Thông tin đề tài Tên đề tài: Thiết kế và thi công hệ thống bắt vít tự động ứng dụng điều khiển nội suy Mục đích của đề tài: - Nâng cao khả năng sử dụng phần mềm thiết kế SolidWorks, Aut
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong ngành công nghiệp hiện đại, quá trình lắp ráp và bắt vít là một phần không thể thiếu trong quy trình sản xuất các sản phẩm Tuy nhiên, trong quá trình thực hiện công việc này bằng tay có thể gặp phải nhiều hạn chế, như sự chậm trễ, sai sót và không đồng đều giữa các sản phẩm, dẫn đến hiệu suất không cao Đồng thời, sự phụ thuộc vào lao động con người cũng làm tăng nguy cơ về thương tích và sức khỏe lao động Để giải quyết vấn đề này, việc tự động hóa quy trình bắt vít sẽ mang lại nhiều lợi ích đáng kể Với kiến thức và kỹ năng trong lĩnh vực tự động hóa, việc áp dụng điều khiển nội suy thông qua hệ thống điều khiển động cơ Servo sẽ giúp tối ưu hóa quy trình và nâng cao hiệu suất sản xuất Chính vì vậy, nhóm em quyết định nghiên cứu và thực hiện đề tài "Thiết kế và thi công hệ thống bắt vít tự động ứng dụng điều khiển nội suy".
Mục tiêu
Thi công hệ thống bắt vít tự động đáp ứng được tốc độ nhanh, chính xác, đảm bảo hệ thống vận hành đơn giản, hiệu quả và đáp ứng được nhu cầu thực tiễn khi đưa vào ứng dụng sản xuất trong công nghiệp
- Đưa ra ý tưởng và thiết kế phần cứng trên phần mềm SolidWorks
- Xây dựng phần cứng đảm bảo hệ thống cứng cáp, chắc chắn khi vận hành
- Tìm hiểu và lắp ráp chính xác hệ thống phần điện đảm bảo hệ thống vận hành ổn định
- Tìm hiểu và xây dựng được chương trình điều khiển hệ thống thông qua PLC Mitsubishi và màn hình HMI Got2000.
Phạm vi đề tài
Trong đề tài này, nhóm em chỉ thực hiện nghiên cứu, tính toán lựa chọn thiết kế và thi công phần cứng hệ thống bắt vít tự động sử dụng Servo ứng đụng điều khiển nội suy 4 trục và chương trình phần mềm điều khiển thông qua PLC Mitsubishi dòng
Q, HMI Got2000 cùng với các phần mềm liên quan.
Phương pháp nghiên cứu
- Sử dụng phần mềm SolidWorks để thực hiện xây dựng ý tưởng hệ thống và từ mô hình tổng quan đó rồi tiến hành lắp ráp mô hình thực tế
- Sử dụng phần mềm các phần mềm liên quan như GX Works2 để thực hiện xây dựng chương trình trên PLC Mitsubishi dòng Q và cài đặt các tham số Servo,
MR Configurator2 để thực hiện kiểm tra các bộ Driver Servo, GT Designer3 ứng dụng thiết kế giao diện điều khiển cho HMI và các phần mềm khác
- Áp dụng những kiến thức đã học trong môn “Điều khiển lập trình”, “Trang bị điện và khí nén”, “Thực tập điều khiển lập trình” … cùng với kinh nghiệm thực tế để xây dựng, thiết kế hệ thống đảm bảo tính cứng cáp, vận hành ổn định.
Khả năng ứng dụng
Máy bắt vít tự động được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp nhờ vào khả năng tăng năng suất, độ chính xác cao và giảm thiểu công sức lao động Trong ngành sản xuất điện tử và điện thoại di động, máy giúp lắp ráp các linh kiện nhỏ với độ chính xác cao Ngành công nghiệp ô tô và thiết bị gia dụng sử dụng máy để gắn các bộ phận, đảm bảo chất lượng và an toàn sản phẩm Ngoài ra, máy còn được ứng dụng trong sản xuất đồ chơi, nội thất, đóng gói sản phẩm, và năng lượng tái tạo Sự đa dạng trong ứng dụng của máy bắt vít tự động giúp cải thiện quy trình sản xuất và nâng cao chất lượng sản phẩm trong nhiều lĩnh vực.
