Giới thiệu chung về hệ thống tự động hóa
Tổng quan
Tự động hóa (điều khiển tự động) là sử dụng hệ thống điều khiển cho các thiết bị máy móc trong sản xuất công nghiệp, hạn chế tối đa sự can thiệp của con người Hiện nay, điều khiển tự động được áp dụng khá rộng rãi trong các lĩnh vực như cơ khí, xây dựng, thực phẩm, …
Hình 1.1 Tự động hóa tích hợp robot
Chức năng chủ yếu của một hệ thống tự động hóa chính là việc điều khiển toàn bộ quá trình Các yếu tố như tính liên tục, tính nhịp điệu, tính song song của các quá trình được sử dụng để đánh giá sự linh hoạt của toàn bộ hệ thống.
Dưới góc nhìn kinh tế, mức độ tự động của một mô hình sản xuất nhất thiết phải hoàn toàn tự động, mà còn phụ thuộc vào nhiều điều kiện để xác định được các quy trình cần tự động, phù hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo được chất lượng sản phẩm cao nhất cũng như kinh phí thấp nhất Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa Điều khiển tự động được thực hiện bằng nhiều phương tiện khác nhau như: cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính.
Trong các hệ thống lớn và phức tạp ví dụ như các nhà máy sản xuất hiện đại, công nghệ tàu thủy, máy bay thường được sử dụng tất cả những kỹ thuật tự động kết hợp.
Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa
Ngày nay, việc tập trung hóa - tự động hóa các quy trình quản lý, giám sát và điều khiển các hệ thống được đẩy mạnh Tự động hóa quá trình sản xuất có thể giúp giá thành sản phẩm giảm và nâng cao năng suất lao động.
Nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm làm cho chi phí trong việc nâng cao mức độ phức tạp gia công (về đào tạo nhân công, phát triển đội ngũ, ) tăng lên Từ đó tiếp động lực chính để phát triển tự động hóa Tự động hóa giúp cải thiện sản xuất trong nhiều mặt.
Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ đa số khó khăn khi sử dụng lao động thủ công Đồng thời, sản xuất tự động cũng giúp cải thiện các môi trường làm việc của công nhân, đặc biệt trong các khâu nặng nhọc, độc hại và các công việc lặp lại nhiều lần Sản xuất tự động đáp ứng được cường độ sản xuất lớn, năng suất cao, dễ dàng trong việc chuyên môn hóa và thay đổi sản xuất Đây là các yếu tố vô cùng quan trọng cho phép các nhà sản xuất đáp ứng được các điều kiện sản xuất và cạnh tranh trên thị trường.
Giới thiệu về hệ thống phân loại sản phẩm và xếp hàng tự động
Giới thiệu chung
a) Hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm phân chia sản phẩm thành các nhóm có thuộc tính giống nhau để đóng gói hay loại bỏ sản phẩm lỗi Trong các nhà máy sản xuất thực phẩm, chế tạo các chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử, …, các sản phẩm được tạo ra sau hàng loạt những quy trình công nghệ cần được kiểm tra để đảm bảo loại bỏ được sản phẩm lỗi cùng với việc lưu kho, đóng gói các sản phẩm đủ chất lượng để phân phối ra thị trường hay phục vụ cho những công đoạn sản xuất sau đó Ngoài ra, hệ thống còn có thể tích hợp thêm nhiều chức năng phụ như: dán nhãn, sắp xếp, vận chuyển , giúp nâng cao năng suất hoạt động của toàn bộ dây chuyền sản xuất.
Tùy thuộc vào độ phức tạp của từng loại sản phẩm mà ta có thể đưa ra những phương pháp phân loại sản phẩm khác nhau Hiện nay có một số phương pháp phân loại sản phẩm được ứng dụng rất nhiều trong đời sống như:
- Phân loại sản phẩm theo kích thước - Phân loại sản phẩm theo cân nặng - Phân loại sản phẩm theo màu sắc - Phân loại sản phẩm theo mã vạch
Vì có nhiều phương pháp phân loại sản phẩm nên hướng giải quyết và thuật toán cũng vô cùng đa dạng, đồng thời các thuật toán này hỗ trợ, bổ sung cho nhau Ví dụ việc phân loại vải thì có thể phân loại màu sắc, về đồ uống (bia, nước ngọt) có thể phân loại theo chiều cao hoặc khối lượng, phân loại bao thì theo kích thước, cân nặng, … b) Hệ thống xếp hàng tự động
Hệ thống bốc xếp hàng tự động (palletizing) là một giải pháp về hệ thống tự động thay thế hoàn toàn công việc bốc xếp và đóng gói hàng thủ công lên pallet, từ đó, tăng năng suất vận hành của nhà máy, đồng thời, giảm thiểu được những sai sót trong khâu đóng gói hàng thủ công Hệ thống bốc xếp được phát triển vào những năm 1970, khi đó nó là sự kết hợp của hệ thống băng tải và thiết bị nâng công nghiệp. Để xếp chồng các sản phẩm, mỗi lớp hàng hóa được kẹp vào vị trí và nhấc khỏi băng chuyển đặt lên pallet Vào những năm 1980, cánh tay robot bắt đầu được tích hợp vào hệ thống Việc sử dụng cánh tay robot mang lại sự linh hoạt cho hệ thống bốc xếp hàng tự động với số lượng chủng loại hàng hóa ngày càng đa dạng Một cánh tay robot có thể được lập trình để xử lý các gói hàng có kích thước khác nhau hoặc sắp xếp chúng lên pallet theo nhiều cách mà không cần thay đổi thiết kế từ trước.
Hình 1.2 Robot xếp hàng tự động
Qua thời gian, hệ thống robot palletizing đã chứng minh rằng nó đem lại những ưu thế kỹ thuật nổi trội như sau:
- Nâng cao mức độ tự động hóa trong dây chuyền sản xuất hiện tại của công ty
- Tính đồng bộ, nhất quán cao nhất - Duy trì sự ổn định và tính chính xác lâu dài của cả hệ thống c) Công nghệ xử lý ảnh trong công nghiệp
Xử lý ảnh trong công nghiệp là một lĩnh vực quan trọng và đa dạng, đóng vai trò quan trọng trong nhiều khía cạnh của sản xuất và quản lý chất lượng Với sự tiến bộ trong công nghệ máy tính và trí tuệ nhân tạo, xử lý ảnh đã trở thành một công cụ quan trọng để nâng cao hiệu suất và chất lượng trong quy trình sản xuất.
Hình 1.3 Xử lý ảnh trong công nghiệp
- Máy ảnh công nghiệp là trái tim của hệ thống xử lý ảnh, với khả năng chụp hình nhanh và chính xác Hình ảnh được thu thập từ máy ảnh sau đó được truyền vào hệ thống xử lý ảnh số, nơi các thuật toán và phần mềm đặc biệt đảm bảo rằng thông tin từ hình ảnh được khai thác một cách tối ưu.
- Ứng dụng của công nghệ xử lý ảnh trong công nghiệp rất đa dạng.
Nó có thể được sử dụng để kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách so sánh hình ảnh với mẫu chuẩn hoặc phát hiện các khuyết điểm và sự bất thường trong sản phẩm Ngoài ra, công nghệ này còn giúp đo lường kích thước và hình dáng sản phẩm, đảm bảo rằng chúng đáp ứng các tiêu chuẩn cụ thể.
- Việc tự động hóa quy trình sản xuất cũng nhờ vào xử lý ảnh Hệ thống có khả năng theo dõi tốc độ, vị trí và vị trí của sản phẩm trong quy trình sản xuất, đảm bảo sự hiệu quả và đồng đều trong quy trình sản xuất Nó cũng giúp tiết kiệm thời gian và nguồn lực lao động.
- Công nghệ xử lý ảnh thời gian thực là một phần quan trọng của công nghiệp, đặc biệt trong những ứng dụng yêu cầu độ chính xác và tốc độ cao Nó giúp theo dõi và kiểm tra sản phẩm một cách tức thì, giảm nguy cơ lỗi sản xuất và tối ưu hóa quy trình.
Tóm lại, công nghệ xử lý ảnh đã đóng một vai trò quan trọng trong việc cải thiện hiệu suất và chất lượng sản xuất trong nhiều ngành công nghiệp Sự kết hợp giữa máy ảnh công nghiệp và trí tuệ nhân tạo đã mở ra nhiều cơ hội mới trong việc tự động hóa và nâng cao hiệu quả quy trình sản xuất.
Các thành phần cơ bản của hệ thống
Một hệ thống phân loại và xếp hàng tự động, bao gồm các thiết bị chính như sau:
- Băng tải đầu vào có nhiệm vụ di chuyển pallet trống hoặc thùng hàng vào vị trí chờ.
- Camera hoặc cảm biến dùng để phân loại sản phẩm.
- Cánh tay Robot thực hiện gắp thùng hàng đặt lên pallet
- Máy cấp pallet cung cấp pallet trống cho hệ thống
- Máy quấn màng có nhiệm vụ đóng gói pallet bằng màng bọc, giúp cho việc cố định hàng hóa và dễ kiểm soát
- Máy dán barcode có nhiệm vụ dán nhãn mác cho pallet kiện hàng
- Băng tải đầu ra thực hiện di chuyển pallet kiện hàng đã được xếp xong
- Hệ thống điện cung cấp điện cho các thiết bị và điều khiển phối hợp làm việc giữa các thiết bị trong hệ thống
- Thiết bị an toàn là các rào chắn, các cảm biến cảnh báo bên ngoài nhằm giúp cảnh báo khu vực nguy hiểm, nơi hệ thống đang hoạt động.
Hình 1.4 Cụm robot xếp hàng tự động
Các thành phần trong một cụm Robot xếp hàng tự động:
(1) Băng tải đầu vào; (2) Cánh tay Robot; (3) Máy cấp pallet;
(4) Máy quấn màng; (5) Máy dán nhãn; (6) Băng tải đầu ra;
(7) Hệ thống điện; (8) Hàng rào an toàn
✓ Ưu điểm của việc sử dụng cánh tay robot:
- Tiết kiệm thời gian và nhân lực
- Chi phí vận hành cao
- Cần người công nhân có kiến thức để vận hành.
