đến điểm B (150, 100, 80) mm theo quỹ đạo đường thẳng trong 5s, vận tốc tại điểm đầu A và điểm cuối B bằng 0

- Phương trình đường thẳng đi qua 2 điểm A(𝑥 0 , 𝑦 0 , 𝑧 0 ) và B(𝑥 𝑒 , 𝑦 𝑒 , 𝑧 𝑒 ) trong không gian:

Vì chỉ quan tầm đến tính chất liên tục của luật chuyển động, do đó chọn sử dụng đa thức bậc 3 cho phép tạo ra 1 quỹ đạo trơn tru về vị trí và vận tốc thỏa mãn các điều kiện đầu và điều kiện cuối

Chọn luật chuyển động như sau: 𝑥(t) = a0 +a1t + a2t 2 + a3t 3 Các hệ số trong luật chuyển động được xác định theo công thức:

Sử dụng các điều kiện về vị trí và vận tốc của bài toán ta được:

5 3 = −1.6 Suy ra: x(t) = 50 + 12 ⋅ t 2 − 1.6 ⋅ t 3 (2.35) y(𝑡) = 0.4 ⋅ x(t) + 40 (2.36) z(t) = 0.4 x(t) + 20 (2.37) Thay (2.35) vào (2.36) và (2.37), ta được: y(t) = 60 + 4.8 ⋅ t 2 – 0.64 ⋅ t 3 z(t) = 40 + 4.8 ⋅ t 2 – 0.64 ⋅ t 3 - Từ kết quả bài toán động học ngược ta có: a 1 = 50 + 12 ⋅ t 2 − 1.6 ⋅ t 3 a 2 = 60 + 4.8 ⋅ t 2 – 0.64 ⋅ t 3 d 3 = 40 + 4.8 ⋅ t 2 – 0.64 ⋅ t 3 - Sử dụng phần mềm Matlab, ta vẽ được đồ thị quỹ đạo của các biến khớp theo thời gian:

Hình 2.13 – Luật chuyển động của các biến khớp theo thời gian

Hình 2.14 – Quỹ đạo chuyển động điểm tác động cuối

HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển

3.1.1 Bộ điều khiển PLC Mitsubishi Q

Mitsubishi là một thương hiệu nổi tiếng đến từ Nhật Bản với nhiều sản phẩm được sử dụng rộng rãi trong cuộc sống như tủ lạnh, máy lạnh hay xe ô tô,…

Trong công nghiệp cũng vậy, có thể dễ dàng bắt gặp nhiều sản phẩm của Mitsubishi trong ngành điện công nghiệp tự động hóa như thiết bị đóng cắt( khởi động từ, CB,…), thiết bị truyền động điện( biến tần, servo), thiết bị điều khiển( PLC, HMI)

PLC Mitsubishi là một trong những dòng PLC thâm nhập vào thị trường nước ta khá sớm, chủ yếu đi theo máy về Việt Nam Với đặc điểm tích hợp nhiều tính năng, giá thành phải chăng cộng với phần mềm dễ sử dụng nên PLC Mitsubishi được sử dụng tương đối rộng rãi trong ngành tự động hóa Hiện nay tại một số trường đại học có chuyên khoa về tự động hóa thì PLC Mitsubishi cũng đã được đưa vào nhiều chương trình giảng dạy Đặc điểm nổi bật nhất của dòng PLC Mitsubishi là độ bền cao cộng với khả năng hoạt động ổn định trong nhiều môi trường khác nhau Ngoài ra, với một cộng đồng sử dụng rộng rãi nên tài liệu và các vấn đề phát sinh khi sử dụng được chia sẻ rất nhiều trên mạng qua các trang diễn đàn và các trang mạng xã hội

- Một số dòng PLC của Mitsubishi phổ biến trong công nghiệp:

• PLC Mitsubishi QS/WS Series

• PLC Mitsubishi Alpha Series a) CPU PLC

- PLC Mitsubishi dòng Q là dòng PLC nhỏ gọn, hiệu năng cao, tích hợp nhiều công nghệ mới

- Nhờ kỹ thuật multi_Processor: Cho phép tại một thời điểm 4 CPU cùng tham gia xử lý các quá trình điều khiển máy móc, điều khiển vị trí, truyền thông … nhờ đó tính năng thời gian được tăng cường, thời gian vòng quét chương trình giảm xuống chỉ còn 0,5 – 2ms Bên cạnh đó, người dùng có thể chọn lựa hướng điều khiển, ngôn ngữ lập trình – tất cả cùng chung trên một nền tảng duy nhất

- Phù hợp với các ứng dụng điều khiển cao cấp

- PLC Mitsubishi dòng Q cung cấp nhiều giải pháp cho các ứng dụng khác nhau

- Ứng dụng của PLC Mitsubishi dòng Q: Ngành bia và nước giải khát, công nghệ bán dẫn, đóng gói, thiêu hủy chất thải,…

- Nhược điểm của dòng này đó chính là giá thành tương đối cao

- PLC Mitsubishi dòng Q có tốc độ xử lý lên đến 34ns/LD

- Đầy đủ các ứng dụng mạng như : CC-link, MELSECNET-H,…

- Khả năng mở rộng đến 4,096 I/O ( max 8,192 I/O )

- Bước lập trình đến 252K steps

Bảng 3.1 – Thông số các dòng CPU Mitsubishi Q-series

Mã CPU Loại Tổng số I/O

Tốc độ xử lý (cho lệnh cơ bản)