Nội dung đề tài
Phần còn lại của đề tài gồm những nội dung sau:
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Trong chương này sẽ trình bày về cấu trúc, nguyên lí hoạt động của hệ thống bắt vít tự động, các loại máy đang sử dụng phổ biến và cơ sở lý thuyết về PLC Mitsubishi, Servo Driver, Servo Motor, HMI Got1000
Chương 3 Thiết kế và thi công phần cứng
Trong chương này, nhóm sẽ trình bày các yêu cầu thiết kế phần cứng, thực hiện các tính toán cần thiết và xây dựng mô hình trên phần mềm SolidWorks Từ đó, nhóm sẽ tiến hành thi công mô hình từ khâu cơ khí, lắp đặt đến kết nối các thiết bị Đồng thời trình bày việc lựa chọn các thiết bị tự động hóa, sơ đồ khối của hệ thống và bản vẽ lắp đặt thiết bị
Chương 4 Thiết kế phần mềm
Trong chương này sẽ trình bày về yêu cầu thiết kế phần mềm, giới thiệu về các phần mềm điều khiển và giải thích các thông số cài đặt chuyên biệt cho Servo
Mô tả hệ thống và giải thuật điều khiển, trình bày lưu đồ giải thuật Đồng thời trình bày chi các lệnh sử dụng điều khiển trong chương trình PLC
Chương 5 Kết quả thực nghiệm
Trong chương này sẽ trình bày đánh giá những kết quả đạt được trong quá trình thử nghiệm
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển
Trong chương này, nhóm sẽ đánh giá các kết quả đạt được và phân tích những hạn chế còn tồn tại trong đề tài Đồng thời, đưa ra kết luận tổng quát và đề xuất những hướng phát triển tiềm năng cho tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về các loại máy bắt vít phổ biến trên thị trường
2.1.1 Máy bắt vít cầm tay tự động (Handheld Automatic Screwdrivers)
Hình 2 1 Máy bắt vít cầm tay tự động cấp vít
- Máy cầm tay nhỏ gọn, nhẹ và dễ sử dụng
- Tích hợp hệ thống cấp vít tự động, giảm thiểu thời gian lấy vít bằng tay
- Thường có khả năng điều chỉnh moment xoắn, phù hợp với nhiều loại vít và vật liệu khác nhau
Máy cầm tay được tích hợp hệ thống cấp vít tự động giúp con người sử dụng linh hoạt, dễ sử dụng, chi phí thấp
- Phù hợp cho lắp ráp sản phẩm nhỏ và linh hoạt như đồ điện tử, đồ gia dụng và đồ chơi
- Với thiết kế nhỏ gọn nên được dùng trong các môi trường làm việc cần di chuyển nhiều và yêu cầu độ linh hoạt cao
2.1.2 Máy bắt vít đa trục (Multi – Spindle Screwdrivers)
Hình 2 2 Máy bắt vít đa trục tự động
- Có nhiều đầu bắt vít hoạt động đồng thời
- Tăng năng suất và hiệu quả lắp ráp bằng cách vặn nhiều vít cùng một lúc
- Thường cố định và cần không gian lắp đặt lớn hơn
Máy có nhiều đầu bắt vít hoạt động đồng thời giúp tăng năng suất, hiệu quả cao, đồng nhất
- Sản xuất hàng loạt trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử và máy móc
- Thích hợp cho các dây chuyền lắp ráp yêu cầu vặn nhiều vít cùng lúc để tiết kiệm thời gian.
2.1.3 Máy bắt vít tự động trên bàn (Desktop Automatic Screwdrivers)
Hình 2 3 Máy bắt vít tự động trên bàn
- Thiết kế nhỏ gọn, đặt trên bàn làm việc, dễ cài đặt và vận hành
- Có hệ thống cấp vít tự động và điều khiển điện tử
- Thường có khả năng lập trình để điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn
Giúp tiết kiệm không gian, dễ cài đặt sử dụng và đa năng
- Nhà máy sản xuất nhỏ và vừa, nơi yêu cầu lắp ráp chi tiết nhỏ và đa dạng
- Các công đoạn kiểm tra chất lượng và lắp ráp cuối cùng trong quy trình sản xuất
2.1.4 Máy bắt vít tích hợp hệ thống quang học (Vision – Guided Screwdrivers)
Hình 2 4 Máy bắt vít tích hợp hệ thống quang học
- Tích hợp camera hoặc cảm biến quang học để định vị chính xác vị trí vít
- Hệ thống điều khiển thông minh giúp nhận biết và điều chỉnh vị trí tự động
- Đảm bảo độ chính xác cao và giảm thiểu lỗi lắp ráp
Hệ thống tích hợp quang học giúp máy có độ chính xác cao, tự động hóa thông minh và chất lượng đồng nhất.
- Lắp ráp các sản phẩm yêu cầu độ chính xác cao như thiết bị điện tử, y tế và quang học
- Sử dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi quy trình sản xuất tinh vi và chính xác
2.1.5 Máy bắt vít tự động trên dây chuyền sản xuất (Inline Screwdriving Systems)
Hình 2 5 Máy bắt vít tự động trên dây chuyền sản xuất
- Tích hợp trực tiếp vào dây chuyền sản xuất tự động
- Hoạt động liên tục và đồng bộ với các quy trình sản xuất khác
- Thường không cần sự can thiệp của con người, hoàn toàn tự động
Hệ thống nhiều dây chuyền sản xuất tích hợp hoàn hảo, hiệu suất cao và giảm chi phí lao động
- Sản xuất hàng loạt trong các ngành công nghiệp lớn như ô tô, điện tử, và sản xuất hàng tiêu dùng
- Phù hợp cho các quy trình sản xuất liên tục và tự động hóa cao
2.1.6 Máy bắt vít cánh tay robot (Robotic Screwdriving Systems)
Hình 2 6 Máy bắt vít cánh tay robot
- Sử dụng cánh tay robot để định vị và bắt vít
- Có khả năng hoạt động trong không gian hạn chế và thực hiện các nhiệm vụ phức tạp
- Dễ dàng lập trình và điều chỉnh để phù hợp với nhiều loại sản phẩm và quy trình sản xuất
Tính linh hoạt cao, có thể hoạt động trong không gian hạn chế
- Dây chuyền sản xuất phức tạp, yêu cầu độ chính xác cao và tính linh hoạt
- Sử dụng trong các ngành công nghiệp ô tô, điện tử, và sản xuất thiết bị y tế.