Các ứng dụng
Hệ thống robot xếp hàng lên pallet được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực như: Logistics, sản xuất ô tô, dược phẩm, thực phẩm - đồ uống, sản xuất hàng tiêu dùng… Giúp cải thiện năng suất, giảm lỗi quá trình xếp hàng và đang dần thay thế con người trong các môi trường làm việc khó khăn nguy hiểm Một vài ứng dụng có thể kể đến như:
- Trong các nhà máy sản xuất hệ thống bốc xếp hàng tự động được dùng cho quá trình đóng gói và xếp hàng của sản phẩm giúp tăng năng suất và tối ưu không gian chứa của pallet.
- Trong ngành thực phẩm và sản xuất đóng gói hệ thống giúp sắp xếp các đơn vị sản phẩm như hộp carton, chai, lon và thùng hàng lên pallet một cách nhanh chóng và hiệu quả.
- Trong quá trình vận chuyển và lưu trữ hàng hóa sử dụng hệ thống bốc xếp hàng tự động để tối ưu hóa không gian và giảm chi phí vận chuyển bằng cách xếp hàng vào pallet một cách hợp lý nhất.
- Trong ngành công nghiệp xây dựng, hệ thống bốc xếp hàng sử dụng để xếp các vật liệu xây dựng như gạch, ngói, cát, và xi măng lên pallet một cách nhanh chóng và đồng nhất.
Nội dung đề tài
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, nhóm chúng em thực hiện nghiên cứu, thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống xếp hàng lên giá đỡ có sử dụng cánh tay robot
Về thiết kế phần cứng - thiết kế hệ thống cơ khí bao gồm:
- Băng tải - Pallet xếp hàng - Camera phân loại sản phẩm - Cánh tay robot 4 bậc tự do Về thiết kế chương trình điều khiển:
- Lập trình điều khiển hệ thống bằng PLC Siemen s7-1214DC/DC/DC thông qua các phần mềm Tia portal v16, Win CC
- Lập trình điều khiển cho cánh tay robot 4 bậc tự do bằng PLC Siemen s7- 1214DC/DC/DC
- Nghiên cứu cách thức kết nối giữa các phần tử của hệ thống, giao tiếp camera, PLC và PC
Qua đồ án này, chúng em mong muốn nghiên cứu và phát triển hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng Chúng em hy vọng đồ án này mang lại những kết quả hữu ích, đóng góp phần nào vào quá trình phát triển của việc tự động trong sản xuất.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Yêu cầu của hệ thống
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài này, chúng em thực hiện nghiên cứu, thiết kế một mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dáng với cánh tay robot ứng dụng xử lý ảnh.
Về thiết kế hệ thống cơ khí trong công nghiệp bao gồm:
- Băng tải vận chuyển 2 loại sản phẩm với kích thước:
Trọng lượng phôi Kích thước hình học phôi (cm)
Bảng 2.1 Kích thước sản phẩm
- Webcam - Cánh tay robot 4 bậc tự do xếp sản phẩm vào pallet
Hình 2.5 Pallet xếp sản phẩm trong công nghiệp
Bảng 2.2 Kích thước pallet trong công nghiệp
Về thiết kế hệ thống cơ khí trong mô hình bao gồm:
- Băng tải vận chuyển 2 loại sản phẩm với kích thước:
Trọng lượng phôi Kích thước hình học phôi (cm)
Bảng 2.3 Kích thước sản phẩm trong mô hình
- Camera điện thoại - Cánh tay robot 4 bậc tự do xếp sản phẩm vào pallet
Hình 2.6 Kích thước pallet trong mô hình
Về thiết kế chương trình điều khiển:
- Lập trình điều khiển cho Cánh tay robot bằng ngôn ngữ lập trình ladder diagram qua phần mềm Tia portal v16.
- Lập trình điều khiển hệ thống bằng PLC Siemen s7-1214DC/DC/DC thông qua các phần mềm Tia portal v16
- Nghiên cứu, tìm hiểu cách thức giao tiếp, kết nối giữa Robot, PLC, camera, … và các phần tử khác của hệ thống.
2.1.2 Nguyên lý làm việc chung của hệ thống
Các bước hoạt động của hệ thống được tóm tắt như sau:
- Các sản phẩm sau khi đóng gói sẽ được các băng tải vận chuyển đến vị trí chờ gắp, là nơi mà Robot có thể tự động gắp được hàng Vị trí chờ gắp được tính toán thiết kế sao cho thuận tiện nhất cho việc gắp của robot
- Các pallet xếp hàng xe được xếp chồng thành khối, xe nâng vận chuyển các khối này nạp vào máy cấp pallet tự động Hệ thống máy cấp pallet tự động có nhiệm vụ cấp lần lượt từng pallet lên băng tải và di chuyển các pallet trống tới vị trí chờ để robot xếp thùng hàng
- Công đoạn tiếp theo, Robot gắp sản phẩm và đặt lên pallet ở vị trí đang chờ Robot thực hiện công đoạn này một các liên tục và tuần tự theo chu trình đã lập trình sẵn từ trước Tùy theo loại sản phẩm khác nhau của các dây chuyền đầu vào mà robot thực hiện hành động xếp thùng hàng lên pallet theo quy cách có sẵn
- Khi robot đã xếp đủ số thùng hàng trên pallet, băng tải di chuyển pallet kiện hàng này đến vị trí máy quấn màng tự động Máy quấn màng sẽ làm nhiệm vụ quấn một số lớp màng nilong lên kiện hàng, việc này đảm bảo kiện hàng hạn chế xô lệch trong quá trình vận chuyển sau đó
- Cuối cùng pallet kiện hàng sẽ được băng tải vận chuyển tới vị trí dán mã bởi máy dán barcode và chờ để xe nâng tới lấy ra ngoài
Bản vẽ xây dựng toàn bộ hệ thống:
Hình 2.7 Bản vẽ xây dựng toàn bộ hệ thống
1 Băng tải dây đai 6 Khay đựng Pallet
4 Bao gạo lớn 9 Lưới bao vệ
5 Băng tải con lăn 10 Tủ điều khiển
Bảng 2.4 Bảng đánh số chi tiết hệ thống
Tính toán thiết kế cánh tay robot 4 bậc tự do
2.2.1 Thiết lập sơ đồ cấu trúc động Áp dụng phương pháp đặt hệ tọa độ Denavit-Hartenberg:
Quay hệ (i-1) quanh trục zi-1 góc θi để trục xi-1 trở thành xi’ song song với xi.
Tịnh tiến dọc trục zi-1 đoạn di để xi’ về trùng với xi.
Tịnh tiến dọc trục xi đoạn ai để gốc Oi’về trùng với Oi.
Quay quanh trục xi góc αi để zi-1’về trùng với trục zi. Từ đó có thể vẽ sơ đồ động học của robot với cách đặt các hệ tọa độ như sau:
Hình 2.8 Sơ đồ động học robot
- Từ bảng D-H, ta tính được ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất giữa các khâu tương ứng từ công thức tổng quát: i-1Ai¿[ cos sin(θ 0 0 (θ i i ) ) −sin cos ( sin( (θ θ i ) i 0 )cos cos α i ) (α (α i ) −cos i ) sin cos( ( θ ( θ i ) 0 i sin( ) sin( α i ) α α i ) i ) a a i i cos sin d 0 i (θ (θ i i ) ) ]
- Ta thu được các ma trận biến đổi:
A 2 1 (θ 2 )= [ cos sin 0 0 ( ( θ θ 2 2 ) ) −sin cos 0 0 ( θ ( θ 2 2 ) ) 0 0 1 0 l l 2 2 cos( sin 0 1 (θ θ 2 2 ) ) ]
A 3 2 (θ 3 )= [ cos sin 0 0 ( ( θ θ 3 3 ) ) −sin cos 0 0 ( θ ( θ 3 3 ) ) 0 0 1 0 l l 3 3 cos sin 0 1 (θ (θ 3 3 ) ) ]
A 3 3 ' (θ 3 )= [ cos sin ( ( θ θ 0 0 2 2 −θ −θ 3 3 ) ) −sin cos ( θ ( θ 0 0 2 2 −θ −θ 3 3 ) ) 0 0 1 0 d d 2 2 cos sin ( (θ 0 1 θ 2 2 −θ −θ 3 3 ) ) ]
- Thực hiện phép nhân ma trận cho phương trình động học thuận ta thu được ma trận tổng hợp:
Hình 2.9 Hình chiếu của robot lên mặt phẳng tay máy
- Từ ma trận tổng hợp ta có tọa độ khâu cuối: d D = [ x y z D D D ] = [ cθ sθ 1 1 d ∗ ∗ 1 ( ( +l l l 2 2 ∗cθ ∗cθ 2 ∗sθ 2 2 +l +l 2 + 3 3 ∗cθ ∗cθ l 3 ∗sθ 23 23 +d +d 23 2 2 ) ) ] với θ 23 = θ 2 - θ 3