Q00JCPU Basic 256 8k Steps 0.20 us RS-232

Q00CPU Basic 1024 8k Steps 0.16 us RS-232

Q01CPU Basic 1024 14k Steps 0.10 us RS-232

Q02CPU High-Perfo 4096 28k Steps 0.079 us RS-232 Q02HCPU High-Perfo 4096 28k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q06HCPU High-Perfo 4096 60k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q12HCPU High-Perfo 4096 124k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q25HCPU High-Perfo 4096 252k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q02PHCPU PROCESS 4096 28k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q06PHCPU PROCESS 4096 60k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q12PHCPU PROCESS 4096 124k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q25PHCPU PROCESS 4096 252k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q12PRHCPU REDUNDANT 4096 124k Steps 0.034 us USB, RS-232 Q25PRHCPU REDUNDANT 4096 252k Steps 0.034 us USB, RS-232

Q00UJCPU Basic 256 10k Steps 0.12 us USB, RS-232

Q00UCPU Basic 1024 10k Steps 0.08 us USB, RS-232

USB, Ethernet Q03UDCPU High Speed 4096 30k Steps 0.02 us USB, RS-232

USB, Ethernet Q04UDHCPU High Speed 4096 40k Steps 0.0095 us USB, RS-232

Q02HCPU là PLC hiệu năng cao dòng Q của Mitsubishi phù hợp dùng làm bộ điều khiển chính cho các máy tự động trong nghiệp có quy mô trung bình

- Tốc độ xử lý (cho lệnh cơ bản): 34ns - Cổng truyền thông: USB, RS-232 - Dung lượng chương trình: 28K steps - Bộ nhớ chương trình: 112K bytes - Số I/O có thể truy cập vào mô-đun thực tế: 4096 - Số thiết bị I/O có thể sử dụng trên chương trình: 8192 - Timer: 2048

Lựa chọn truyền thông mạng SSCNET

Mạng SSCNET (Servo System Controller Network)

• Dùng cáp quang chống nhiễu tốt để truyền tín hiệu điều khiển đến các Driver Servo, tốc độ mạng lên đến 50Mbps với mạng SSCNET III và 150Mbps khi dùng mạng SSCNET III/H

• Tất cả các trục Servo nằm trên một mạng, kiểm soát hoàn toàn các thông số của servo Thiết lập hệ tọa độ tuyệt đối để điều khiển và nhớ vị trí của các trục dễ dàng → các ứng dụng như cánh tay Robot có thể dễ dàng nhớ vị trí để khi cúp điện bật lại có thể chạy tiếp tục không cần dạy lại robot tọa độ các điểm gắp hay thả vật

Bảng 3.2 – Thông số cáp SSCNET III/H

Phương tiện truyền thông Cáp quang

Dãy tiêu chuẩn cho bảng bên trong Dãy tiêu chuẩn cho bảng bên ngoài

Tốc độ giao tiếp 150Mbps

Chu kì giao tiếp Gửi 0.22ms/0.44ms/0.88ms

Thu nhận 0.22ms/0.44ms/0.88ms

Số trục điều khiển tối đa trên mỗi hệ thống

Chu kì giao tiếp: 0.22ms – 4 trục/hệ thống Chu kì giao tiếp :0.44ms – 8 trục/hệ thống Chu kì giao tiếp :0.88ms – 16 trục/hệ thống

Tối đa 20m giữa các trạm Tổng mở rộng tối đa

Tối đa 100m giữa các trạm Tổng mở rộng tối đa 1600m (100m x 16 trục)

Nhược điểm của Servo mạng SSCNET: Sử dụng vật liệu Fiber nên có tính giòn, dễ gãy, tránh uốn cong và cần được bảo quản kĩ 2 dầu dây, cổng truyền thông tránh bụi bẩn để không làm hư hỏng chức năng

Các động cơ servo thông thường có thanh ghi mã hóa đến 17 hoặc 18 bit (tương ứng với 131072 và 262244 phản hồi trên mỗi vòng quay) Dễ thấy rằng các động cơ này có độ chính xác vô cùng cao khi điều khiển với thông số mặc định 131072 xung/vòng hoặc 262244 xung/vòng Tuy nhiên điều này gây ra áp lực khi phát xung điều khiển đối với các PLC có chân phát xung cũng như các mô đun phát xung điều khiển động cơ chuyên dụng khi muốn điều khiển động cơ quay với tốc độ lớn Các PLC cao cấp nhất cũng chỉ có thể đạt tới 500k xung/giây, trong khi hầu hết các PLC thường thấy chỉ đạt 100k xung/giây Cũng có nghĩa nếu quay với độ phân giải tối đa, các động cơ này không thể đạt tốc độ hơn 4 vòng/giây Đây là một con số quá thấp nếu muốn sử dụng trong thực tế

Một ảnh hưởng trực tiếp của loại hình phát xung PWM chính là việc thay đổi điện áp liên tục tạo ra một từ trường xoáy quanh dây truyền dẫn Từ trường này có khả năng gây nhiễu đến các thiết bị vô tuyến hoặc chính bản thân dây encoder của động cơ gắn liền với driver điều khiển

Việc dùng dòng điện điều khiển luôn là một giải pháp đơn giản, hiệu quả, dễ sử dụng nhưng đi kèm với đó cũng là nguy hiểm khi dòng điện quá lớn hoặc chiều dòng điện bị ngược Tuy các driver điều khiển bằng PWM tốn ít điện năng nhưng nguy cơ đấu ngược dây truyền tải là rất lớn Nếu dây nhận-truyền tín hiệu bị đấu ngược, thiết bị rất có thể bị cháy và hỏng