Máy bắt vít tự động trên bàn
Trong phần nghiên cứu này, chúng em tập trung vào việc nghiên cứu và thiết kế một hệ thống bắt vít tự động trên bàn Nên ở phần này chỉ tập trung trình bày, phân tích đặc điểm, nguyên lý loại máy này
2.2.1 Các kiểu máy bắt vít tự động trên bàn phổ biến a Máy bắt vít tự động 1 trục Z
Hình 2 7.Máy bắt vít tự động 1 trục Z – 1 trục Y
- Thiết kế đơn giản, dễ vận hành
- Phù hợp cho các ứng dụng lắp ráp các sản phẩm có cấu trúc đơn giản
- Hạn chế trong việc xử lý sản phẩm phức tạp hoặc đa dạng
- Tốc độ lắp vít thường không cao
Hình 2 8 Máy bắt vít tự động 1 trục Z – 2 trục Y
- Linh hoạt hơn trong việc xử lý các sản phẩm đa dạng và phức tạp
- Tăng tốc độ lắp vít và hiệu suất sản xuất
- Yêu cầu diện tích làm việc lớn hơn
- Chi phí thường cao hơn so với máy 1 trục Z 1 trục Y
Hình 2 9 Máy bắt vít tự động 1 trục Z – 2 trục Y tự động cấp vít
- Khả năng tự động cấp vít sau khi bắt xong, giảm thời gian chờ lấy vít
- Linh hoạt trong việc xử lý sản phẩm và tăng tốc độ sản xuất
- Yêu cầu diện tích làm việc lớn hơn và đòi hỏi vận hành kỹ thuật cao hơn
- Chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn do tính năng tự động cấp vít b Máy bắt vít tự động 2 trục Z
Hình 2 10 Máy bắt vít tự động 2 trục Z – 2 trục Y
- Linh hoạt trong việc xử lý sản phẩm và đa dạng sản phẩm
- Tăng tốc độ lắp vít và hiệu suất sản xuất với khả năng đồng thời làm việc trên nhiều trục
- Có thể điều chỉnh vị trí của sản phẩm theo nhiều hướng, cung cấp độ chính xác cao cho quy trình lắp ráp
- Yêu cầu diện tích làm việc lớn hơn, phù hợp với những nhà máy hoặc dây chuyền sản xuất có không gian rộng
- Cần kỹ thuật viên để vận hành và điều chỉnh máy, đặc biệt là khi cần thay đổi thiết lập sản xuất
Hình 2 11 Máy bắt vít tự động 2 trục Z – 2 trục Y tự động cấp vít
- Khả năng tự động cấp vít sau khi bắt xong, giảm thời gian chờ lấy vít
- Linh hoạt trong việc xử lý sản phẩm và tăng tốc độ sản xuất với khả năng làm việc đa trục và tự động cấp vít
- Cung cấp độ chính xác cao trong quy trình lắp ráp, đảm bảo sự nhất quán và đồng đều của sản phẩm
- Yêu cầu diện tích làm việc lớn hơn và đòi hỏi vận hành kỹ thuật cao hơn, cần phải được giám sát kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động ổn định
- Chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn do tính năng tự động cấp vít
Máy bắt vít tự động để bàn thường có 6 thành phần cơ bản chính: khung máy bàn làm việc, hệ thống cấp vít, đầu bắt vít, động cơ và bộ truyền động, hệ thống điều khiển và hệ thống an toàn
Hình 2 12 Cấu tạo chung của máy bắt vít tự động để bàn a Khung máy bàn làm việc (Work Table Frame)
- Khung máy (Frame): Cấu trúc chính của máy, giữ tất cả các thành phần cố định và đảm bảo sự ổn định toàn bộ hệ thống
- Bàn làm việc (Work Table): Bề mặt lắp đặt các thiết bị, cố định sản phẩm cần lắp ráp b Hệ thống cấp vít (Screw Feeder System)
- Bộ cấp vít tự động để cung cấp vít liên tục cho đầu bắt vít
- Hệ thống rung hoặc băng tải để vận chuyển vít từ kho chứa đến đầu bắt vít c Đầu bắt vít (Screwdriver Head)
- Được gắn vào trục Z và có thể di chuyển lên xuống để bắt vít
- Bao gồm một động cơ hoặc mô-tơ nhỏ để điều khiển đầu bắt vít xoay và bắt vít vào sản phẩm d Động cơ và bộ truyền động (Motors and Actuators)
- Động cơ bước hoặc động cơ servo để điều khiển chuyển động của các trục (X, Y, Z).
- Bộ truyền động tuyến tính hoặc trục vít me để điều khiển chuyển động lên xuống (trục Z), chuyển động dọc (trục Y) và chuyển động ngang (trục X) e Hệ thống điều khiển (Control System)
- PLC (Programmable Logic Controller): Điều khiển và giám sát toàn bộ hoạt động của máy Có thể lập trình để thực hiện các tác vụ phức tạp.
- HMI (Human-Machine Interface): Giao diện người dùng, thường là màn hình cảm ứng, cho phép dễ dàng cài đặt, vận hành và giám sát hệ thống
- Thiết bị điều khiển (Control device): hệ thống các nút nhấn, công tắc được dùng để điều khiển hệ thống f Hệ thống an toàn (Safety System)
- Các tấm chắn hoặc vỏ bọc để bảo vệ người vận hành khỏi các bộ phận chuyển động.