- Khi đã biết được tọa độ điểm D (xD, yD, zD), ta tính được biến khớp đầu tiên θ 1 = atan2( y D , x D ) - Xét trong mặt phẳng z0O0x1 ’: r 2 = x D 2 + y 2 D
• Áp dụng định lý hàm cosin cho tam giác O1O2O3 ta có:
- Tính góc khớp θ 2 α = ∠ BO1O3 = atan2( z D −d 1 ,r−d 2 ) β = ∠ O2O1O3: sin β = l 3 sin( θ 3 )/(O1O3), cos β = ( l 2 +l 3 cos ( θ 3 )/(O1O3) β = atan2(sin β , cos β )
Các thông số động lực học:
- Tọa độ khối tâm các khâu trong hệ trục tọa độ khâu (Oxyz) (sử dụng tọa độ thuần nhất): u ^ C (1) 1 = [ 0 0 d 1 −l C 1 1 ] T , u ^ C (2) 2 = [ −(l 2 −l C 2 ) 0 0 1 ] T u ^ C (3) 3 = [ −(l 3 −l C 3 ) 0 0 1 ] T , u ^ C (4) 4 = [ 0 0 −l C 4 1 ] T
- Ma trận mômen quán tính khối đối với hệ trục (Cxyz)i [tịnh tiến hệ (Oxyz)i về khối tâm của khâu]:
I (k) Ck = diag([Ikx, Iky, Ikz]), k = 1,2,3,4 - Vecto gia tốc trọng trường trong hệ cố định: g (0) = [0, 0, -g] T
Tính tọa độ khối tâm các khâu trong hệ cố định theo công thức r ^ Ck (0)= T ^ (0) k u ^ Ck (k), ta được: r C ( 0 1 ) = [ l 0 0 C1 ] , r C ( 0 2 ) = [ l l d C C 1 2 2 +l c θ cθ C 2 2 2 cθ sθ sθ 1 1 2 ] , r C (0) 3 = [ ( l¿¿2 c θ 2 + l C 3 c θ 23 ) c θ 1 ¿(l ¿¿ 2 cθ 2 + l C3 c θ 23 )sθ 1 ¿ d 1 + l 2 sθ 2 +l C 3 sθ 23 ] , r C (0) 4 [ ( l¿¿2 c θ 2 +l C 3 c θ 23 + d 2 ) cθ 1 ¿ (l ¿¿ 2c θ 2 +l C 3 cθ 23 + d 2 ) sθ 1 ¿ d 1 +l 2 sθ 2 +l C 3 s θ 23 ]
Tính các ma trận Jacobi tịnh tiến theo công thức JTk = ∂ r Ck ( 0 )
Ma trận cosin chỉ hướng các khâu so với hệ cố định:
R 2 0 = [ cos sin ( ( sin θ θ 1 1 ) ) cos ( cos θ 2 ) ( ( θ θ 2 2 ) ) − sin sin ( cos θ ( θ 2 ) 1 cos ( ) θ sin 2 ) ( θ ( θ 1 2 ) ) − sin cos 0 ( θ ( θ 1 ) 1 ) ] ,
R 3 0 = [ cos sin ( ( sin θ θ 1 1 ) ) cos ( cos θ 23 ( ) ( θ θ 23 23 ) ) −sin sin ( cos θ ( θ 23 1 ) ( ) cos θ sin 23 ) ( ( θ θ 1 23 ) ) −cos sin 0 ( θ ( θ 1 ) 1 ) ] ,
Từ các ma trận cosin chỉ hướng ta tìm được các ma trận Jacobi quay
J R1 = [ 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 ] , J R2 = [ 0 0 1 − sin cos 0 ( θ ( θ 1 ) 1 ) 0 0 0 0 0 0 ], J R3 = [ 0 0 1 − sin cos 0 ( θ ( θ 1 ) 1 ) −cos sin ( 0 θ 1 ( θ ) 0 0 1 ) 0 0 ],
J R4 = [ 0 0 1 −cos sin 0 ( θ ( θ 1 ) 1 ) −cos sin 0 ( θ ( θ 1 ) 1 ) −1 0 0 ] Áp dụng công thức ta tính được ma trận khối lượng như sau:
M(q) = ∑ k =1 4 (m k J Tk T J Tk +J Rk T R k 0 I Ck (k) J Rk )
= [ − m 0 0 I 11 4 z − m m 0 I 22 32 4z m m 0 0 23 33 − − I 0 I I 4 4 4 z z z ] với: m 11= I1y + 1 2 (I2x+ I2y+ I3x+ I3y) + 1 2 (m2 l C 2 2 + m3 l 2 2 + ¿ m3 l C 2 3 ) + m3l2lC3cos( θ 3) + 1 2 (I2y- I2x+ m2 l C 2 2+ m3 l 2 2) cos( 2 θ 2 ¿ + m3l2lC3cos( 2 θ 2 +θ 3 ) m 22= I2z + I3z + m2 l C 2 2 + m3( l 2 2
Véc tơ lực suy rộng do trọng lực được tính theo công thức: g(q) = [ m 2 gl C 2 cos ( θ 2 m ) +m 3 gl 3 C3 g [l cos 0 2 cos (θ 2 ( θ + 2 θ ) + 3 ) l 3 cos ( θ 2 + θ 3 ) ] ]
Sử dụng công thức Christoffel, ta tính được các ma trận Coriolis và ly tâm như sau:
C(q, q ˙) = [ c c c 0 11 21 31 c c c 0 12 22 32 c c 0 0 0 0 13 23 0 0 ] , với: c 11 = 1 2 (I2x −¿ I2y −¿ m2 l C 2 2 – m3 l 2 2) θ ˙ 2sin(2 θ 2) −¿ 1 2 m2m3 l 2 2 l C 2 3 c 12 = 1 2 (I2x −¿ I2y −¿ m2 l C2 2 – m3 l 2 2 ) θ ˙ 1sin(2 θ 2 +θ 3 ) + m3 l 2 2 sin(2 θ 2 +θ 3 ) c 21 = 1 2 (I2x −¿ I2y −¿ m2 l C 2 2 – m3 l 2 2 ) θ ˙ 1sin(2 θ 2 + θ 3 ) + m3 l 2 2 sin(2 θ 2 +θ 3 ) c 22 = m3 l 2 2 l C 2 3 θ ˙ 2 sin( θ 3) c 11 = 1 2 (I2x −¿ I2y −¿ m2 l C 2 2 – m3 l 2 2) θ ˙ 2sin(2 θ 2) −¿ 1
Vecto lực do các động cơ điều khiển: u = [ u 1 ,u 2 , u 3 ,u 4 ] T
Như vậy, ta đã xác định được các ma trận trong phương trình động lực cho tay máy:
M(q) q ¨ + C(q, q ˙ ) q ˙ + g(q) = u Từ phương trình động lực ta sẽ tính toán được các lực và momen cần thiết để thực hiện các chuyển động của các khớp theo yêu cầu mong muốn được đặt ra.
Ta sử dụng phương pháp này nhằm xác định phản lực và momen tại các khớp một cách tuần tự từ khâu tác động cuối về đến khâu cố định Ta có phương trình sau:
Với r i là vecto có gốc o i−1 nối với o i được xác định theo phương pháp D-H. r i = [ a i d i sin α i d i cos α i ] T
Và với r Pi là véctơ tọa độ trọng tâm của khâu i trên hệ quy chiếu gốc o i
Với 0 r i và 0 r Pi là véc tơ định vị của khớp i và véc tơ định vị trọng tâm khâu i tính theo hệ quy chiếu cố định Và 0 r i , 0 r Pi được tính theo công thức
Với R là ma trận quay biến đổi từ hệ tọa độ 0 đến hệ tọa độ thứ i được lấy từ ma trân C của bài toán động học
Như vậy hệ (2.0) được viết lần lượt cho từng khâu, từng khớp bắt đầu từ khâu thao tác tới khâu cố định ta sẽ xác định được các phản lực là các lực và momen tại các khớp của robot như sau :
Tính lực momen tại khớp 4 :
Hệ phương trình cận bằng tại khớp 4 :
Tính lực và momen tại khớp 3 :
Hệ phương trình cận bằng tại khớp 3:
Tính lực và momen tại khớp 2 :
Hệ phương trình cận bằng tại khớp 2:
Tính lực và momen tại khớp 1 : Ta có:
Hệ phương trình cận bằng tại khớp 1:
2.2.6 Thiết kế hệ dẫn động cho ROBOT
Xây dựng robot trong công nghiệp
Hình 2.10 Hình ảnh robot trong công nghiệp
Bảng 2.6 Vùng làm việc robot
Với vùng làm việc của từng khâu ta tính được vùng làm việc của robot như sau:
Với các thông số sau:
Khối lượng các khâu: m1#0 kg; m20 kg; m30kg; m4= 60kg
Ngoại lực tác dụng lên khâu cuối:
Fx = 100 N; Fy= 0; Fz = 100 N; Mx= 50 Nm; My= 0; Mz= 50Nm Đối tượng công nghệ: Phân loại hàng hóa có kích thước khác nhau có trọng lượng tối đa là 10kg.
Từ đó thay vào phương trình động lực học (2.1) ;(2.2) ;(2.3) và (2.4) ta thu được momen tối thiểu để quay khâu là:
Từ phương trình động lực học ta tính được tốc độ quay đầu ra lớn nhất của từng khớp là:
Hình 2.7 Vùng làm việc của robotHình 2.11 Vùng làm việc của robot
Ta tính được công của động cơ như sau:
Như vậy ta cần chọn động cơ có v dc >1700 ( vòng phút ) và P dc >982(W )
Ta chọn động cơ servo HG-SN102(B)J của hãng Mitsubishi có thông số tương ứng như sau: P dc = 1 (kW); M max = 14,3 (Nm); V dc max = 3000 (vòng/phút)
Xây dựng robot trong mô hình
Trong mô hình xây dựng, do hạn chế về kinh tế và kỹ thuật, nhóm em thu nhỏ robot với tỉ lệ kích thước xấp xỉ 1/10 so với mô hình thực tế:
Hình 2.8 Thông số của động cơ HG-SN102(B)JHình 2.12 Thông số của động cơ HG-SN102(B)J
Hình 2.13 Hình ảnh robot sử dụng trong mô hình
Với các thông số như sau:
Khối lượng các khâu: m1= 1.2 kg; m2= 0.4 kg; m3= 0.26 kg; m4= 0.15 kg
Ngoại lực tác dụng lên khâu cuối:
Fx = 1 N; Fy= 0; Fz = 1 N; Mx= 1,5 Nm; My= 0; Mz= 1,5 Nm Đối tượng công nghệ: Phân loại các khối hộp có kích thước khác nhau và có trọng lượng tối đa là 100 g.