Một hạn chế khác của việc điều khiển phát xung chính là khoảng cách truyền thông không cao, thường tối đa là 30m, trong khi đó với dòng phát quang có thể đạt tới 50m

Như vậy có thể thấy việc sử dụng truyền thông phát quang có nhiều ưu điểm hơn như: khoảng cách truyền thông xa, tốc độ truyền cao, ít bị nhiễu bởi các yếu tố bên ngoài, ổn định và an toàn với người sử dụng, dễ kiểm tra và bảo trì Tuy còn một số hạn chế về độ bền cơ học nhưng các điểm mạnh của truyền thông quang hoàn toàn có thể bù đắp và lấn áp các điểm yếu để trở thành phương thức truyền thông đáng tin cậy và được lựa chọn b) Module điều khiển vị trí QD75MH4

Khi dùng dòng Servo MR-J3B, để đạt hiệu quả cao trong việc truyền tín hiệu, độ chống nhiễu cao và đấu dây đơn giản nhóm em dùng QD75MH4 sử dụng tiêu chuẩn truyền thông SSCNETIII

Bảng 3.3 – Thông số một số module điều khiển vị trí

QD75P QD75D QD75M QD75MH

Giao diện đa dụng Giao diện đa dụng Giao diện

Giao diện SSCNETIII/H Cực thu để hở

Bộ điều khiển vi sai Kết nối với bộ điều khiển Servo của bên thứ 3

Có Có Không Không Đấu dây Phức tạp Phức tạp Dễ dàng Dễ dàng

Servo Có Có Không Không

Khoảng cách giữa servo với QD75

Tốc độ Thấp Thấp Trung bình Cao

Mức độ chịu nhiễu Trung bình Tốt Tốt Cao

3.1.2 Driver cho động cơ Servo Mitsubishi a) Driver MR-J3

Sơ đồ đấu nối

Hình 3.11 – Sơ đồ đi dây điện

Hình 3.12 – Sơ đồ bố trí thiết bị

Sơ đồ bố trí thiết bị và đi dây thực tế

Hình 3.13 – Sản phẩm thực tế

THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN

Các phần mềm sử dụng trong đề tài

4.1.1 Phần mềm lập trình PLC Mitsubishi - GX Work2 a) Giới thiệu về GX Work2

Phần mềm GX-Work 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho GX Developer trong lập tình PLC với giao diện trực quan đẹp 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)

• GX Works2 là một công cụ lập trình dùng để thiết kế, gỡ lỗi, và duy trì chương trình trên Window

• GX Works2 đã cải thiện chức năng và khả năng thao tác, với những tính năng dễ sử dụng hơn khi so sánh với GX Developer đã có b) Chức năng của GX Work2

• Tạo chương trình trong một dự án theo cách tương tự với GX Developer

• Lập trình cấu trúc trong một dự án cấu trúc cũng khả thi với GX Works2

• Tham số cho CPU điều khiển khả trình và tham số cấu hình mạng có thể được cài đặt với GX Works2

• Tham số cho các khối chức năng thông minh cũng có thể được cài đặt

Viết/đọc dữ liệu đến/từ một CPU điều khiển khả trình

• Tạo chương trình tuần tự có thể được viết/đọc từ một CPU điều khiển khả trình sử dụng Read từ PLC/Write của chức năng PLC Đồng thời, với chương trình thay đổi chức năng trực tuyến, chương trình tuần tự có thể bị thay đổi ngay cả khi CPU điều khiển khả trình đang chạy (RUN)

Hình 4.1- Biểu tượng GX Work2

• Tạo chương trình tuần tự có thể được viết cho CPU điều khiển khả trình và giá trị của thiết bị khi hoạt động được theo dõi trực tuyến/ngoại tuyến

• Trạng thái lỗi hiện tại và lịch sử lỗi của CPU điều khiển khả trình có thể được chuẩn đoán

• Với chức năng chuẩn đoán, công việc có thể được hoàn thành trong thời gian ngắn hơn

• Với chức năng theo dõi hệ thống (cho QCPU (Q mode)/LCPU), thông tin cụ thể trong module chức năng thông tin có thể được lấy về Điều này giúp cho rút ngắn thời gian phục hồi dữ liệu khi hệ thống đang lỗi

4.1.2 Phần mềm giao tiếp PLC Mitsubishi với Windows Form – MX

MX Component là một phần mềm trung gian do Mitsubishi Electric phát triển giúp đồng bộ hóa, xử lí giao tiếp dễ dàng giữa máy tính với PLC Phần mềm này cho phép các nhà phát triển phần mềm tương tác và giao tiếp với các thiết bị của hãng Mitsubishi Electric

Sau khi cài đặt, phần mềm sẽ được lưu trong thư mục MELSOFT dưới tên Communication Settings Utility

Microsoft Visual Studio là một môi trường phát triển tích hợp (Integrated Development Environment) từ Microsoft sử dụng để chỉnh sửa, gỡ lỗi và xây dựng mã, sau đó phát hành ứng dụng Ngoài trình chỉnh sửa và trình sửa lỗi tiêu chuẩn được cung cấp bởi hầu hết các IDE, Visual Studio bao gồm trình biên dịch, công cụ hoàn thiện mã, trình thiết kế đồ họa và nhiều tính năng khác để cải thiện quy trình phát triển phần mềm