- Công tắc an toàn và các cảm biến để ngắt máy khi có sự cố hoặc khi cửa an toàn mở
Ngoài ra, hệ thống còn một số bộ phận khác như cảm biến, nguồn điện cung cấp, hệ thống làm mát, phần mềm điều khiển
Bước 1 Chuẩn bị sản phẩm và vít:
- Đặt sản phẩm: Sản phẩm cần lắp ráp được đặt cố định trên bàn làm việc của máy, sử dụng các giá đỡ hoặc kẹp để giữ sản phẩm ổn định
- Nạp vít: Vít được nạp vào hệ thống cấp vít tự động (thường là bộ rung hoặc băng tải vít) để sẵn sàng cho quá trình bắt vít
Bước 2 Khởi động hệ thống:
- Khởi động máy: Người vận hành bật máy và thiết lập các thông số hoạt động trên màn hình HMI (Human-Machine Interface)
- Kiểm tra ban đầu: Máy thực hiện các kiểm tra ban đầu để đảm bảo tất cả các cảm biến và động cơ hoạt động bình thường
Bước 3 Định vị sản phẩm:
- Xác định vị trí vít: Hệ thống điều khiển sử dụng cảm biến vị trí để xác định vị trí cần bắt vít trên sản phẩm
- Điều chỉnh đầu bắt vít: Động cơ và bộ truyền động điều chỉnh đầu bắt vít đến vị trí xác định
- Cấp vít vào đầu bắt vít: Hệ thống cấp vít tự động vận chuyển vít đến đầu bắt vít hoặc lập trình di chuyển đến vị trí lấy vít
- Kiểm tra vít: Cảm biến phát hiện vít xác nhận rằng vít đã được cấp vào đầu bắt vít
- Hạ đầu bắt vít: Đầu bắt vít di chuyển xuống vị trí bắt vít
- Vặn vít: Động cơ quay đầu bắt vít để vặn vít vào sản phẩm, trong quá trình này, cảm biến lực (torque sensor) đo và kiểm soát lực vặn vít để đảm bảo đúng tiêu chuẩn kỹ thuật
- Kiểm tra lực vặn: Cảm biến lực đảm bảo rằng vít được vặn chặt với lực cần thiết
Bước 6 Kiểm tra và hoàn thiện:
- Kiểm tra vít: Cảm biến quang và cảm biến lực kiểm tra xem vít đã được bắt chính xác và chắc chắn
- Xác nhận hoàn thành: Sau khi vít được bắt chính xác, hệ thống xác nhận hoàn thành bước bắt vít này
Bước 7 Di chuyển đến vị trí tiếp theo:
- Di chuyển đầu bắt vít: Động cơ và bộ truyền động di chuyển đầu bắt vít đến vị trí vít tiếp theo trên sản phẩm
- Lặp lại quy trình: Các bước cấp vít, bắt vít, và kiểm tra được lặp lại cho đến khi tất cả các vị trí cần bắt vít trên sản phẩm được hoàn thành
Bước 8 Hoàn tất quy trình:
- Kết thúc chu kỳ: Khi tất cả các vị trí vít trên sản phẩm đã được hoàn thành, máy kết thúc chu kỳ hoạt động cho sản phẩm đó
- Tháo sản phẩm: Người vận hành tháo sản phẩm đã hoàn thành khỏi bàn làm việc và có thể đặt sản phẩm mới để bắt đầu chu kỳ mới
2.2.4 Lợi ích của máy bắt vít
- Tăng năng suất: Máy bắt vít tự động thường có tốc độ làm việc cao hơn so với việc thủ công, giúp tăng cường năng suất của dây chuyền sản xuất
- Giảm thời gian: Bằng cách thực hiện các công việc bắt vít tự động, thời gian cần thiết cho mỗi bộ phận hoặc sản phẩm có thể được giảm đáng kể
- Tăng độ chính xác: Máy bắt vít tự động được lập trình để đảm bảo độ chính xác và đồng nhất trong quá trình bắt vít, giảm thiểu sai sót và phát hiện lỗi
- Tiết kiệm lao động: Bằng cách tự động hóa quy trình bắt vít, máy giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công, giúp giảm chi phí và tăng hiệu suất lao động
- Đa dạng sản phẩm: Máy bắt vít tự động có thể được tùy chỉnh để sử dụng cho nhiều loại sản phẩm và ứng dụng khác nhau, cung cấp tính linh hoạt trong quy trình sản xuất
- Giảm mệt mỏi và chấn thương lao động: Việc loại bỏ hoặc giảm thiểu việc thực hiện công việc bắt vít thủ công có thể giảm nguy cơ chấn thương và mệt mỏi cho nhân viên
- Tăng sự nhất quán và chất lượng: Máy bắt vít tự động thực hiện công việc một cách nhất quán và có độ chính xác cao, đảm bảo chất lượng sản phẩm đồng đều và đáng tin cậy.