Từ đó thay vào phương trình động lực học (2.1) ;(2.2) ;(2.3) và (2.4) ta thu được momen tối thiểu để quay từng khâu là:
Từ các thông số về momen xoắn cần thiết để từng khâu quay bình thường ta tiến hành chọn động cơ tương ứng cho khâu 1, khâu 2 và khâu 3 là: Động cơ Nema 17 có M max @0 Nmm
Hình 2.14 Thông số động cơ Nema 17
Từ momen xoắn tối thiểu cần thiết để khâu 4 hoạt động bình thường tính được ở trên ta chọn động cơ cho khâu 4 là: Động cơ Servo motor SG90 có M max =2.5 Nmm
Hình 2.15 Thông số động cơ servo motor SG90
Tính chọn bộ truyền đai
Trong đó c là hệ số an toàn: c=c h + c s +c i
Hệ số công việc với tải trọng trung bình, môi trường làm việc sạch c h =1,2
Hệ số phục vụ với thời gian làm việc 3-8h/ngày c s =0
Hệ số tải với momen mở máy trung bình: c i =0.1
Căn cứ vào công suất và vận tốc của từng khâu ta chọn loại đai T5 với bước đai là 3mm
Chọn số răng ở bánh đai nhỏ là t 3
Chọn số răng ở bánh đai lớn là t dc3 v (pulleys nhỏ ở trục động cơ, pulleys to ở khớp 2)
Khoảng cách giữa 2 trục ta chọn là CC = 57 (mm)
Chiều dài sơ bộ của đai: l 3 =2 CC + p
Chọn chiều dài đai là 240 (mm)
Số răng đai là: 240/4 = 60 răng
Chiều rộng đai là: b≥ P mech t dc 3 t e3 P spez = 5,67mm
Vì bộ truyền đai khâu 1, khâu 2 và khâu 3 được thiết kế để có cùng tỉ số truyền và cùng khoảng cách trục nên ta sẽ chọn cùng 1 loại dây đai cho cả 3 bộ truyền đai trên
2.7 Thông số của các loại đai
Chọn dây đai HTD 3M có chiều rộng 6mm
Tính toán các thành phần cơ khí
a) Băng tải trong thực tế
Trọng lượng phôi Kích thước hình học phôi (cm)
Bảng 2.8 Kích thước sản phẩm trong thực tế
Hình 2.16 Khoảng cách sản phẩm trên băng tải
- n là số sản phẩm nằm trên băng tải tại một thời điểm (1 < n < ) d là chiều dài sản phẩm (d = 50cm)
- v là vận tốc băng tải (cm/s) - t là thời gian 1 sản phẩm chạy hết trên băng tải (s) - x là khoảng cách giữa các mép phôi (cm)
Thì L phụ thuộc vào n theo phương trình sau:
L= n.d +(n−1 ).x Chọn x= 50 (cm), n= 5 ta có: L= 5.50+(5-1).50= 450 (cm) Chọn băng tải có chiều dài: LP0 (cm)=5 ¿ , chiều rộng: W = 50cm Vận tốc của băng tải: v là vận tốc băng tải (cm/s)
Thời gian sản phẩm chuyển động được quãng đường y phải lớn hơn thời gian robot thao tác (10s)
Ta có bất phương trình: v x ≥10 (s) → v ≤ 5 (cm/s) Chọn v = 5 (cm/s)
Theo yêu cầu của đầu bài ta chọn loại băng tải PVC có chiều dày băng H= 3 (mm)
Với các thông số kỹ thuật của băng:
- Ứng suất lớn nhất cho phép của băng tải là: σ a=8 (N/mm 2 ) - Khối lượng băng/m 2 là: mB=2,5 (kg/m 2 )
Chọn khung băng tải phù hợp:
Vật liệu Thép CT45 Inox Nhôm định hình Ưu điểm Có độ dẻo và định hình tốt Dễ hàn, gia công cắt Giá thành thấp
Khả năng chống ăn mòn
Chịu nhiệt tốt Gia công, tạo hình
Chịu lực tốt Độ thẩm mĩ cao Trọng lượng nhẹ
Nhược điểm Độ cứng và độ bền kém hơn so với các loại khác
Giá thành cao Cần bảo dưỡng, thay thế Giá thành cao
Bảng 2.9 So sánh kết cấu khung sườn
Qua so sánh trên, với yêu cầu kĩ thuật từ đầu bài ta chọn khung sườn cho băng tải là: Thép CT45 và Nhôm định hình
Chọn các kích thước của băng tải:
• Chiều dài LP00 (mm), chiều rộng WP0(mm), chiều dày H= 3(mm).
• Số sản phẩm tối đa trên băng tải tại thời điểm tức thời là: n = 5
• Khoảng cách giữa các sản phẩm x = 50 (cm)
• Thời gian một sản phẩm đi hết băng tải t = 100 (s)
• Vận tốc băng tải v = 5 (cm/s) b) Băng tải trong mô hình
Trọng lượng phôi Kích thước hình học phôi (mm)
Chiều dài L của băng tải phụ thuộc vào n theo phương trình sau:
L= n.d +(n−1 ).x Chọn x = 100 (mm), n = 3 ta có: L= 3.52+(3-1).100= 356 (mm) Chọn băng tải có chiều dài: LP0 (mm)=0,5 ¿ , chiều rộng: W = 50mm Vận tốc của băng tải: v là vận tốc băng tải (cm/s)
Thời gian sản phẩm chuyển động được quãng đường y phải lớn hơn thời gian robot thao tác (10s)
Ta có bất phương trình: v x ≥10 (s) → v ≤ 10 (mm/s) Chọn v = 10 (mm/s) Sử dụng băng tải PVC độ dày 2mm, chiều dài 500mm, chiều rộng 50mm
Hình 2.17 Băng tải trong mô hình xây dựng
Tính lực kéo băng tải:
Phân tích lực tác dụng trên băng tải:
• Lực căng băng ban đầu.
• Lực ma sát giữa dây băng và bề mặt tấm đỡ, con lăn, do khối lượng phôi và dây băng
Trong hệ thống băng tải, dây băng được uốn vòng qua các puly dẫn động, bị động; phần giữa 2 puly này băng được dẫn hướng và đỡ bởi các các con lăn và tấm trượt tùy thuộc vào kết cấu và loại dây Lực cản chuyển động băng khác nhau tại mỗi đoạn đặc trưng, trên mỗi đoạn này có cùng tính chất lực cản.
Hình 2.18 Lực trên băng tải
Lực căng dây tại mỗi điểm đặc trưng (i) sẽ bằng lực căng tại điểm ngay trước nó (i-1) cộng với lực cản chuyển động của dây trên đoạn từ (i-1) đến i.
Trên sơ đồ lực như Hình 1.18 ta có lực căng băng tại các điểm đặc trưng S ( i=0 ÷ 3) với S0 là lực căng tại nhánh nhả ở tang dẫn.
Các lực cản chuyển động của băng:
- W 0/1: Lực cản trên đoạn nằm ngang từ điểm 0 đến 1.
Trong đó: q 0 là trọng lượng 1 m dài (tính theo khả năng chịu tải)
L : là chiều dài băng w : là hệ số cản riêng của hệ thống đỡ dây w=0,2 ÷ 0,4, chọn w =0,4 Với khối lượng băng/m 2 là: mB =2,5 (kg/m 2 ) Khi đó: W 0 /1 =2,5.9,81.5.0,5 0,4 $,525( N )
- W 1 /2: Lực cản trên đoạn uốn cong qua tang bị động từ điểm 1 đến 2.
Trong đó: ξ là hệ số cản trên tang đổi hướng, phụ thuộc góc đổi hướng ξ = 0,03 – 0,06 Chọn ξ= 0,06 ta có:
W 1/2=ξ S 1=0,06.(S 0+W 0/ 1) - W 2 /3: Lực cản trên đoạn nằm ngang có tải từ điểm 2 đến 3.
W 2 /3 =( q o L+Q t ) w Trong đó: q o là trọng lượng 1 m dài băng
Q t : là tổng trọng lượng lớn nhất đặt trên băng tải
Lực kéo băng là lực được truyền từ tang dẫn sang băng:
Như vậy muốn tìm F ta cần tìm 𝑆0. Để xác định 𝑆0 ta dựa vào điều kiện đủ lực ma sát để truyền lực ở tang dẫn động:
S 3 ≤ F e f α e f α −1 Trong đó: α là góc ôm của băng trên tan(α = π ) f: hệ số ma sát giữa băng với tang, f= 0,2 ~ 0,4 chọn f =0,4
Thông thường lấy giá trị S 0theo kinh nghiệm, tính và kiểm tra lại các điều kiện trên; nếu chưa đạt thì chọn lại S 0 và tính lại vòng 2,
Chọn S0= 100 (N) => Lực căng tại điểm 3 là: S354,965 (N) Lực kéo băng tải là: F = 254,965 ≈ 255 (N)
Công suất yêu cầu trên trục tang là:
Momen yêu cầu trên trục tang: Theo băng tải yêu cầu, góc ôm pulley nhỏ nhất là 50mm, nên ta chọn đường kính tang tải là D = 100 (mm)
Momen lực yêu cầu trên trục tang tải:
2.3.2 Tính chọn động cơ a) Động cơ trong thực tế Để chọn được động cơ, chúng ta cần biết hai thông tin:
- Công suất cần thiết trên trục động cơ P ct
- Số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ n sb
Hai thông tin này được tính toán từ dữ liệu đầu vào Cụ thể là từ vận tốc v của bảng tải và lực kéo của băng tải F
Hình 2.19 Hệ dẫn động băng tải
Công suất cần thiết trên trục động cơ P ct được xác định theo công thức sau:
𝑃ct Trong đó: P lv là công suất của bộ truyền η là hiệu suất của cả bộ truyền (bao gồm hiệu suất của ổ lăn, hiệu suất của bộ truyền bánh răng, bộ truyền trục vít-bánh vít, bộ truyền đai, bộ truyền xích ….)