Microsoft Visual Studio còn được gọi là "Trình soạn thảo mã nhiều người sử dụng nhất thế giới ", được dùng để lập trình C++ và C# là chính Nó được sử dụng để phát triển chương trình máy tính cho Microsoft Windows, cũng như các trang web, các ứng dụng web và các dịch vụ web Visual Studio sử dụng nền tảng phát triển phần mềm của Microsoft như Windows API, Windows Forms, Windows Presentation Foundation, Windows Store và Microsoft Silverlight

Hình 4.2- Biểu tượng MX Component

Môi trường lập trình của Microsoft Visual Studio được thiết kế dựa trên các gói mô-đun, người dùng có thể tự do lựa chọn cài đặt, mở rộng các ngôn ngữ lập trình cũng như tùy biến các tính năng cần thiết dựa theo nhu cầu của bản thân Với Visual Studio IDE, người dùng có thể lập trình, soạn thảo trên nhiều nền tảng ngôn ngữ khác nhau như:

• Phát triển, lập trình web với các ngôn ngữ HTML/JavaScript, ASP.NET

• Phát triển ứng dụng đám mây với Azure

• Lập trình ứng dụng với các ngôn ngữ C, C++, C#, Python, Linux,…

• Phát triển game với hỗ trợ của Unity a) C sharp là gì?

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 là C++ và Java

Trong các ứng dụng Windows truyền thống, mã nguồn chương trình được biên dịch trực tiếp thành mã thực thi của hệ điều hành

Trong các ứng dụng sử dụng NET Framework, mã nguồn chương trình (C#, VB.NET) được biên dịch thành mã ngôn ngữ trung gian MSIL (Microsoft intermediate language)

Sau đó mã này được biên dịch bởi Common Language Runtime (CLR) để trở thành mã thực thi của hệ điều hành b) Đặc trưng của C#

• C# là ngôn ngữ đơn giản

• C# là ngôn ngữ hiện đại

• C# là ngôn ngữ lập trình thuần hướng đối tượng

• C# là một ngôn ngữ ít từ khóa

Với nhiều ưu điểm được kết hợp từ các ngôn ngữ, C# có khả năng linh hoạt cao và có rất nhiều ứng dụng từ phát triển web front end/back end, lập trình game 2D/3D, phát triển ứng dụng desktop/mobile, phát triển ứng dụng đám mây,…

Không khó hiểu khi có nhiều ứng dụng và thư viện hỗ trợ tốt hơn khi lập trình và giao tiếp với ngôn ngữ C#

Hình 4.3 - Biểu tượng Visual Studio 2022

Chương trình điều khiển trên PLC-Q

4.2.1 Cài đặt Parameter a) Cấu hình PLC

Trước khi lập trình cần phải cài đặt cấu hình cho GX Work 2:

• Chọn New / Hiện ra New Project / Chọn QCPU (Q mode) trong mục Series/

Chọn Q02/Q02H trong mục Type/ Simple Project trong mục Project Type/

• Nhấn Ok để tạo chương trình mới Để cài đặt kết nối PLC thực hiện những bước sau:

• Kết nối PLC với Laptop bằng cáp USB:

Trong mục Navigation /chọn Connection Destination/ chọn Connection1 trong mục Current Connection

Hình 4.5 – Lựa chọn kết nối muốn kiểm traHình 4.4 -Tạo project mới

• Hiện ra hộp thoại Tranfer Setup Connection1/ Trong mục Serial USB /tích chọn USB / bấm ok

• Nhấn Connection Test / Hiện ra hộp thoại Successfully là kết nối thành công/ nhấn OK để thoát Để cài đặt cấu hình cho PLC thực hiện những bước sau:

Hình 4.7 – Kiểm tra kết nối thành công

Hình 4.6 - Các loại kết nối

• Chọn Project /Navigation/ Parameter/ PLC Parameter/ Hiện ra hộp thoại Q Parameter Seting / chọn I/O Assigment

• Chọn Read PLC Data/ Chọn Yes (khi xuất hiện hộp thoại thông báo)

Hình 4.8 – Bảng khai báo module trên base

Hình 4.9 – Nạp địa chỉ vào ra của các module trên base thành công

• Chọn Select PLC Type/ chọn Q02/Q02H/ Nhấn Ok

• Khai báo các module như trong hình với vị trí QD75MH4 là vị trí No.6 hay Slot 5(0-5) như cắm module trên Base thực tế

• Bấm Check để kiểm tra lỗi/ hiện ra hộp thoại “There is no error” là thành công/ Bấm End để đóng

Hình 4.10 – Lựa chọn loại module và mã hiệu

Hình 4.11 – Khai báo tên module

• Trong mục Intellighent function Module / Chọn Module type / Module name / Mount Slot No là 5, tương ứng với Specify start XY address là 0120 (Như trong hình) / bấm Ok để hoàn thành

• Để dễ quan sát các tham số cho việc lập trình chọn chuột phải vào 0120:QD75MH4 / chọn Register to Intelligent function Module Monitor / xuất hiện hộp thoại / chọn Display by axis/ Bấm Ok

Hình 4.13 - Khai báo địa chỉ ô nhớ cho module QD75MH4Hình 4.12 – Kiểm tra khai báo và định danh bộ nhớ thành công

Xuất hiện hộp thoại này là thành công

Hình 4.14 – Hiển thị danh sách bộ nhớ của module QD75MH4

Hình 4.15 – Bảng danh sách các thanh ghi bộ nhớ của QD75MH4 b) Cấu hình QD75MH4 Để cài đặt cấu hình cho QD75MH4, kích đúp chuột vào 0120:QD75MH4/ chọn Parameter/ hiện ra bảng Parameter

