Tính toán và chọn lựa thiết bị cho cánh tay robot
Nút nhấn
Sử dụng 3 nút nhấn nhả
Đèn báo trạng thái
+Đèn báo khi về vị trí Home đèn báo trạng thái sử dụng nguồn 24VDC phù hợp với nguồn điện trong mạch.
Nguồn tổ ong
Ta sử dụng nguồn 24V dòng ra là 5A
Do PLC yêu cầu cấp nguồn 24V nên ở đây ta sử dụng nguồn tổ ong 24V.
Động Cơ
Sử dụng 2 động cơ giảm tốc 66rpm.
+1 động cơ để điều khiển băng tải.
+1 động cơ để điều khiển puly cho 1 khớp xoay của robot Để cho băng tải di chuyển vật với tốc độ vừa phải không bị đi quá nhanh.
Vật có dạng hình hộp chữ nhật.
Ta sử dụng 1 xy lanh xoay 1 góc 90 độ và 1 puly kết hợp với động cơ giảm tốc
Sử dụng động cơ 66rpm để điều khiển ở tốc độ vừa phải không bị quá nhanh. và xilanh xoay 90 độ.
Đĩa xoay
Kết hợp puly và răng đai để kéo cánh tay robot xoay.
Tay gắp vật
Ta sử dụng xy lanh kẹp có kích thước vừa với vật.
Cảm biến
Ta sử dụng 3 cảm biến quang loại PNP ( thường đóng).
+1 cảm biến cho việc khi phát hiện vật được đặt lên băng tải thì sẽ cho băng tải chạy
+2 cảm biến còn lại cho việc phân loại chiều cao.
Relay
Ta sử dụng 3 con relay 24VDC (14 chân).
+ 1 relay cho động cơ quay thuận
+ 1 relay cho động cơ quay nghịch
+ 1 relay cho động cơ của băng tải
Sử dụng relay 24VDC để điều khiển động cơ tránh hư hại cho PLC khi sử dụng nguồn khác nhau.
Ta sử dụng 2 xy lanh 2 ty dài
- Sử dụng 2 ty để cho cánh tay vững chắc hơn.
Van cho xy lanh
Ta sử dụng 3 con van 5/2 tác động kép và 1 van 5/2 tác động đơn.
Dây điện
Do dòng ra là 5A nên ta sử dụng dây 2mm^2 hoặc lớn hơn.
Công tắc hành trình
Công tắc hành trình mini điện áp sử dụng : 125 - 250VAC 5A ,Chiều dài: 20 mm , chiều cao thân: 10 mm
Thiết kế, cấu tạo của cánh tay robot
Sơ đồ mạch động lực và sơ đồ điều khiển
Sơ đồ mạch động lực
Sơ lược về lý thuyết , cách thức điều khiển PLC Siemens S7 200
Bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được sáng tạo từ những ý tưởng ban đầu của một nhóm kỹ sư thuộc hãng General Motor vào năm 1968.
Trong những năm gần đây, bộ điều khiển lập trình được sử dụng ngày càng rộng rãi trong công nghiệp của nước ta như là 1 giải pháp lý tưởng cho việc tự động hóa các quá trình sản xuất.
Cùng với sự phát triển công nghệ máy tính đến hiện nay, bộ điều khiển lập trình đạt được những ưu thế cơ bản trong ứng dụng điều khiển công nghiệp. Như vậy, PLC là 1 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 ủiều khiển tự động húa.
1.Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200 :
PLC là bộ điều khiển lập trình và được xem là máy tính công nghiệp Do công nghệ ngày càng cao vì vậy lập trình PLC cũng ngày càng thay đổi, chủ yếu là sự thay đổi về cấu hình hệ thống mà quan trọng là bộ xử lý trung tâm (CPU)
Sự thay đổi này nhằm cải thiện 1 số tính năng, số lệnh, bộ nhớ, số đầu vào/ ra (I/O), tốc độ quét, vì vậy xuất hiện rất nhiều loại PLC.
PLC của Siemens hiện có các loại sau: S7- 200, S7- 300, S7- 400
Riêng S7- 200 có các loại CPU sau: CPU 210, CPU 214, CPU 221, CPU
222, CPU 224, CPU 226, … Mới nhất có CPU 224xp, CPU 226 xp có tích hợp analog
Trong tài liệu này trình bày cấu trúc chung họ S7 – 200, CPU 224
-Tổng số I/O max tương đối lớn, khoảng 256 I/O
-Số module mở rộng tùy theo CPU có thể lên đến tối đa 7 module
-Tích hợp nhiều chức năng đặc biệt trên CPU như ngõ ra xung, high speed counter, đồng hồ thời gian thực,
-Module mở rộng đa dạng, nhiều chủng loại như analog, xử lý nhiệt độ, điều khiển vị trí, module mạng,
2.Các thành phần CPU: Đặc điểm của Cpu 224:
-Kích thước: 120.5mm x 80mm x 62mm.