P lv = F.v = 255.0,05 = 12,75 (W) Với η=η k η ol 4 η br 2 η x : Các giá trị hiệu suất này được tra trong bảng 2.3 [1]:
Từ các thông số trên, tính được hiệu suất của bộ truyền là: η=η ol 4 η br 2 η x η k =0,99 4 0,9 7 2 0,93 0,99= 0,83
Trong đó: η k : Hiệu suất khớp nối ( η k =0,99) n ol : Hiệu suất mỗi cặp ổ lăn ( n ol =0,99) η br : Hiệu suất bộ truyền bánh răng trụ ( η br =0,97) η x : Hiệu suất bộ truyền xích ( η x =0,93)
Công suất cần thiết trên trục động cơ: P ct = P lv η = 12,75 0,83 ,36( W ) Số vòng quay sơ bộ nsb trên trục động cơ được tính từ số vòng quay trên trục công tác (trục làm việc) n lv của băng tải (hoặc xích tải) Số vòng quay sơ bộ được xác định bởi công thức: n sb =n lv u c
- Với nlv là số vòng quay trên trục công tác (trục làm việc) của băng tải Số vòng quay này được tính qua trục tang của băng tải bằng công thức: n lv = 60 v π D = 60.0,05 π 0,1 =9,55( v / p )
Tỉ số bộ truyền chung của hệ: u c =u br u x Trong đó: Uc: là tỉ số truyền chung của bộ truyền
Ubr: là tỉ số truyền bộ truyền bánh răng Ux: là tỉ số truyền bộ truyền xích
Ta chọn sơ bộ tỉ số truyền như sau: u c =u br u x 0.40
Trong đó: ubr: Tỷ số truyền hộp giảm tốc 2 cấp bánh răng trụ, chọn ubr = 30 ux: Tỷ số truyền của bộ truyền xích, chọn ux= 4
Thay số vào, ta được số vòng quay sơ bộ nsb trên trục động cơ: n sb =n lv u c = 9,55.12046( v / p )
Dựa vào các thông số trên, chọn động cơ SPG 40W S9I40GXH-V12CE và hộp giảm tốc SPG S9KB30BH
Hình 2.20 Động cơ S9I40GXH-V12CE Hình 2.21 Hộp giảm tốc S9KB30BH
Dải điều chỉnh tốc độ : 90-1200 rpm
Lắp được với các đầu giảm tốc
Dạng trục: trục chìa khóa (trục H)
Lắp ghép đầu trục: Trục có then từ 1/3 đến 1/180 có mã : S9KB◊BH (◊ là giá trị tỉ số truyền)
Momen mở máy : M mm = 170 Nmm
Mô men xoắn trên trục động cơ:
Mô men xoắn trên trục công tác:
Tct = 9,55.10 n 6 P lv lv = 9,55.10 6 9,55 12,75 ×10 −3 = 12750 (N.mm) b) Động cơ trong mô hình
Trong mô hình xây dựng, do hạn chế về kinh tế và kỹ thuật, nhóm em chọn sử dụng động cơ XGB 385SAP 24V với tốc độ 10v/1ph đủ để đáp ứng yêu cầu của mô hình.
Hình 2.22 Động cơ trong mô hình xây dựng
Nguồn điện cung cấp 24VDC
Bảng 2.11 Thông số động cơ XGB 385SAP
2.3.3 Tính toán bộ truyền ngoài Để đơn giản, hộp giảm tốc thường tích hợp cùng động cơ, do đó bộ truyền ngoài nên chỉ dùng bộ truyền xích, không nên dùng bộ truyền đai Dữ liệu ban đầu để tính toán bộ truyền xích bao gồm:
Số vòng quay đĩa xích chủ động: n1 = = 1200 30 = 40 v/ph, nlv = 9,55 v/ph
Tỉ số truyền của bộ truyền xích là: ux = = 9,55 40 = 4,2
Chọn số răng đĩa xích
Công suất truyền P16,15(W), số vòng quay đĩa xích chủ động n1= 40 v/ph, tỉ số truyền ux=4,1 và β 0 0 Các bước tính toán chọn bộ truyền xích như sau:
Các bước tính toán chọn bộ truyền xích như sau:
- Chọn loại xích: xích ống con lăn - Dựa vào tỉ số truyền, chọn số răng của bánh chủ động z1
- Số răng đĩa lớn được tính qua tỉ số truyền.
Vì tải trọng nhỏ, vận tốc thấp ta chọn loại xích ống con lăn Chọn số răng đĩa xích theo công thức:
Tỉ số truyền thực tế: u t = Z 2
Z 1 = 89 21 =4,2 Sai lệch tỉ số truyền: Δu= | u t −u u | 100 %= | 4,23−4,2 4,2 | 100 %=0,71 %< 4 % => Thỏa mãn
Xác định bước xích Để đảm bảo chỉ tiêu về độ bền mòn của bộ truyền xích, công suất tính toán phải thoả mãn điều kiện:
Trong đó: Pt, P1, [P] lần lượt là công suất tính toán, công suất cần truyền và công suất cho phép kW kz là hệ số dạng răng k là hệ số kể đến điều kiện của bộ truyền xích tính từ các hệ số thành phần và được tra trong bảng kn là hệ số vòng quay tra trong bảng 5.5 [1].
Chọn bộ truyền thí nghiệm là bộ truyền xích tiêu chuẩn, có số răng và vận tốc vòng đĩa xích nhỏ là: Z 01 = 25 ,n 01 P( v / p )
Do vậy ta có thể tính:
Kz: hệ số dạng răng và được tính theo công thức: k z = Z 01
Kn: là hệ số vòng quay ta thu được là: k n = n 01 n 1 = 50 40 =1,25 Khi đó: k =k 0 k a k dc k bt k d k c tra bảng ta có: k0: hệ số ảnh hưởng của vị trí bộ truyền Chọn β = 30 ° , ta được k0 = 1 ka: hệ số ảnh hưởng của khoảng cách trục và chiều dài xích.
Chọn a = (30 ÷ 50).p ⇒ ka = 1 kđc: hệ số ảnh hưởng của việc điều chỉnh lực căng xích.
Có con lăn căng xích ⇒ kđc = 1,1 kbt: hệ số ảnh hưởng của bôi trơn.
Chọn điều kiện có bụi, bôi trơn không đủ ⇒ kbt = 1,8 kđ: hệ số tải trọng động.
Tải trọng va đập ⇒ kđ = 1,2 kc: hệ số kể đến chế độ làm việc của bộ truyền.
Chọn số ca làm việc là 2 ⇒ kc = 1,25
⇒ k = k0.ka.kđc.kbt.kđ.kc = 1.1.1,1.1,8.1,2.1,25 = 2,97 Vậy ta có: Pt = P1.k.kz.kn = 36,15.2,97.1,19.1,25 = 159,71 (W) = 0,16 (kW)
Tra bảng với điều kiện Pt = 0,16(kW) ≤ [P] = 0,19 (kW), tra theo cột n 01P vg/ph (chọn số vòng quay đĩa nhỏ n 01 thí nghiệm này vì nó gần số vòng quay của bộ truyền xích, n1 = 50 vg/ph) Ta chọn được bước xích t = 12,7 mm
Như vậy số liệu bộ truyền xích được tổng hợp sau đây:
- Bước xích: t = 12,7 mm - Đường kính chốt: dc = 3,66 mm - Chiều dài ống: B = 5,8 mm - Công suất cho phép: [P] = 0,19 (kW) = 190 (W)
Xác định khoảng cách trục Chọn sơ bộ: a@ t @.12,7P8( mm ) Số mắt xích: x= 2 a t + Z 1 + Z 2
4 π 2 508 7,9 Chọn số mắt xích chẵn là x = 138.