Cài các tham số như trong hình để có thể cấu hình chuẩn cho QD75MH4:

Hình 4.16 – Tab cài đặt cấu hình cho module QD75MH4

Hình 4.17 – Cấu hình QD75MH4 (1)

Hình 4.19 – Cấu hình QD75MH4 (3) Hình 4.18 – Cấu hình QD75MH4 (2)

Hình 4.20 – Cấu hình QD75MH4 (4) c) Cấu hình Servo Parameter Để cài cấu hình cho Servo, kích đúp chuột vào Servo_Parameter/ hiện ra cửa sổ cài đặt / thực hiện như trong hình để cấu hình chuẩn cho Servo

Chạy JOG cho từng trục X,Y,Z sử dụng các bit bật các địa chỉ tương ứng trong bảng Intelligent function Module Monitor bao gồm JOGX+, JOGX- , JOGY+, JOGY- , JOGZ+, JOGZ- tương ứng với Y128 đến Y12D Đồng thời trước khi bật bit lên cần DMOV giá trị tốc độ JOG của X,Y,Z vào Buffer memory như G1518 (X), G1618 (Y), G1718 (Z)

Hình 4.21 – Tab cấu hình thông số cho driver servo

Hình 4.22 – Bảng địa chỉ bit nhớ dùng để điều khiển động cơ

4.2.3 Dò Home và về Home nhanh a) Dò home (OPR) Để ra lệnh chạy tìm Home, cần MOV giá trị 9001 vào các Buffer Memory tương ứng của từng trục là G1500 (OPR X), G1600 (OPR Y), G1700 (OPR Z) Đồng thời bật tín hiệu chạy cho từng trục là Y130 (Positioning Start Ax1), Y131 (Positioning Start Ax2), Y132 (Positioning Start Ax3)

Hình 4.23 – Chương trình điều khiển 3 trục độc lập

Tốc độ dò Home (được cài đặt ở Parameter) mục OPR Speed, khi qua cảm biến DOG , động cơ sẽ chạy với tốc độ dò Home là Creed speed (được cài trong Parameter) để tìm chính xác vị trí Home.

Hình 4.25 – Chương trình chạy về gốc Home

Hình 4.24 – Khởi động chạy trục về Home

Hình 4.26 – Cài đặt tốc độ về Home b) Về Home nhanh (FAST OPR) Để ra lệnh chạy về Home nhanh, cần MOV giá trị 9002 vào các Buffer Memory tương ứng của từng trục là G1500 (OPR X), G1600 (OPR Y), G1700 (OPR Z) Đồng thời bật tín hiệu chạy cho từng trục là Y130 (Positioning Start Ax1), Y131 (Positioning Start Ax2), Y132 (Positioning Start Ax3) Khi chạy lệnh FASR OPR, các trục robot sẽ chạy với tốc độ OPR Speed (trong phần cài đặt Parameter)

4.2.4 Chạy nội suy theo đường thẳng và cung tròn

• Quy tắc chạy nội suy:

- Trục Y chạy nội suy theo trục X

- Trục Z chạy độc lập và phụ thuộc vào M code để chạy phối hợp với trục X và Y

- Cần sử dụng 2 điểm trong bài toán là P1 và P2 để nội suy đường thẳng và cung tròn, đồng thời tại vị trí động cơ bắt đầu quay hay kết thúc chạy là điểm Start

• Các bước chạy nội suy để vẽ đường:

- Từ điểm Start, trục X và Y chạy nội suy đến điểm P1(x,y) Sau đó trục X, Y dừng do M code trục X On

- Khi trục X, Y dừng ,trục Z đi xuống điểm P1(z) ,sau đó trục Z dừng do M code trục Z On

- Sau khi trục Z dừng tại P1(z), M code trục X,Y tắt, trục X và Y chạy nội suy tiếp đến điểm P2(x,y) – Quá trình Vẽ

- Sau khi trục X, Y hoàn thành chạy đến P2(x,y), trục Z có 2 lựa chọn:

Hình 4.27 – Chương trình chạy về Home với tốc độ cao

+ Nếu muốn tiếp tục vẽ, các tọa độ mới của P1(x,y) và P2(x,y) được nhập và các trục X, Y lặp lại chu trình chạy từ điểm Start, đến P1(x,y) và P2(x,y) – Các tọa độ điểm này có thể trùng nhau tùy mục đích sử dụng + Nếu kết thúc 1 chu trình vẽ, yêu cầu M code trục Z tắt thì trục Z sẽ về điểm

P2(z) là điểm an toàn, chờ chu trình vẽ mới

Bảng 4.1 – Các thanh ghi bộ nhớ cần sử dụng

Vị trí ô nhớ Cấu hình điểm M code Tốc độ Vị trí

Vị trí điểm trung gian Điểm 1 2000 2001 2004 2006 2008

Vị trí ô nhớ Cấu hình điểm M code Tốc độ Vị trí

Giá trị (Phụ thuộc theo trục X) Điểm 2 8010 8011 8014 8016 8018

Giá trị (Phụ thuộc theo trục X)

Hình 4.28 – Chương trình chạy nội suy

Cấu hình điểm M code Tốc độ Vị trí

Giá trị a) Nội suy đường thẳng

Từ điểm Start đến điểm P1 chạy nội suy đường thẳng không dừng, từ P1 đến P2 là chạy nội suy đường thẳng có kết thúc tại điểm P2 b) Nội suy cung tròn