-Dung lượng bộ nhớ chương trình: 4096 từ
-Dung lượng bộ nhớ dữ liệu: 2560 từ
-Có 14 cổng vào, 10 cổng ra.
-Có thể thêm vào 14 module mở rộng kể cả module Analog
-Tốc độ xử lý một lệnh logic Boole 0.37às.
-Có 256 timer, 256 counter, các hàm số học trên số nguyên và số thực
-Có 6 bộ đếm tốc độ cao, tần số đếm 20KHz.
-Có 2 bộ phát xung nhanh kiểu PTO và PWM, tần số 20KHz chỉ ở các CPU DC.
-Có 2 bộ điều chỉnh tương tự.
-Các ngắt: phần cứng, theo thời gian, truyền thông,
-Đồng hồ thời gian thực.
Các đèn báo trên PLC:
-SF: đèn báo hiệu hệ thống bị hỏng (đèn đỏ)
-RUN: PLC đang ở chế độ làm việc (đèn xanh)
-STOP: PLC đang ở chế độ dừng (đèn vàng).
-I x.x, Q x.x: chỉ ủịnh trạng thỏi tức thời cổng (đốn xanh).
Cho các model của S7-200 sau:
Model Description Power Supply Input Types Output Types
Xác định các đặc điểm của PLC hãng Siemens:
Kết nối dây cho PLC hoạt động:
Loại DC nguồn nuôi có kí hiệu là M, L+
Loại AC nguồn nuôi có kí hiệu là N, L1.
Chân 1M, 2M nối chung với chân M
Chõn L+ nối vào 1 đầu của tiếp ủiểm, ủầu cũn lại của tiếp điểm nối vào cỏc ngừ vào I trên PLC
Các ngõ vào thường dùng là:
-Nút nhấn, công tắc gạt, ba chấu,
-Các loại cảm biến: quang điện, tiệm cận, điện dung, từ, kim loại, siêu âm, phân biệt màu sắc, cảm biến áp suất,
-Công tắc hành trình, công tắc thường.
Chân 1L, 2L nối vào nguồn dương.
Từng ngỏ ra từ PLC nối vào 1 đầu của tải, đầu còn lại của tải nối vào nguồn âm.
Các thiết bị được điều khiển ở ngõ ra:
-Động cơ AC 1 pha và 3 pha.
-Đèn báo, đèn chiếu sáng
4.Truyền thông giữa PC và PLC:
S7-200 sử dụng cổng truyền thông nối tiếp RS232 với jack nối 9 chân để phục vụ cho việc ghép nối với thiết bị lập trình hoặc với các trạm khác của PLC Tốc độ truyền cho máy lập trình kiểu PPI (Point To Point Interface) là 9600 baud.
3 Truyền và nhận dữ liệu
4 Bỏ trống (không sử dụng)
8 Truyền và nhận dữ liệu
9 Bỏ trống (không sử dụng)
-Ghép nối S7 –200 với máy tính PC qua cổng RS232 cần có cáp kết nối PC / PPI với bộ chuyển đổi RS232/RS485
Kết nối PLC với máy tính thông qua cổng truyền thông 9 chân trên PLC và cổng truyền thông nối tiếp RS232 của máy tính Nếu máy tính có cổng truyền thông nối tiếp RS232 với 25 chân thì sử dụng bộ chuyển đổi 25 chân/9 chân để kết nối với cáp truyền thông PC/PPI.
-Cách kết nối máy tính với PLC S7-200 qua cáp USB PC/PPI:
❖ Bước 1: Kết nối cáp USB PPI giữa máy tính và PLC S7-200
❖ Bước 2: Kiểm tra xem máy tính đã nhận driver cáp chưa: Chuột phải vào Computer (This PC) > Manage
❖ Bước 3: Trong cửa sổ Computer Management chọn Device Manager: Kiểm tra có cổng Port và SIMATIC NET là đã nhận driver Nếu chưa nhận driver bạn tải Driver cáp USB PPI S7-200 theo link tại đây.
❖ Bước 4: Mở phần mềm lập trình STEP 7 MicroWin V4.0 SP9.
❖ Bước 5: Chọn Communications: Hiện ra một bảng như hình bên dưới, chọn Set PG/PC Interface.
❖ Bước 6: Bạn kéo xuống chọn PC/PPI cable(PPI), chọn tiếp Properties để kiểm tra cổng kết nối
❖ Bước 7: Chọn cổng kết nối tương tự như cửa sổ Device Manager trước đó
❖ Bước 8: Bấm OK > OK > OK… đến khi hiện như hình bên dưới và bấm Double-Click to Refresh để thử kết nối.