Giới thiệu chung về PLC
2.3.1 Tổng quan về PLC Định nghĩa: PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động theo chương trình người dùng thiết lập PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển cụ thể PLC có thể coi là một máy tính được thiết kế để hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp
Cấu tạo: PLC được cấu tạo bao gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm CPU, khối ngõ vào (Module input, Analog input), khối ngõ ra (Module output, Analog output)
Hình 2 13 Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC
Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit)
- Để đáp ứng được yêu cầu đã nêu, PLC cần có một CPU tương tự như bộ não máy tính CPU là trung tâm xử lý quan trọng, quyết định tốc độ xử lý và khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC
- CPU là nơi đọc tín hiệu đầu vào từ khối ngõ vào, xử lý và xuất tín hiệu tới khối ngõ ra Ngoài ra, CPU còn chứa các khối chức năng phổ biến như Counter, Timer, các lệnh toán học, chuyển đổi dữ liệu… và các hàm chuyên dụng khác
Khối vào (Module Input): Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)
- Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị phát ra tín hiệu nhị phân, chẳng hạn như công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang, và cảm biến tiệm cận
- Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị phát ra tín hiệu liên tục như: cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách, độ ẩm Khi kết nối, cần lưu ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra của cảm biến với tín hiệu vào mà module AI có thể đọc được Mỗi module AI sẽ có khả năng đọc tín hiệu tương tự khác nhau như dòng điện, điện áp, tổng trở… Độ phân giải của các module AI cũng là một thông số quan trọng, nó cho biết độ chính xác của chuyển đổi ADC
Khối ra (Module Output): Có 2 loại ngõ ra là ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output)
- Các ngõ ra DO được kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo nguyên tắc ON/OFF như: đèn báo, chuông, van điện, động cơ không điều khiển tốc độ…
- Các ngõ ra AO được kết nối với các cơ cấu chấp hành yêu cầu tín hiệu điều khiển liên tục như: biến tần, van tuyến tính…
- Điều khiển linh hoạt: Chương trình có thể dễ dàng thay đổi thông qua việc lập trình khi có nhu cầu thay đổi yêu cầu hoặc đối tượng điều khiển
- Nhiều Timer và Counter: PLC cung cấp nhiều Timer, Counter, và các khối hàm chuyên dụng như phát xung, bộ đếm tốc độ cao, và PID
- Tiết kiệm thời gian: Giảm thiểu việc nối dây do sử dụng chương trình PLC
- Cấu trúc Module: Linh hoạt, tiết kiệm chi phí và dễ dàng mở rộng quy mô điều khiển mà không cần thay thế CPU
- Khả năng truyền thông: Kết nối mạng với máy tính hoặc PLC khác, hỗ trợ điều khiển và giám sát từ xa, xây dựng hệ thống SCADA
- Độ tin cậy cao: Độ tin cậy cao, tuổi thọ lâu dài, khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp
- Giá thành cao: Đắt đỏ, khó ứng dụng cho hệ thống điều khiển đơn giản
- Hiệu quả kinh tế: Không cao so với bộ điều khiển tiếp điểm
- Yêu cầu kiến thức lập trình: Cần kiến thức lập trình để sử dụng hiệu quả
PLC đã thể hiện sự ưu việt và hiện nay đã thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy và dây chuyền công nghệ, giúp tăng hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống, đồng thời giảm nhân công và rủi ro từ các lỗi vận hành.
Các loại PLC phổ biến trên thị trường
2.4.1 Các loại PLC có thể áp dụng vào điều khiển vị trí
Các bộ lập trình logic khả trình (PLC) điều khiển vị trí hiện nay rất phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp, giúp tự động hóa và điều khiển các quy trình Dưới đây là một số dòng PLC nổi tiếng thường được sử dụng trong các ứng dụng này: a Siemens SIMATIC S7 Series
- SIMATIC S7-1200: Dành cho các ứng dụng điều khiển nhỏ và trung bình, hỗ trợ các tính năng điều khiển vị trí cơ bản
- SIMATIC S7-1500: Dành cho các ứng dụng điều khiển phức tạp và yêu cầu hiệu suất cao, có tích hợp các mô-đun công nghệ cho điều khiển vị trí và chuyển động b Rockwell Automation Allen-Bradley
- Micro800 Series: Dành cho các ứng dụng nhỏ, có khả năng điều khiển vị trí cơ bản
- CompactLogix và ControlLogix: Được sử dụng trong các ứng dụng từ trung bình đến phức tạp, với khả năng tích hợp các mô-đun điều khiển chuyển động cho các hệ thống điều khiển vị trí tiên tiến c Mitsubishi Electric
- FX5U Series: Một dòng PLC mạnh mẽ với các khả năng mở rộng và điều khiển vị trí tốt cho các ứng dụng từ nhỏ đến trung bình
- Q Series: Dòng PLC cao cấp, hỗ trợ các ứng dụng điều khiển vị trí phức tạp với các mô-đun chuyển động và điều khiển chính xác d Panasonic
- FP-X Series: Dòng PLC dành cho các ứng dụng nhỏ và trung bình, với khả năng điều khiển vị trí cơ bản
- FP7 Series: Dòng PLC mạnh mẽ dành cho các ứng dụng điều khiển phức tạp, với các tính năng điều khiển chuyển động tích hợp
2.4.2 Lý do chọn PLC Mitsubishi Q Series cho hệ thống
Dòng PLC Mitsubishi Q Series là một trong những lựa chọn hàng đầu cho các ứng dụng điều khiển vị trí chính xác vì nhiều lý do cụ thể như sau:
- Hiệu suất cao và tốc độ xử lý nhanh: Xử lý nhanh, chính xác, điều khiển động cơ servo mượt mà, tối ưu hóa thời gian và chất lượng bắt vít
- Khả năng điều khiển đa trục: Điều khiển đồng thời nhiều trục, đồng bộ hoàn hảo, nâng cao năng suất và độ tin cậy
- Hỗ trợ giao thức truyền thông tiên tiến: Hỗ trợ Ethernet, CC-Link, Modbus
Giao tiếp hiệu quả, cải thiện hiệu suất và độ tin cậy
- Khả năng mở rộng linh hoạt: Thiết kế mô-đun, dễ mở rộng, tiết kiệm chi phí và thời gian khi nâng cấp
- Phần mềm lập trình mạnh mẽ: GX Works hỗ trợ lập trình, cấu hình, giám sát dễ dàng, tối ưu quy trình làm việc, đảm bảo hiệu quả và tin cậy
Kết luận: PLC Mitsubishi Q Series mang lại hiệu suất cao, linh hoạt, dễ mở rộng và tin cậy, đáp ứng các yêu cầu tự động hóa công nghiệp, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.