Từ điểm Start đến điểm P1 chạy nội suy đường thẳng không dừng, từ P1 đến P2 là chạy nội suy cung tròn với điểm trung gian nằm trên cung tròn, có kết thúc tại điểm P2

4.2.5 Các bước cài đặt a) Kết nối PLC với MX

• Mở MX Component với Run as Administrator

Hình 4.29 – Ghi giá trị thích hợp để chạy nội suy đường trẳng

Hình 4.30 – Ghi giá trị thích hợp chạy nội suy cung tròn

Hiện ra hộp thoại cài đặt, chọn Wizard/ nhập 1 vào ô Logical station number là trạm logic kết nối MX với winform/ chọn Next

• Chọn kiểu kết nối USB / chọn Next

• Chọn CPU Module / chọn CPU type là Q02U/ chọn Next

Hình 4.31 – Cài đặt MX Component (1)

Hình 4.33 – Cài đặt MX Component (3) Hình 4.34 – Cài đặt MX Component (4)

• Kiểm tra kết nối MX với PLC Q, chọn Communication test, hiện ra Successfully là thành công b) Thêm thư viện kết nối MX với Winform

- Tạo một dự án Windows Form và đặt tên cho nó

- Sau khi tạo, nhấn chuột phải vào tên dự án, chọn Add/Reference

Hình 4.37 – Thêm thư viện liên kết

Một cửa sổ Reference Manage hiện ra, chọn mục COM/Type Libraries và chọn thư viện MITSUBISHI ActUltType Controls Ver 1.0 Sau đó click OK để thêm thư viện

- Sau khi thêm thành công thư viện ActUtlType Controls Ver1.0, cần khai báo sử dụng thư viện trong phần lập trình bằng khai báo “using ActUtlTypeLib;”.

Chương trình điều khiển thiết kế trên Windows Form

- Giao diện phần mềm điều khiển được thiết kế trên Windows Form sau đó đóng gói thành phần mềm và cài đặt trên máy tính

Hình 4.39 – Giao diện phần mềm điều khiểnHình 4.38 – Thêm thư viện MITSUBISHI ActUtlType Controls Ver 1.0

4.3.1 Các chức năng của phần mềm a) Chức năng hiển thị thời gian thực

- Thời gian được đọc từ máy tính và được hiển thị lên label giúp người dùng thuận tiện trong việc theo dõi thời gian b) Chức năng Connect/Disconnect

- Khi nhấn button “Connect” phần mềm điều khiển sẽ được kết nối với GX Work2 để điều khiển, đồng thời button “Connect” sẽ được chuyển sang chế độ

“Disconnect” khi người dùng có mong muốn ngắt kết nối với PLC Icon thông báo kết nối thành công sẽ hiện ra Sau khi kết nối thành công, phần mềm có thể giao tiếp với PLC để điều khiển robot hoạt động c) Chức năng ON/OFF

- Khi nhấn button “ON”, PLC sẽ gửi 1 tín hiệu “PLC READY” tới modun QD75MH4 Sau khi nhận được tín hiệu này modun QD75MH4 sẽ phản hồi lại bằng 1 tín hiệu “QD75 READY” để thông báo cho bộ điều khiển rằng nó đã sẵn sàng hoạt động và ON tất các các động cơ Servo của các trục robot

- Sau khi nhấn button “ON” thì button này sẽ chuyển sang chế độ “OFF” với chức năng OFF các động cơ Servo điều khiển các trục của robot d) Chức năng STOP

- Khi nhấn button “STOP”: dừng hành động mà robot đang thực thi Chức năng này được sử dụng trong trường hợp người sử dụng muốn dừng hành động mà robot đang thực thi để thực hiện 1 hành động khác như kiểm tra và sửa lỗi

Hình 4.42 – Kết nối chương trình với PLC

Hình 4.41 – Ngắt kết nối với

Hình 4.43 – Chức năng ON/OFF

Hình 4.44 – Dừng khẩn cấp e) Chức năng hiển thị mã lỗi

- Trong giao diện điều khiển có groupbox hiển thị mã lỗi trong quá trình vận hành Với một số mã lỗi hay gặp, người dùng có thể kích chuột vào mã lỗi đó, chương trình sẽ hiển thị ra nguyên nhân gây lỗi, giúp người dùng nhanh chóng đưa ra được phương án giải quyết, không cần xem lại tài liệu để tìm hiểu về mã lỗi f) Chức năng Reset lỗi

- Trong quá trình vận hành, nếu có lỗi xảy ra, người dùng kích chuột vào button “RESET ERROR” để reset lỗi Sau khi reset lỗi, robot sẽ vận hành bình thường trở lại g) Chức năng chạy JOG các trục

- Các button “+” và “-” tương ứng với các trục X, Y, Z được sử dụng để điều khiển chạy thuận và nghịch các trục tọa độ trong trường hợp người dùng muốn nhanh chóng tới điểm cần đến

- Tốc độ chạy JOG của từng trục được nhập vào phần “JOG SPEED” tương ứng với từng trục với đơn vị là mm/phút Tùy thuộc vào việc người dùng muốn cho các trục chạy với tốc độ bao nhiêu thì nhập thông số tương ứng Ban đầu khi khởi động giao diện điều khiển, tốc độ JOG của 3 trục đều được mặc định là 1000 mm/phút Giới hạn của tốc độ JOG được cài đặt ở Parameter trong chương trình PLC