❖ Bước 9: Bạn chờ đợi quá trình Searching at 9.6 kbps… diễn ra và đến khi kết quả như hình bên dưới là đã Kết nối thành công.
❖ Bước 10: Kết nối thành công! Viết thử một chương trình đơn giản,
Download chương trình vào PLC…
Chương trình điều khiển
Ta lập trình trên ứng dụng V4.0 STEP 7 MicroWIN SP9
Nguyên lý hoạt động của mô hình
Khi hệ thống bắt đầu hoạt động, cảm biến phát hiện vật (CB1) sẽ kích hoạt động cơ băng tải Khi vật di chuyển đến cảm biến phân loại vật thấp (CB2) hoặc cảm biến phân loại vật cao (CB3), động cơ băng tải sẽ dừng lại, tùy thuộc vào chiều cao của vật.
-Trường hợp 1, nếu vật chỉ được cảm biến phân loại vật thấp (CB2) phát hiện và cảm biến phân loại vật cao (CB3) không phát hiện thì cánh tay robot sẽ hoạt động theo chu trình 1
-Trường hợp 2, nếu vật được cả cảm biến phân loại vật thấp (CB2) phát hiện và cảm biến phân loại vật cao (CB3) phát hiện thì cánh tay robot sẽ hoạt động theo chu trình 2
-Chu trình 1: Xylanh ngang sẽ được kích để đi ra ngoài, 2s sau đó xylanh dọc sẽ đi xuống, 2s sau xylanh kẹp sẽ kẹp vật, sau 2s xylanh dọc đi lên, 2s sau thì xylanh ngang sẽ đi về, 2s sau đó thì động cơ xoay sẽ hoạt động để cánh tay robot xoay
90 độ theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, sau khi chạm công tắc hành trình S1 thì động cơ xoay sẽ ngừng hoạt động đồng thời xylanh ngang sẽ đi ra, 2s sau thì xylanh dọc sẽ đi xuống và 2s sau đó xylanh kẹp sẽ mở ra để nhả vật Sau khi nhả vật trong 2s thì xylanh dọc sẽ đi lên, 2s sau đó xylanh ngang quay về, sau 2s thì động cơ xoay sẽ hoạt động để cánh tay robot xoay 90 độ theo hướng cùng chiều kim đồng hồ, sau khi chạm công tắc hành trình S2 thì động cơ xoay sẽ ngừng hoạt động
-Chu trình 2: Xylanh ngang sẽ được kích để đi ra ngoài, 2s sau đó xylanh dọc sẽ đi xuống, 2s sau xylanh kẹp sẽ kẹp vật, sau 2s xylanh dọc đi lên, 2s sau thì xylanh ngang sẽ đi về, 2s sau đó thì động cơ xoay sẽ hoạt động để cánh tay robot xoay
90 độ theo hướng ngược chiều kim đồng hồ, sau khi chạm công tắc hành trình S1 thì động cơ xoay sẽ ngừng hoạt động đồng thời xylanh xoay sẽ quay 90 độ, sau 2s xylanh ngang sẽ đi ra, 2s sau thì xylanh dọc sẽ đi xuống và 2s sau đó xylanh kẹp sẽ mở ra để nhả vật Sau khi nhả vật trong 2s thì xylanh dọc sẽ đi lên, 2s sau đó xylanh ngang quay về, sau 2s thì xylanh xoay sẽ quay về vị trí ban đầu, 2s sau động cơ xoay sẽ hoạt động để cánh tay robot xoay 90 độ theo hướng cùng chiều kim đồng hồ, sau khi chạm công tắc hành trình S2 thì động cơ xoay sẽ ngừng hoạt động.
-Nếu hệ thống đang trong quá trình hoạt động mà chúng ta nhấn Stop thì hệ thống sẽ ngừng hoạt động
-Nếu cánh tay robot đang hoạt động ở bất kỳ vị trí nào mà chúng ta nhấn Home thì cánh tay robot sẽ quay về vị trí ban đầu Vị trí ban đầu là lúc xylanh kẹp đang ở trạng thái nhả vật, xylanh dọc đang lên, xylanh ngang đang ở trong, xylanh xoay đang ở vị trí 0 độ và công tắc hành trình S2 đang được kích.
Ưu điểm của mô hình trên
-Khả năng làm việc 24/24 không cần nghỉ ngơi, tăng năng suất cao trong công việc.
-Mô hình được lập trình sẵn nên thực hiện các thao tác một cách linh hoạt.
-Cài đặt, tháo gỡ, lắp ráp và lập trình cánh tay robot một cách nhanh chóng và dễ dàng
-Thay thế con người, nhờ đó giảm chi phí trong việc thuê nhân công.