Tính lại khoảng cách trục a : a∗¿ t
12,7 [ 21+ 89 √ ( 21 +89 ) 2 ( 89−21 ) 2 ] a∗¿ 508,47 ( mm ) Để xích không quá căng thì cần giảm a một lượng: Δa =0,003 a∗¿ 0,003.508,47=1,53( mm ) Do đó: a=a∗−ΔaP8,47−1,53P6,94( mm ) => Chọn a = 507 (mm) Số lần va đập của xích ống:
Tra bảng với loại xích ống con lăn, bước xích t ,7( mm ) → Số lần va đập cho phép của xích là [ i ]` i= Z 1 n 1
Kiểm nghiệm xích về độ bền: S= k Q d F t + F o + F v ≥ [ S ] Trong đó: Q là tải trọng phá hỏng, tra bảng với t ,7 ( mm ) Ta được Q200( N ), khối lượng 1m xích là q=0,65( kg ) k d là hệ số tải trọng động: k d =1,2 v= Z 1 t n 1
F t là lực vòng tác dụng lên bộ truyền xích:
F v là lực căng do lực li tâm sinh ra: F v =q v 2 =0,65.0,17 8 2 =0,021( N )
F o là lực căng do trọng lượng nhánh xích bị động xinh ra:
Trong đó: k f là hệ số phụ thuộc độ võng f của xích và vị trí bộ truyền: do β ≤ 40 ∘ →k f = 4
Với [ s ] là hệ số an toàn cho phép: Tra bảng với t ,7 và n@( v / p ) → [ s ]=7 Do đó: s= Q k d F t + F o + F v = 18200
⇒ Bộ xích đảm bảo độ bền
Xác định các thông số của đĩa xích
- Đường kính vòng chia: d 1 = t sin ( Z π 1 ) = sin 12,7 ( 21 π ) = 85,21 ( mm ) d 2 = t sin ( Z π 2 ) = sin 12,7 ( 89 π ) 59,86 ( mm )
- Đường kính đỉnh răng: d a 1 = t [ 0,5+cot ( Z π 1 ) ] ,7 [ 0,5+ cot ( 21 π ) ] ,61 ( mm ) d a 2 =t [ 0,5 + cot ( Z π 2 ) ] ,7 [ 0,5 +cot ( 53 π ) ] 65,99 ( mm )
- Đường kính chân răng: d f 1 =d 1 −2 r ,21−2.4,33v,55( mm ) d f 2 =d 2 −2 r 59,86−2.4,33 51,2( mm ) Với r =0,5025 d l + 0,05 trong đó: d l là đường kính con lăn Tra bảng [5.2] ta có: d l = 8,51( mm )
→r=0,5025.8,51 +0,05 =4,33( mm ) Kiểm nghiệm răng đĩa xích về độ bền tiếp xúc σ H =0,47 √ k r ( F t K d + F vd ) E A k d ≤ [ σ H ]
Trong đó: [ σ H ] là ứng suất tiếp xúc trên mặt răng đĩa xích (MPa)
F vd là lực va đập trên dây xích ( N ) Tính theo công thức:
F vd 1 0 −7 n 1 p 3 m.1 0 −7 40 12 , 7 3 1= 0,107( N ) k d là hệ số phân bố không đều tải trọng (sử dụng 1 dãy xích nên k d = 1)
K d : Hệ số tải động K d =1,2 (tra bảng 5.6 phụ lục) m: là số dãy xích của bộ truyền (m=1) k r : Hệ số kể đến ảnh hưởng của số răng đĩa xích Z 1 !→k r =0,48
A : diện tích chiếu của bản lề, ( mm ) Với bước xích p,7 ( mm ), ta được A9,6( mm 2 ) (Tra bảng 5.12)
E: module đàn hồi vật liệu:
Vì cả 2 đĩa xích đều làm bằng thép, thay số vào ta được: σ H =0,47 √ 0,48 ( 203,09.1,2 +0,107 ) 2,1.1 0 39,6.1 −5 70,26 ( MPa )
Tra bảng [5.11] ta chọn vật liệu làm đĩa xích là thép C 45 với các đặc tính: Đĩa bị động có số răng lớn ( Z 2 > 30 ) Vận tốc đĩa xích nhỏ ( v< 5 ( m / s )) Có [ σ H ] P0 ( MPa ) > σ H 70,26 ( MPa )
Xác định lực tác dụng lên trục: F r = k x F t
Trong đó, k x là hệ số kể đến trọng lượng của xích k x =1,15 vì β < 4 0 ∘
F r =1,15.203,09#3,55( N ) Tổng hợp các thông số của bộ truyền xích:
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại xích Xích ống con lăn
Số răng đĩa xích nhỏ z1 21
Số răng đĩa xích lớn z2 89
Vật liệu đĩa xích Thép C45 Đường kính vòng chia đĩa xích nhỏ d1 85,21 mm Đường kính vòng chia đĩa xích lớn d2 359,86 mm Đường kính vòng đỉnh đĩa xích nhỏ da1 90,61 mm Đường kính vòng đỉnh đĩa xích lớn da2 365,99 mm
Bán kính đáy r 4,33 mm Đường kính chân răng đĩa xích nhỏ df1 76,55 mm Đường kính chân răng đĩa xích lớn df2 351,2 mm
Lực tác dụng lên trục Fr 233,55 N
Bảng 2.12 Thông số bộ truyền xích
2.3.4 Tính trục tang chủ động, bị động, con lăn
Chọn vật liệu làm trục là thép CT45 có σb= 600 Mpa , ứng suất xoắn cho phép [τ]÷30 Mpa
- Chỉ số dãn nở tương đối 16%
- Độ cứng 23 HRC ( chưa qua xử lí nhiệt ) Tính toán sơ bộ: Chọn đường kính trục tang D0 (mm)
Lực do bộ truyền xích tác dụng lên trục Fr = 233,55 (N) với góc đặt động cơ là β0 0
Mô men xoắn trên trục công tác:
9,55 750( Nmm ) Trong đó: [ τ ]: Ứng suất cho phép Chọn [ τ ]( MPa )
Vật liệu thép CT45 có σb = 600 Mpa, ứng suất xoắn cho phép [𝜏] ÷ 30 MPa. Đường kính trục sơ bộ : d sb ≥ √ 3 0,2 T [ τ ] = √ 3 12750 0,2.15 ,2 (mm)
Chọn dsb = 20(mm) Với d = 50 mm ⇒ b0 = 27 (mm)
- Chiều dài moay ơ đĩa xích: lm = (1,2 ÷ 1,5) dsb = (1,2 ÷ 1,5).50 = 60 ÷ 75(mm) Ta chọn lm = 75 (mm)
Tính khoảng cách giữa gối đỡ và các điểm đặt lực
Hình 2.23 Khoảng cách giữa gối đỡ và các điểm đặt lực
⇒ DE = 91 (mm) ; AB = CD = 53,5 (mm) ; BC P0 (mm). a) Xác định lực tác dụng lên gối đỡ và đường kính đoạn trục Sơ đồ đặt lực
Hình 2.24 Sơ đồ lực tác dụng lên trục
Do ta chọn băng tải PVC dày 3mm nên theo quy định của nhà sản xuất, đường kính con lăn nhỏ nhất là 50 mm Ta chọn đường kính tang bằng 100 mm.
Con lăn làm bằng thép, như vậy trọng lượng con lăn (lô dẫn) là:
Lực kéo căng băng tải: F = 255 (N)
Lực tác dụng lên đĩa xích:
Lực do bộ truyền xích tác dụng lên trục tang Fr = 233,55 (N) với góc đặt động cơ là β0 0
Mô men xoắn trên trục : T = 12750 (N.mm)
Tính đường kính các đoạn trục:
2 + AB )+ FDy ( AB +BC +CD ) – F r xí ch ( AB+ BC+ CD + DE )=0
2 + AB)− FDx ( AB+ BC+ CD ) – F t xí ch ( AB + BC +CD + DE )=0
Gọi đường kính các đoạn trục ổ lăn thứ nhất, băng tải, ổ lăn thứ hai, trục lắp đĩa xích lần lượt là d0, d1, d2, d3.
Momen uốn, momen tương đương:
Hình 2.25 Biểu đồ momen các lực tác dụng lên trục Đường kính trục tại các tiết diện theo công thức: d= √ 3 0.1 M [ td σ ]
Tra bảng với ứng suất cho phép của Thép 45 chế tạo trục thì 63Mpa. d 0 ≥ 0 d 1 ≥ √ 3 0.1 M td [ σ 1 ] = √ 3 71561,88 0,1.63 = 22,48 (mm)d 2 ≥ √ 3 0.1 M td [ σ 2 ] = √ 3 23365,41 0,1.63 ,48 (mm) d 3 ≥ √ 3 0.1 M td [ σ 0 ] = √ 3 2903,52 0,1.63 ,056 (mm)
Xuất phát từ các yêu cầu về độ bền, lắp ghép và công nghệ ta chọn đường kính các đoạn trục như sau: d2= d0= 20 (mm) (Đoạn trục lắp với ổ lăn). d3 = 15 (mm) (Đoạn trục lắp với đĩa xích). d 1 = 30(mm) (Đoạn trục lắp với con lăn rulo) b) Kiểm tra trục về độ an toàn
Kiểm tra trục theo độ bền mỏi: s j = √ s s σj σj 2 s + τj s τj 2 ≥ [ s ]
[𝑠] - hệ số an toàn cho phép, thông thường [𝑠] = 1,5… 2,5 (khi cần tăng độ cứng
[𝑠] = 2,5… 3 như vậy có thể không cần kiểm nghiệm về độ cứng của trục)
𝑠𝜎𝑗 và 𝑠τ𝑗 - hệ số an toàn chỉ xét đến riêng ứng suất pháp và hệ số an toàn chỉ xét đến ứng suất tiếp tại tiết diện j: s σj = σ −1 k σdj σ aj + ψ σ σ mj s τj = τ −1 k τdj τ aj + ψ τ τ mj
Trong đó 𝜎−1 và τ−1 là giới hạn mỏi uốn và xoắn với chu kỳ đối xứng Có thể lấy gần đúng:
𝜎−1= 0,436 σb = 0,436.600 = 261,6 Mpa. τ−1 = 0,58 σ-1 = 0,58.261,6 = 151,73 Mpa - Ứng suất uốn thay đổi trên chu kì đối xứng σ m =0 (trên tất cả các tiết diện) σ a 0 = M 0 W 0 = 0 σ a1 = M 1 W 1 = M 1 π d 1 3
W 3 =0 Ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì mạch động: τ a 0 =τ m0 = T 0
Với ψ σ ,ψ τ là hệ số kể đến ảnh hưởng của các trị số ứng suất trung bình đến độ bền mỏi, tra bảng 10.7[1] với σ b `0 Mpa ta có:
𝜓τ = 0 𝐾𝜎𝑑𝑗, 𝐾τ𝑑𝑗 là hệ số xác định theo công thức sau:
Hệ thống băng tải con lăn
Hình 2.26 Băng tải con lăn Đây là băng tải con lăn truyền động bằng xích với tốc độ xử lý thông thường là 0,5 m/s đối với tải nhẹ và 0,2 m/s đối với tải nặng Nếu tốc độ vượt ngoài phạm vi trên sẽ làm tăng tiếng ồn Đĩa xích polyamide được sử dụng tương thích với khả năng chịu tải của chúng và có thể sẽ làm hỏng các vật được vận chuyển đặc biệt nếu vật dễ vỡ hoặc quá lớn.
Theo yêu cầu tính toán và theo tiêu chuẩn ta chọn băng tải con lăn với các thông số như sau:
- Vận tốc:0.25 m/s - Tải tối đa 240 Kg - Động cơ có tốc độ tiêu chuẩn là 1450v/p - Đường kính con lăn DPmm
- Băng tải dài 4000 mm rộng 1300 mm Tốc độ quay trên trục hộp số: n = 60000⋅ π ⋅ D v = 60000.0,25 π ⋅ 50 = 95,5 ( v òng phút )
Tỉ số truyền hộp số ⅈ= 1450 95,5 ,18
Tính toán, lựa chọn các thiết bị điện và thiết bị điều khiển
Hình 2.27 Sơ đồ khối của hệ thống
1 Khối nguồn: Có vai trò cung cấp toàn bộ nguồn điện cho các khối trong hệ thống hoạt động.
2 Khối PC điều khiển: Có nhiệm vụ điều khiển nạp chương trình cho
Arduino để vận hành hệ thống Đồng thời khối PC cũng là nơi xử lý ảnh và hiển thị giao diện của hệ thống trong quá trình làm việc.