- Trong quá trình vận hành, đòi hỏi người dùng cần theo dõi được vị trí hiện tại của các trục Đáp ứng yêu cầu này, phần mềm cung cấp chức năng hiển thị vị

Hình 4.45 – Mã lỗi các trục

Hình 4.47 – Điều khiển tiến lùi thủ công

Hình 4.48 – Nhập tốc độ chạy cho các trục khi điều khiển bằng tay trí hiện tại của các trục Vị trí hiện tại được lấy từ tín hiệu phản hồi Encoder và hiển thị lên cột Position với đơn vị là mm h) Chức năng dò gốc Home

- Robot khi làm việc cần có một gốc tọa độ cố định Gốc tọa độ này sẽ là tham chiếu cho các tọa độ trong không gian làm việc của robot trong quá trình điều khiển vận hành

- Ban đầu khi mới khởi động robot, vị trí Home chưa được xác định, chức năng dò gốc

“FIND HOME” sẽ giúp xác định và lưu lại vị trí Home của robot Vị trí Home được xác định bởi các cảm biến Home gắn cố định trên các trục i) Chức năng về Home nhanh

- Sau khi xác định được gốc Home bởi chức năng dò gốc, trường hợp người dùng muốn về gốc Home nhanh có thể sử dụng chức năng về nhanh

“HOME” Lưu ý chức năng về Home nhanh chỉ thực hiện được sau khi đã thực hiện quá trình dò gốc Tại vị trí gốc, các tọa độ trong cột Position sẽ về 0 thể hiện robot đã về gốc j) Chức năng nội suy

- Chức năng nội suy được sử dụng khi người dùng muốn điều khiển robot theo 1 quỹ đạo với các tọa độ điểm đầu và điểm cuối quỹ đạo được xác định

Bài toán đặt ra : Điều khiển nội suy 2 trục X, Y để tạo ra quỹ đạo chuyển động mong muốn, trục Z phối hợp với chuyển động của X, Y để đi xuống và bắt đầu vẽ quỹ đạo Sau khi hoàn thành quá trình vẽ, trục Z sẽ đi lên 1 vị trí an toàn do người dùng thiết lập

Hình 4.49 – Hiển thị vị trí hiện tại của điểm cuối

Hình 4.50 – Tìm tọa độ máy khi mới khởi động

Hình 4.51 – Chức năng về Home nhanh

Hình 4.52 – Chức năng chạy nội suy

ĐÁNH GIÁ, KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ THỰC TẾ

Kết quả mong muốn

Để kiểm tra hoạt động của robot, nhóm đã tạo danh sách các điểm chạy để robot vẽ ra chữ HUST

Danh sách tọa độ các điểm để vẽ ra chữ liệt kê ở bảng dưới:

Bảng 5.1 – Danh sách tọa độ các chữ Điểm Điểm con X Y XA YA Z

Hình 5.1 – Quỹ đạo thiết kế

Kết quả chạy thực tế

5.2.1 Kết quả hiển thị trên phần mềm

Kết quả quỹ đạo thiết kế được thực hiện trên phần mềm

5.2.2 Kết quả thực tế trên bàn vẽ

Hình 5.6 – Kết quả thực tế

Hình 5.4 – Ký tự “S” Hình 5.5 – Ký tự “T”

Đánh giá kết quả, chức năng

5.3.1 Đánh giá sai số a) Phương pháp đo Đo tiếp xúc bằng đồng hồ so Lấy một vị trí của robot làm mẫu, cho đầu của đồng hồ chạm vào bề mặt cần đo (ở đây là mặt phẳng vuông góc so với trục di chuyển cần đo) Điều chỉnh mặt chia của đồng hồ đề kim chỉ trùng với vạch số “0”

Cho robot di chuyển theo trục cần đo về vị trí Home, sau đó tiếp tục cho robot quay về vị trí lấy mốc ban đầu Số chỉ trên đồng hồ sẽ cho biết độ sai lệch của robot khi chuyển động Thực hiện 20 lần trên mỗi trục Từ giá trị thu được có thể tính ra sai số trung bình và độ lệch chuẩn của robot b) Kết quả và tính toán

Tiến hành cho robot di chuyển đến vị trí (100;50;40) sau đó cho robot về Home, thực hiện 20 lần với 3 vận tốc khác nhau là 1 m/phút, 3 m/phút và 5 m/phút

Sau khi đã có kết quả đo đạc, vẽ ra được biểu đồ thể hiện biến thiên sai số của từng trục qua các lần đo như bên dưới:

Sai số vị trí trục X

Vận tốc 1m/p Vận tốc 3m/p Vận tốc 5m/p

Vì số lần đo là ít nên khi tính độ lệch chuẩn, ta cần sử dụng công thức bù lỗi của Bessel, hay còn gọi là công thức tính độ lệch chuẩn của mẫu Độ lệch chuẩn của mẫu được tính bằng công thức:

• s là độ lệch chuẩn của mẫu

• 𝑥̅ là trung bình của mẫu

• 𝑥 𝑖 là thành phần thứ i của mẫu

• n là tổng số thành phần của mẫu Để đánh giá độ chính xác lặp và sai số với chuyển động tổng hợp từ 3 trục, cần phải tính vi sai toàn phần đánh giá độ phân tán sai số theo 3 vận tốc Công thức và các bước cần tính như sau [2]:

Với N = 20 là số lần đo, vị trí yêu cầu là (X0; Y0; Z0), vị trí đạt được là (Xr; Yr; Zr)