-Mô hình được trang bị cảm biến quang giúp phát hiện, phân loại sản phẩm theo chiều cao, đem lại sự chính xác cao trong quá trình làm việc
-Mô hình cánh tay robot phân loại sản phẩm vận hàng đơn giản, dễ dàng bảo trì, đảm bảo tính an toàn cao cho người vận hành.
Bên cạnh đó còn những thiếu sót cần khắc phục:
-Mô hình được đầu tư với chi phí thấp nên về độ thẩm mỹ chưa được cao
-Do thiếu sót trong quá trình tính toán nên về đèn trạng thái ba chế độ START, STOP, HOME vẫn chưa được hoạt động.
-Robot chỉ có khả năng gắp được vật trọng lượng dưới 5kg.
Ứng dụng của robot trong công nghiệp
Cánh tay robot là một trong những hệ thống được mô phỏng lại quá trình hoạt động của cánh tay con người và đã trở thành một phần không thể thiếu trong nhiều ngành công nghiệp nhờ khả năng tự động hóa, tăng năng suất và giảm thiểu lỗi Với những ứng dụng to lớn như :
-Gắp sản phẩm : Cánh tay robot sẽ gắp sản phẩm , nắm các sản phẩm và sắp xếp vào đúng vị trí theo đúng quy định đã được lập trình sẵn
-Xếp dỡ hàng hóa : Robot có thể xếp dỡ, bốc xếp và di chuyển hàng hóa trong kho bãi hoặc trên dây chuyền sản xuất, giúp giảm thiểu lao động tay chân và tối ưu hóa quy trình sản xuất.
-Lắp ráp : Cánh tay robot có thể thực hiện các nhiệm vụ lắp ráp phức tạp với độ chính xác cao, chẳng hạn như lắp ráp linh kiện điện tử, ô tô, và các thiết bị cơ khí
Robot hỗ trợ tự động hóa quy trình đóng gói và xếp thùng, bao gồm đóng gói sản phẩm, xếp vào thùng, và xếp thùng lên pallet Quá trình này diễn ra nhanh chóng và chính xác, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho doanh nghiệp.
Robot hỗ trợ tự động hóa và giảm thiểu lỗi bằng khả năng sắp xếp và phân loại các sản phẩm dựa trên kích thước, hình dạng hoặc màu sắc.
-Xử lý thực phẩm : Trong ngành công nghiệp thực phẩm,cánh tay robot có thể được sử dụng để xử lý và đóng gói thực phẩm một cách vệ sinh, nhanh chóng và hiệu quả.
-Lấy mẫu và thử nghiệm : Trong các phòng thí nghiệm hoặc nhà máy sản xuất, robot kẹp có thể lấy mẫu sản phẩm để thử nghiệm, đảm bảo quy trình kiểm tra diễn ra nhanh chóng và chính xác.
-Kiểm tra chất lượng : Cánh tay Robot có thể nắm giữ và di chuyển các sản phẩm đến các vị trí kiểm tra, sử dụng các cảm biến để phát hiện lỗi và đảm bảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn chất lượng.
-Ứng dụng trong môi trường nguy hiểm : Cánh tay robot có thể làm việc trong các môi trường nguy hiểm như nhiệt độ cao, hóa chất độc hại hoặc phóng xạ, bảo vệ sức khỏe và an toàn cho người lao động.
Ý tưởng để phát triển thêm trong tương lai
Với sự phát triển không ngừng của công nghệ và tự động hóa, cánh tay robot sẽ tiếp tục đóng vai trò quan trọng trong tương lai Chúng là công cụ mạnh mẽ để thúc đẩy năng suất, nâng cao chất lượng và phát triển ngành công nghiệp Bằng cách tiếp cận đúng đắn và tầm nhìn xa, chúng ta có thể xây dựng một tương lai công nghiệp thông minh và bền vững, nơi con người và robot cùng hợp tác để đạt được những thành tựu vượt bậc
- Ý tưởng để phát triển thêm trong tương lai :
+ Chúng em có thể tích hợp thêm camera để ứng dụng vào phân loại sản phẩm theo màu sắc, mã QR hoặc hình dạng sản phẩm , phân biệt sản phẩm lỗi.
+ Ngoài ra còn có thể tích hợp thêm màn hình HMI để có thể điều khiển , giám sát và kiểm soát tập trung dễ dàng hơn, tăng cường khả năng tương tác giữa chúng ta và cánh tay robot.
+ Bên cạnh đó, có thể tích hợp thêm hệ thống IoT sẽ mở ra nhiều khả năng mới, cho phép theo dõi tình trạng thiết bị, thu thập dữ liệu và phân tích để tối ưu hóa hiệu suất hoạt động Hệ thống IoT còn giúp phát hiện và khắc phục sự cố kịp thời, đảm bảo quy trình sản xuất luôn hoạt động ổn định và hiệu quả.