3 Khối Sensor: Có nhiệm vụ chuyển các tín hiệu từ bên ngoài vào khối điều khiển PC như Camera, các tín hiệu vào khối Arduino như cảm biến tiệm cận, công tắc hành trình
4 Khối Arduino: Đây là nơi thực hiện hầu như toàn bộ công việc xử lý dữ liệu và điều khiển của hệ thống.
5 Khối cơ cấu chấp hành: Có chức năng thực hiện tất cả các lệnh từ chương trình điều khiển bao gồm các đèn báo, van khí nén, động cơ tay máy,
Trong quá trình hoạt động của hệ thống, nếu không dừng băng tải lại mà chạy liên tục sẽ dẫn đến việc phải tính toán vị trí của sản phẩm, nếu làm vậy sai số lớn và không hợp lý Vì vậy cần phải có giải pháp giúp dừng sản phẩm tại một vị trí cố định, từ đó đưa tay máy Robot đến gắp được chính xác hơn Bài toán đặt ra ở đây là cần phải giúp cho băng tải dừng chính xác tại vị trí đó, nếu không Robot khi hút lên có thể bị lệch, gây ảnh hưởng đến quá trình bốc hàng và xếp hàng vào thùng.
Giải pháp của nhóm em là lắp một cảm biến tiệm cận tại vị trí muốn dừng sản phẩm, khi sản phẩm được đưa đến đây, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển, bộ điều khiển xử lý và cho dừng băng tải Tại vị trí này, sản phẩm được tay máy robot gắp đi Sau khi sản phẩm đã được gắp đi và robot hoàn thành việc phân loại, băng tải sẽ chạy tiếp để đưa sản phẩm tiếp theo đến phân loại tiếp.
Chúng em lựa chọn sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 Cảm biến vật cản hồng ngoại sử dụng ánh sáng hồng ngoại để có thể xác định khoảng cách tới vật cản, từ đó cho phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt
Nguồn điện cung cấp 6 – 36VDC
Khoảng cách phát hiện 5 – 30cm
Dòng kích ngõ ra 300mA
Bảng 2.14 Thông số kỹ thuật cảm biến E3F-DS30C4
Camera trong hệ thống có vai trò để phân loại 2 loại sản phẩm 5kg và 10kg.
Camera sẽ chụp lại ảnh của bao gạo khi bao gạo đến vị trí đặt cảm biến rồi gửi lại về cho khối PC điều khiển để xử lý ảnh Ảnh sẽ được lọc viền để phân loại kích thước của các loại sản phẩm và xác định tâm của sản phẩm để robot tiến hành hút. Để sử dụng trong môi trường công nghiệp, trong hệ thống cần chọn loại camera có thể đáp ứng được những yếu tố sau:
Độ phân giải tốt, độ nhạy sáng và tương phản cao để đáp ứng được tốt nhu cầu quét sản phẩm.
Đạt chuẩn IP để có thể chịu đựng môi trường sản xuất khắc nghiệt.
Vận hành bền bỉ, ít sinh ra lỗi vặt ảnh hưởng đến tiến độ sản xuất.
Nhóm chọn loại camera công nghiệp có độ phân giải 4K của hãng OEM làCamera 4K USB 3840x2160 30fps IMX317
Hình 2.29 Camera 4K USB 3840x2160 30fbs IMX317
Xuất xứ Trung Quốc Độ phân giải 3840 x 2160 pixel
Thời gian truyền tải 10ms
Kết nối với máy tính bằng cáp USB
Bảng 2.15 Thông số kỹ thuật camera 4K USB 3840x2160 30fps IMX 317
Khối PC điều khiển nhóm lựa chọn sẽ là PLC (Programmable Logic Controller).
PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa.
Với yêu cầu đặt ra của hệ thống nhóm đã quyết định lựa chọn PLC của hangSiemens, cụ thể là PLC 6ES7214-1AG40-0XB0
Hình 2.30 PLC 6ES7214-1AG40-0XB0
Kích thước 110x100x75 mm Điện áp hoạt động 24VDC
Bảng 2.16 Thông số kỹ thuật PLC 6ES7214-1AG40-0XB0
2.5.5 Các phần tử khác a) Nguồn cấp điện áp
Nguồn cấp điện áp 24 VDC - 5A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220 VAC thành nguồn một chiều 24 VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động.
Dòng điện đầu ra 5 A Điện áp đầu ra 24 V
Bảng 2.17 Thông số kỹ thuật nguồn cấp b) Nút nhấn điều khiển
Trong hệ thống điện điều khiển, nút nhấn được sử dụng phổ biến để đóng ngắt, thay đổi trạng thái dòng diện, từ đó khởi động hoặc dừng hoạt động hệ thống.
Hình 2.32 Nút nhấn CML LA38-203
Tên sản phẩm CML LA38 - 203
Loại Nút nhấn nhả, có đèn Đường kính 22 mm
Loại tiếp điểm 1 NO + 1 NC Điện áp hoạt động 12 ÷ 24 VDC
Bảng 2.18 Thông số kỹ thuật nút nhấn CML LA38-203 c) Bộ ngắt mạch MCB
MCB là thiết bị bảo vệ điện tự động ngắt mạch điện khi xảy ra sự cố về điện như quá tải hoặc ngắn mạch Còn được gọi là CB tép, cầu dao tự động, …
Dòng diện định mức 20A Điện áp định mức AC 230/400 V
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH
Phương pháp điều khiển
cánh tay Robot có thể hút được phôi và sắp xếp lên pallet phù hợp với từng loại phôi, quy trình xử lý ảnh phải đáp ứng được yêu cầu tính được gần đúng diện tích của các phôi để có thể phân loại được chính xác phôi to và phôi nhỏ Từ đó, nhóm quyết định sử dụng ngôn ngữ lập trình Python để xử lý ảnh Đây là 1 ngôn ngữ lập trình bậc cao và được sử dụng rộng rãi hiện nay.
Hình 3.34 Ngôn ngữ lập trình Python a) Tiền xử lý ảnh
Bước 2: Chọn khung hình từ Video
Hình 3.35 Ảnh sau khi làm mờ
Bước 4: Chuyển đổi ảnh sang ảnh xám
Hình 3.36 Ảnh sau khi chuyển đổi sang ảnh xám
Bước 5: Phát hiện cạnh sử dụng Canny Edge Detector
Bước 7: Tìm đường viền trong ảnh và tính diện tích
Hình 3.37 Ảnh sau khi tìm được đường viền và tính diện tích
Hình 3.38 Code xử lý hình ảnh
Sau khi tiền xử lý nhóm đã lọc được viền của phôi, tiếp theo nhóm sẽ tiến hành lập trình để phân loại được 2 loại phôi có kích thước to và nhỏ.
Bước 1: Tạo hàm để tính diện tích phôi
Hình 3.39 Code hàm tính diện tích phôi
Bước 2: Phân loại dựa vào diện tích
Qua các bước thử nghiệm nhóm nhận thấy phôi to màu xanh lá sẽ có diện tích xấp sỉ trong khoảng từ 4220 đến 4286, phôi màu xanh dương nằm trong khoảng từ 3821 đến 3912 Từ đó nhóm sẽ lập trình sao cho có thể phân biệt được 2 loại phôi chính xác nhất có thể.
Hình 3.40 Code phân loại phôi b) Truyền thông giữa Python và PLC
Bước 1: Sau khi xử lý ảnh phân loại được 2 loại phôi, bước tiếp theo là truyền thông với PLC để có thể gửi được dữ liệu xử lý ảnh về cho PLC hiểu và có thể điều khiển được robot xếp đúng phôi lên pallet yêu cầu.
Phương thức truyền thông được nhóm lựa chọn là Snap7 Đây là một thư viện mã nguồn mở được thiết kế để giao tiếp Python với PLC s7 của Siemens thông qua kết nối ethernet.
Bước 2: Mở quyền truy cập đọc và ghi dữ liệu từ các thiết bị từ bên ngoài PLC
Hình 3.42 Cho phép quyền truy cập PLC
Bước 3: Tạo 1 thanh ghi để đọc dữ liệu từ Python gửi xuống
Hình 3.43 Thanh ghi nhận dữ liệu xử lý ảnh
Bước 4: Đọc dữ liệu từ Python Gửi dữ liệu xuống thanh ghi H reg[5] ở khối DB1 bằng cách sử dụng hàm plc.db_write(db_number,14,x_data_to_write) với db_number là số thự tự khối Data_Block chứa dữ liệu gưi xuống PLC, 14 là địa chỉ offset của thanh ghi H_reg[5], x_data_to_write là giá trị x sau khi chuyển kiểu dữ liệu sang int để đồng nhất với kiểu dữ liệu của thanh ghi H_reg[5] từ PLC.
Hình 3.44 Gửi dữ liệu xuống PLC
3.1.2 Cách sắp xếp phôi trên Pallet a) Quy tắc sắp xếp hàng trên Pallet
Trong công nghiệp việc sử dụng pallet để bốc xếp, di chuyển hàng hóa trong kho là rất phổ biến Bên cạnh đó việc sắp xếp hàng trên pallet cũng phải tuân theo các quy tắc sắp xếp cơ bản:
Xếp hàng nặng ở dưới cùng làm chân trụ
Chỉ xếp chồng chồng các pallet đồng đều nhau
Xếp hàng có giới hạn chiều cao
Xếp hàng đúng tải trọng
Không xếp hàng nhô ra ngoài
Tránh xếp hàng theo kiểu kim tự tháp
Không sử dụng pallet đã bị hư hỏng xếp hàng
Từ các quy tắc sắp xếp ở trên nhóm đã tiến hành xây dựng được 2 phương án sắp xếp phù hợp với hệ thống Mỗi phương án được thiết kế để đảm bảo mỗi hàng sẽ xếp được 6 sản phẩm. b) Lựa chọn phương án sắp xếp
Hình 3.45 Một số loại Pallet thông dụng
Cách sắp xếp này sẽ đảm bảo độ cứng vững khi sắp xếp lên cao, phù hợp khi sắp xếp hàng đựng trong bao như: gạo, cám, xi măng….
Cách sắp xếp này sẽ phù hợp với các loại hàng đóng trong hộp carton cứng như: thùng đựng hoa quả, thực phẩm tươi, và nhiều loại mặt hàng khác.