Giá trị trung bình là:

Hình 5.8 – Biểu đồ biến thiên sai số của các trục

Sai số vị trí trục Y

Sai số vị trí trục Z

(5.4) Vi sai toàn phần l i tính theo công thức:

(5.6) Độ lệch chuẩn của vi sai l:

Khi đó, độ lặp lại vị trí sẽ là:

Sau khi tính toán, thu được một biểu đồ phân tán độ tập trung của vi sai theo các tốc độ đã thử nghiệm như bên dưới:

Hình 5.9 – Biểu đồ phân tán sai lệch theo vận tốc

Biểu đồ phân tán sai lệch theo vận tốc

Từ đó, có thể thấy robot có độ sai lệch tăng dần và độ tập trung giảm dần khi vận tốc tăng lên Điều này là do trong tính toán ta đã bỏ qua nhiều yếu tố như độ rơ giữa các khớp, các trục, bánh răng, vít me, lực ma sát, lực quán tính,… Tuy nhiên sai lệch này vẫn khá nhỏ, hoàn toàn phù hợp cho các chức năng gia công nhẹ như pick-and-place, gia công vật liệu mềm như khoan, cắt laser, Mặt khác, cần lưu ý có khá nhiều yếu tố ảnh hưởng đến kết quả đo đạc như độ nhạy của thiết bị đo, cách bố trí đo,… nên chưa thể hoàn toàn tin tưởng vào kết quả này mà robot có thể có độ chính xác cao hơn

5.3.2 Những công việc đã đạt được và đề xuất cải tiến a) Những công việc đã đạt được

Nhóm đã lên kế hoạch và hoàn thành các yêu cầu sau của đề tài:

• Lựa chọn phần cứng, phần mềm và thiết bị cho đề tài:

- Lựa chọn được phần mềm lập trình, truyền thông máy tính với PLC, truyền thông giữa các thiết bị

- Lựa chọn được phần cứng cơ khí, các thiết bị điện đấu nối tủ điện

• Thiết kế phần điều khiển:

- Lập trình PLC Mitsubishi Q sử dụng phần mềm GX Work2 để điều khiển chạy JOG và nội suy 2 trục của Robot, thực hiện chu trình di chuyển theo quỹ đạo được thiết kế sẵn

- Kết nối PLC với máy tính để giao tiếp với người dùng thông qua phần mềm kết nối trung gian MX Component

- Thiết kế phần mềm điều khiển sử dụng ngôn ngữ C# với Visual Studio để điều khiển robot

- Thiết kế chương trình chạy Auto và Manual cho phép chạy robot theo ý muốn b) Đề xuất cải tiến

• Trong quá trình chạy không tránh khỏi những sai số do sự không chính xác của phần cơ khí Nhóm đề suất nâng cấp phần cứng có độ chính xác cao hơn hoặc hiệu chỉnh lại độ song song ray dẫn hướng, độ đồng trục, đồng tâm của vít me,…

• Sử dụng CPU Q đời cao hơn tăng tăng tốc độ xử lý dữ liệu cũng như tránh gặp lỗi thường xuyên

• Thiết kế giao diện trực quan, dễ thao tác và đẹp hơn

• Thiết kế thêm các chức năng khi chạy Auto: cần hiện thị dòng lệnh đang chạy để dễ theo dõi và kiểm soát lỗi trong quá trình chạy, phục vụ cho việc lập trình và xử lí lỗi.

TỔNG KẾT

Đánh giá kết quả đề tài

Bước đầu, sản phẩm đã hoàn thành tốt các mục tiêu được đề ra: di chuyển nội suy trên mặt phẳng, có khả năng điều khiển độc lập, thực hiện các quỹ đạo bất kỳ, cũng như có khả năng tích hợp thêm cơ cấu Đồng thời người sử dụng có thể tương tác dễ dàng với robot thông qua phần mềm điều khiển, can thiệp vào các thông số cơ bản mà không cần sử dụng phần mềm lập trình PLC chuyên dụng

Nhưng bên cạnh đó sản phẩm vẫn còn một vài vấn đề như hệ thống cơ khí chưa được chuẩn bị chu đáo dẫn đến chuyển động không được mượt mà của robot, giao diện điều khiển trên máy tính chưa được thiết kế chỉn chu, còn tương đối đơn giản hay chương trình điều khiển chưa được tối ưu hóa

Nhằm khắc phục những nhược điểm trên, cần phải cẩn thận hơn trong khâu lắp ráp, tăng cường kỹ năng lập trình, cải tiến tư duy giải thuật.

Hướng phát triển trong tương lai

Robot hiện tại mới chỉ giải quyết bài toán điều khiển và di chuyển, chưa có cơ cấu thao tác với vật Trong tương lai có thể tích hợp thêm các cơ cấu chấp hành khác như cơ cấu tay kẹp cho bài toán gắp – thả vật, hoặc các bài toán cao cấp hơn như tích hợp hệ thống nhận diện hình ảnh cho phép robot có thể phân loại các sản phẩm với đa dạng mẫu mã và chủng loại,…

Nhìn chung còn rất nhiều hướng phát triển và ứng dụng của robot trong tương lai Tuy nhiên với quỹ thời gian và nhân lực có hạn, những ý tưởng này còn đang bị bỏ ngỏ, cần tìm hiểu, nghiên cứu thêm cũng như mong nhận được nhiều đóng góp và chỉ dẫn từ các thầy/cô.

Định dạng
Số trang	98
Dung lượng	5,44 MB