Các loại Servo phổ biến trên thị trường
2.5.1 Các loại Servo có thể áp dụng vào hệ thống
Dòng servo được sử dụng phổ biến nhất trên thị trường thường là do sự kết hợp của độ tin cậy, hiệu suất, tính linh hoạt, và hỗ trợ kỹ thuật từ nhà sản xuất Dưới đây là một số dòng servo phổ biến nhất từ các nhà sản xuất hàng đầu: a Yaskawa Sigma-7 Series
- Lý do phổ biến: Khả năng điều khiển chính xác cao, độ tin cậy vượt trội, tốc độ đáp ứng nhanh
- Tính năng: Hỗ trợ đa trục, tích hợp nhiều chức năng an toàn, dễ dàng lập trình và tích hợp b Mitsubishi MELSERVO-J3 Series
- Lý do phổ biến: Dòng MELSERVO-J3 của Mitsubishi được biết đến với hiệu suất cao và tính ổn định, đáp ứng các yêu cầu khắt khe của nhiều ứng dụng công nghiệp
- Tính năng: Điều khiển chuyển động chính xác, khả năng giảm rung và tiếng ồn, tích hợp các tính năng an toàn và dễ dàng bảo trì c Panasonic MINAS A6 Series
- Lý do phổ biến: Tốc độ cao và độ chính xác trong điều khiển, thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu cao về chuyển động
- Tính năng: Chống rung, tiết kiệm năng lượng, dễ dàng kết nối với hệ thống tự động hóa d Siemens SINAMICS S120
- Lý do phổ biến: Siemens SINAMICS S120 được dùng trong các ứng dụng công nghiệp yêu cầu độ chính xác và hiệu suất cao
- Tính năng: Hỗ trợ điều khiển đa trục, tích hợp với hệ thống tự động hóa của
Siemens, khả năng tùy chỉnh cao và dễ dàng mở rộng e Fanuc Alpha i Series
- Lý do phổ biến: Dòng Alpha I của Fanuc rất phổ biến trong các ứng dụng
CNC và robot công nghiệp nhờ vào độ tin cậy và hiệu suất cao
- Tính năng: Khả năng điều khiển chính xác và tốc độ cao, dễ dàng tích hợp với các hệ thống Fanuc khác, độ bền và ổn định cao f Omron G5 Series
- Lý do phổ biến: Dòng G5 của Omron được ưa chuộng vì hiệu suất cao và tính linh hoạt, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp
- Tính năng: Điều khiển chính xác, tốc độ đáp ứng nhanh, dễ dàng lập trình và tích hợp với các hệ thống tự động hóa khác
2.5.2 Lý do chọn Servo Mitsubishi
- Độ chính xác và đồng bộ hóa cao: Đảm bảo điều khiển vị trí và tốc độ chính xác, đồng bộ hoàn hảo giữa các trục
- Hỗ trợ các giao thức truyền thông tiên tiến: Tích hợp EtherCAT và CC-Link, truyền thông dữ liệu nhanh chóng và ổn định
- Tính linh hoạt và khả năng mở rộng: Thiết kế mô-đun, dễ dàng mở rộng hệ thống mà không ảnh hưởng đến cấu trúc và hoạt động hiện tại
- Độ tin cậy và độ bền cao: Hoạt động liên tục trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, giảm thời gian ngừng máy và chi phí bảo trì
- Tiết kiệm không gian và chi phí dây cáp: Sử dụng mạng truyền thông giảm chi phí và không gian cho dây cáp, giảm rủi ro nhiễu tín hiệu
Kết luận: Chọn servo Mitsubishi cho hệ thống bắt vít tự động điều khiển nội suy 4 trục mang lại nhiều ưu điểm vượt trội, bao gồm độ chính xác cao, độ tin cậy đáng tin cậy và khả năng tích hợp linh hoạt, từ đó đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe trong quy trình sản xuất tự động hóa công nghiệp
Lý do chọn Servo chạy mạng
Trong ứng dụng này, việc chọn servo chạy mạng (servo với giao tiếp mạng) thay vì servo chạy xung cho hệ thống bắt vít tự động có nhiều lợi ích về hiệu suất, đồng bộ hóa và khả năng mở rộng Dưới đây là bảng so sánh chi tiết giữa hai loại servo này:
Tiêu chí Servo chạy mạng Servo chạy xung Độ chính xác và đồng bộ hóa
Cao, độ trễ thấp Có thể gặp khó khăn trong việc duy trì đồng bộ Khả năng truyền thông
Tốc độ cao, ổn định (EtherCAT, CC-Link)
Phụ thuộc vào tốc độ xung, có thể không ổn định Khả năng mở rộng
Dễ dàng, chỉ cần kết nối thêm vào mạng
Phức tạp hơn, cần thêm cáp và điều chỉnh bộ điều khiển Giảm thiểu nhiễu điện từ (EMI)
Tốt hơn, sử dụng cáp mạng chống nhiễu
Dễ ảnh hưởng bởi nhiễu điện từ Tính linh hoạt và hiệu quả quản lý
Cao, hỗ trợ phần mềm lập trình linh hoạt Ít linh hoạt, cần thay đổi phần cứng để điều chỉnh Hiệu suất Cao, phù hợp điều khiển nội suy nhiều trục
Phù hợp với các ứng dụng đơn giản hơn
Kết luận: Dựa vào bảng so sánh trên ta thấy chọn loại Servo chạy mạng cho hệ thống bắt vít tự động ứng dụng điều khiển nội suy mang lại nhiều lợi ích vượt trội về độ chính xác, đồng bộ hóa, khả năng mở rộng, giám sát và chẩn đoán từ xa, tiết kiệm không gian và chi phí dây cáp Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể cao hơn, nhưng về lâu dài hệ thống sẽ hoạt động ổn định và hiệu quả, đáng tin cậy hơn, đáp ứng tốt các yêu cầu khắt khe của quá trình sản xuất tự động hóa trong công nghiệp.