Với cả 2 phương án ở trên đều có thể thực hiện xếp được lên pallet nhưng để phù hợp với mô hình thực tế, nhóm đã lựa chọn phương án 1 để sắp xếp phôi trên pallet Pallet được thiết kế trong mô hình thực tế của nhóm sẽ có kích thước là 120x100 (mm), phôi to sẽ có kích thước là 54x27 (mm), phôi nhỏ sẽ có kích thước là 48x27(mm).
Hai phôi sẽ có cùng độ rộng là 27 mm để có thể đi qua máng để cho robot có thể hút đúng tâm phôi, khoảng cách giữa chiều dài 2 phôi tối thiểu là 3mm để camera xử lý ảnh có thể phân biệt được 2 loại phôi.
Hình 3.50 Vị trí các phôi ở trên pallet với các kích thước lựa chọn
Khi sử dụng cách sắp xếp theo phương án 1 với pallet có kích thước 120x100 thì kích thước phôi lớn nhất có thể sắp xếp được là 57x27 (mm) Nhưng do độ chính xác robot của nhóm không quá cao nên kích thước phôi to nhóm lựa chọn là 54x27 (mm)
Hình 3.51 Sơ đồ sắp xếp trên Pallet với kích thước phôi lớn nhất
Với bài toán yêu cầu sắp xếp những phôi có kích thước lớn hoặc nhỏ hơn có thể linh hoạt thay đổi cách sắp xếp hoặc có thể thay đổi kích thước pallet tùy thuộc vào yêu cầu bài toán.
Hình 3.52 Sơ đồ sắp xếp phôi 60x27 trên pallet 120x120
Lưu đồ thuật toán điều khiển:
Hình 3.53 Lưu đồ thuật toán điều khiển
Bài toán điều khiển được thiết kế với hai chế độ là: điều khiển tự động và điều khiển bằng tay.
Dựa theo đề tài, hệ thống sẽ sử dụng 8 đầu vào và 9 đầu ra.
Các tín hiệu đầu vào PLC:
1 Công tắc hành trình khâu 1 của robot 2 Công tắc hành trình khâu 2 của robot 3 Công tắc hành trình khâu 3 của robot 4 Cảm biến tiệm cận phát hiện phôi 5 Nút nhấn Start
6 Nút nhấn Stop 7 Nút nhấn Home 8 Nút nhấn Reset
Các tín hiệu đầu ra PLC:
1 Phát xung cho động cơ Servo 2 Phát xung cho động cơ bước 1 3 Phát xung cho động cơ bước 2 4 Phát xung cho động cơ bước 3 5 Phát xung chiều cho động cơ bước 1 6 Phát xung chiều cho động cơ bước 2 7 Phát xung chiều cho động cơ bước 3 8 Điều khiển Relay đóng ngắt động cơ băng tải 9 Điều khiển Relay đóng ngắt bơm hút chân không
Tên Địa chỉ Kiểu dữ liệu Giải thích
CTHT 1 I0.0 Bool Công tắc hành trình khâu 1
CTHT 2 I0.1 Bool Công tắc hành trình khâu 2
CTHT 3 I0.2 Bool Công tắc hành trình khâu 3
CB I0.3 Bool Cảm biến tiệm cận
Start I0.4 Bool Chạy hệ thống
Stop I0.5 Bool Dừng hệ thống
Home I0.6 Bool Robot về vị trí gốc
Reset I0.7 Bool Reset hệ thống
Bảng 3.20 Các tín hiệu Input
Tên Địa chỉ Kiểu dữ liệu Giải thích
Servo Q0.0 Bool Chân phát xung điều khiển servo
Pules 1 Q0.1 Bool Chân phát xung động cơ 1
Pulse 2 Q0.2 Bool Chân phát xung động cơ 2
Pulse 3 Q0.3 Bool Chân phát xung động cơ 3
Direction 1 Q0.4 Bool Chân đảo chiều động cơ 1
Direction 2 Q0.5 Bool Chân đảo chiều động cơ 2
Direction 3 Q0.6 Bool Chân đảo chiều động cơ 3
Dc Q0.7 Bool Đóng ngắt relay điều khiển động cơ
Bom Q1.1 Bool Đóng ngắt relay điều khiển bơm hút
Bảng 3.21 Các tín hiệu Output
Thiết kế chương trình điều khiển
Cho phép kích hoạt bộ tạo xung để điều khiển động cơ bước qua các chân Output.
Hình 3.54 Kích hoạt bộ tạo xung ở PLC
Cài đặt kiểu loại tín hiệu PTO và đầu ra phần cứng chân xung tương ứng
Hình 3.55 Cấu hình đầu ra động cơ bước
3.2.2 Thiết lập khối Motion Control điều khiển động cơ
Sử dụng khối Motion Conntrol để điều khiển động cơ bước thông qua Driver cùng với cài đặt các thông số điều khiển:
Hình 3.56 Khối Motion Control điều khiển động cơ
Thiết lập chương trình cho động cơ các khớp quay về vị trí gốc Vị trí gốc là vị trị mà các khâu chạm vào các công tắc hành trình Đó sẽ là vị trí Home của Robot
Hình 3.57 Chương trình đưa robot về home
Hình 3.58 Cấp nguồn cho động cơ
Sử dụng khối Jog để điều khiển động cơ theo chiều chỉ định quay về Home
Hình 3.59 Khối Jog điều khiển động cơ quay theo hướng chỉ định
Cài đặt nút Start: Khi ấn Start hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động.
Hình 3.60 Chương trình khởi động hệ thống
3.2.4 Xác định vị trí hút phôi
Khi cảm biến phát hiện phôi thì sau 2.5s băng tải sẽ dừng
Hình 3.61 Chương trình vị trí hút phôi
3.2.5 Xử lý dữ liệu từ Python
Gán dữ liệu từ thanh ghi chứa dữ liệu do Python gửi xuống để sử dụng:
Hình 3.62 Gán dữ liệu thanh ghi
Xử lý dữ liệu Python gửi xuống:
Dữ liệu từ Python gửi xuống dưới dạng số được lưu vào các thanh ghi đã chỉ định, dùng số nhận được để tiến hành phân loại phôi
Hình 3.63 Xử lý dữ liệu thanh ghi
3.2.6 Phân chia các phôi vào các nhánh đã được thiết lập
Khi thanh ghi MW60 bằng 123 thì chương trình sẽ rẽ vào nhánh Xanh Lá còn bằng 345 thì sẽ vào nhánh Xanh Dương Khi chương trình đi vào các nhánh sẽ có các nhánh chương trình con, đối với nhánh Xanh Lá sẽ là 6 nhánh chương trình con từ 1.1 đến 1.6, nhánh Xanh Dương sẽ là 6 nhánh chương trình con từ 2.1 đến 2.6 Ở mỗi khối chương trình con sẽ được cài đặt sẵn biến để chạy Robot ngay khi chương trình đi vào chương trình con tương ứng.
Dùng chương trình ở hai nhánh để điều khiển robot gắp phôi vào hai pallet khác nhau.
Hình 3.64 Xử lý sản phẩm to
Sau khi xử lý dữ liệu gửi xuống từ Python, tiến hành phân loại và điều khiển robot theo chu trình đã được lập trình sẵn.
Hình 3.65 Xử lý sản phẩm nhỏ
Chạy Robot theo chu trình hút thả 1 phôi hoàn thiện Các vị trí khớp được thiết lập theo phương pháp động học ngược từ trước Đối với 3 khâu đầu tiên sử dụng động cơ bước sẽ sử dụng lệnh MOVE để thiết lập số xung cho 3 động cơ cho 3 thanh ghi MD62, MD66, MD70 Còn đồi với khâu cuối sử dụng động cơ SG90 sẽ MOVE trí với QW1006 Trong các vị trí được thiết lập sẽ luân phiên bật tắt bơm để Robot có thể hoạt động hút thả đúng yêu cầu đặt ra Sau khi kết thúc mỗi chương trình con sẽ reset counter và biến Run_Robot để có thể tiếp tục các chương trình con sau đó
Hình 3.66 Chương trình hút phôi
Thiết kế giao diện điều khiển
Giao diện điều khiển sẽ được chia ra làm 2 phần chính là chế độ Auto và chế độ Manul:
Chế độ Auto khi được kích hoạt thì hệ thống sẽ được vận hành 1 cách tự động sau khi bấm nút Start Khi phôi bị cảm biến tiệm cận phát hiện, camera sẽ tiến hành chụp ảnh phôi và xử lý sau đó sẽ truyền dữ liệu xuống PLC Khi PLC nhận được tín hiệu sẽ phát tín hiệu để điều khiển Robot hoạt động để hút và nhả phôi lên đúng Pallet và vị trí đã được thiết lập sẵn.
Hình 3.68 Giao diện chế độ Auto
Các ô Q1, Q2, Q3, Q4 sẽ hiển thị biến khớp của các khớp dưới đơn vị là độ Các ô từ 1 đến 6 thể hiện thứ tự phôi được xếp Khi phát hiện được phôi loại gì và trị nào thì ô đó sẽ nhấp nháy cho đến khi phôi được xếp hoàn thành thì sẽ sáng hẳn
Chế độ Manual là chế độ điều khiển bằng tay Sử dụng nút Home để điều khiển robot về vị trí Home Khi ấn BT băng tải sẽ bắt đầu chạy đến khi tới vị trí hút thì ấn lần nữa để dừng băng tải Tiếp theo khi ấn vào vị trị xếp mong muốn thì Robot sẽ tiến hành hút và nhả
Hình 3.69 Giao diện chế độ Manual
Kết quả thực nghiệm
Sau quá trình tính toán và xây dựng mô hình, nhóm đã hoàn thành mô hình gồm các phần cơ bản: Robot, tủ điện, băng tải, hệ thống camera và một số thiết bị điện cơ bản khác.
Hình ảnh toàn bộ hệ thống:
Hình 3.70 Hình ảnh toàn bộ hệ thống
Hình 3.71 Hình ảnh điều khiển hệ thống
Hình 3.73 Hình ảnh đấu nối tủ điện