Hệ thống điều khiển định vị Servo Mitsubishi
Hình 2 14 Các thành phần cơ cấu nên hệ điều khiển Servo
Trong cấu hình này gồm 3 thành phần chính:
+ Thành phần lệnh (Bộ điều khiển): bộ phận phát ra các tín hiệu lệnh điều khiển thông qua cáp quang SSCNET cho Servo dòng B
+ Thành phần điều khiển (Bộ khuếch đại Servo): Nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, chuyển đổi và cấp nguồn cho động cơ, đồng thời cập nhật vị trí động cơ thông qua tín hiệu từ Encoder
+ Thành phần dẫn động (Động cơ Servo): là một thiết bị điều khiển độc lập, cung cấp động năng để quay các chi tiết máy, thiết bị khác một cách chính xác
Hình 2 15 Cơ chế hoạt động của bộ điều khiển động cơ Servo
Tín hiệu lệnh từ Module định vị sẽ được đưa vào bộ khuếch đại Servo Sau đó, bộ khuếch đại nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển và thực hiện chuyển đối tín hiệu đó Đồng thời, cấp nguồn điện cần thiết cho động cơ Servo để nó có thể hoạt động theo hướng dẫn của tín hiệu lệnh đầu vào Bộ mã hóa đọc giá trị vòng quay động cơ servo và gửi nó dưới dạng tín hiệu phản hồi đến bộ khuếch đại Servo Tiếp đến, bộ khuếch đại servo kiểm tra sự khác biệt giữa tín hiệu lệnh và tín hiệu phản hồi Nếu tín hiệu lệnh khớp với tín hiệu phản hồi thì động cơ đang hoạt động bình thường Ngược lại, nếu tín hiệu lệnh khác với tín hiệu phản hồi thì chứng tỏ động cơ đang hoạt động chậm hoặc nhanh thì lúc đó bộ điều khiển sẽ điều chỉnh tín hiệu lệnh và cấp lại nguồn điện giúp điều chỉnh lại tốc độ động cơ.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG PHẦN CỨNG
Yêu cầu thiết kế
- Thiết kế cấu trúc khung máy cứng cáp, bền bỉ chống chịu được va đập và độ rung khi động cơ servo hoạt động
- Thực hiện tiến hành lắp ráp các trục vít me, puly và dây đai sao cho cứng cáp, chính xác, tránh trượt răng trong lúc Servo hoạt động, đảm bảo độ chính xác cao
- Thực hiện lắp đặt các thiết bị sao cho gọn gàng, hợp lí và dễ điều khiển, vận hành hoạt động
- Thực hiện lắp đặt các thiết bị điện như driver, CPU… phân bổ bố cục sao cho hợp lí, đơn giản và dễ bảo trì, sửa chữa
- Thực hiện kết nối đấu dây gọn gàng, chính xác, độ bền cao và đảm bảo tính an toàn về điện.
Thiết kế phần cứng trên SolidWorks
Hình 3 1 Hình ảnh tổng thể mô hình SolidWorks
Các bước tiến hành thiết kế trên SolidWorks
Bước 1: Nghiên cứu, tham khảo ý tưởng thiết kế và tiến hành xây dựng mô hình Bước 2: Thiết kế khung máy phù hợp với các bộ phận cơ cấu lắp đặt Sau khi tính toán, đo đạc kỹ lưỡng chúng em đưa ra quyết định xây dựng khung máy như sau:
Hình 3 2 Hình ảnh khung máy trên SolidWorks
Bước 3: Tiến hành tính toán, lắp đặt các trục Vit me (X, Y, Z) – cơ cấu chính của hệ thống lên khung và mặt bàn
Hình 3 3 Hình ảnh lắp đặt các trục Vit me lên khung bàn trên SolidWorks
Bước 4: Tiến hành tính toán, thiết kế chi tiết cơ cấu bắt vít trục Z và lựa chọn vật liệu cũng như các thành phần cơ khí phù hợp Đồng thời, thiết kế bộ khung đựng vật mẫu đảm bảo tính chắc chắn trong lúc thực hiện bắt vít
Hình 3 4 Hình ảnh lắp ráp cơ cấu bắt vít trục Z và khung vật trên SolidWorks
Bước 5: Tiến hành tính toán và bố trí các thiết bị điện điều khiển như công tắc, nút nhấn, đèn cảnh báo, máy cấp vít và màn hình HMI lên khung hệ thống
Hình 3 5 Hình ảnh bố trí các thiết bị điện trên SolidWorks
Hình 3 6 Hình ảnh bố trí các nút nhấn, công tắc trên SolidWorks
Bước 6: Tiến hành lắp máng cáp, đấu dây kết nối các thiết bị Kiểm tra điều chỉnh hợp lí hoàn thiện hệ thống
Hình 3 7 Hình ảnh sau khi hoàn thiết thiết kế trên SolidWorks
Lựa chọn thiết kế phần cơ khí
Hình 3 8 Khung bàn máy bắt vít tự động
- Khung bàn được làm từ 2 thành phần chính đó là sắt hộp 4*4 dùng để làm khung và gỗ ép dùng để làm mặt bàn và bề mặt lắp các thiết bị điện
- Khung bàn được thiết kế dựa theo hình dạng chiếc ghế cổ điển với 3 phần chính:
+ Phần mặt bàn ở trên dùng để lắp đặt 2 trục Y, máy cấp vít và các cơ cấp chấp hành nút nhấn
+ Phần mặt bàn đứng ở dưới dùng để lắp đặt các thiết bị điện điều khiển như CPU, driver, relay, CB…
+ Khung sắt vuông ở trên dùng để lắp đặt trục XZ của cơ cấu để thực hiện điều khiển bắt vít
- Kích thước khung bàn: 700*650*1150 (mm)
- Kích thước mặt bàn: 700*730 (mm)
- Kích thước mặt bảng điều khiển: 560*580 (mm)
Trục X Vitme thực hiện di chuyển trục Z đến vị trí mong muốn để thực hiện lấy vít và bắt vít
- Hãng sản xuất: LPK (Hàn Quốc)
- Đường kính trục Vít me: 15mm
- Động cơ Servo sử dụng thích hợp: 200 - 400W b Trục Y (2 thiết bị)
Trục Y Vít me có nhiệm vụ di chuyển phôi vào để hệ thống thực hiện bắt vít
- Đường kính trục Vít me: 15mm
- Động cơ Servo sử dụng thích hợp: 200 - 400W
- Xuất xứ: Hàn Quốc c Trục Z
Trục Z Vít me có nhiệm vụ di chuyển Tua vít điện đến vị trí đã được thiết lập và thực hiện lên xuống để lấy vít và bắt vít tự động
- Đường kính trục Vít me: 15mm
- Động cơ Servo sử dụng thích hợp: 100W
Lựa chọn thiết bị phần điện – điều khiển
Bộ nguồn PLC Mitsubishi Q61P thiết kế nhỏ gọn với nguồn cấp 100-240V- 50Hz dòng ra 5VDC-6A thích hợp cho các bộ lập trình PLC Mitsubishi dòng Q như: Q00UCPU, Q002UCPU, Q03UDECPU…
- Tên sản phẩm: Power Unit Q61P
- Loại Base Unit tương thích: Q3B
- Điện áp đầu vào: 100 - 240VAC
- Điện áp đầu ra: 5VDC
- Hãng sản xuất: Mitsubishi – Nhật Bản
PLC Mitsubishi Q03UDECPU thuộc dòng PLC Mitsubishi QCPU PLC này hỗ trợ đa dạng các kiểu module chức năng (truyền thông, Analog, phát xung, I/O…) Với khả năng hỗ trợ số lượng đầu vào I/O tối đa ở mức khá lớn và chức năng sao lưu qua thẻ SD Q03UDECPU đáp ứng nhu cầu hệ thống tương tự Ngoài ra, việc mở rộng thêm các Remote I/O cũng như kết nối CC-Link IE Field Network công nghiệp rất thuận tiện cho việc quản lý và vận hành nhiều loại thiết bị trong nhà máy
- Bộ nhớ chương trình: 30k bước lệnh
- Tốc độ xử lý lệnh: 9.5ns
- Tổng I/O cơ bản tối đa: 4096
- Tổng đầu I/O mở rộng với CC-Link: 8192
- Cổng kết nối: USB mini, Ethernet
- Hỗ trợ thẻ nhớ SD để sao lưu dữ liệu thanh ghi
- Hỗ trợ kết nối CC-Link IE Field Network (phụ thuộc Version)
- Số trục kiểm soát: 4 trục
- 2/3/4 trục tuyến tính nội suy, 2 trục nội suy tròn
- Khả năng định vị: 600 dữ liệu/trục
- Đơn vị điều khiển: mm, inch, pulse, degree
- Kết nối với SSCNET III
Hình 3 15 Module ngõ vào QX42
- Loại module đầu vào/ đầu ra: Module ngõ vào
- Kiểu lắp đặt: Chân cắm
- Thiết bị tương thích: MELSEC-Q series
- Điện áp đầu vào: 24VDC
- Phương pháp đấu nối: 40-pins connectors
- Catelogy: Module mở rộng kỹ thuật số
- Môi trường hoạt động: Trong nhà
- Tiêu chuẩn: CE, EAC, UL
Hình 3 16 Module ngõ ra QY10
- Loại module đầu vào/ đầu ra: Module ngõ ra
- Kiểu đấu nối ngõ ra digital: Relay
- Dòng tải ngõ ra Max: 2A at 24VAC, 2A at 24VDC
- Kiểu lắp đặt: Chân cắm
- Thiết bị tương thích: MELSEC-Q series
- Phương pháp đấu nối: Screw terminals
- Catelogy: Module mở rộng kỹ thuật số
- Tên sản phẩm: Main Base Q35B Mitsubishi
- Số lượng đầu vào/ra: 5 Slots
- Kích thước lỗ cắm: phi 4.5
Bộ điều khiển MR-J3- B có nhiều ứng dụng trong điều khiển vị trí với độ chính xác cao Điều chỉnh tốc độ cao trong máy móc và dây chuyền công nghiệp, ứng dụng trong điều khiển tuyến tính và lực căng a Driver MR – J3 – 20B
- Nguồn cấp: 1 pha hoặc 3 pha 200 - 230VAC
- Phương pháp điều khiển: Điều chế độ rộng xung/Điều chỉnh dòng điện
- Các chế độ điều khiển: Điều khiển vị trí/tốc độ/moment (P-S-T)
- Độ phân giải Encoder: 18 bit (262.144 P/rev)
- Hỗ trợ kết nối truyền thông qua cáp quang SSCNET III
- Kết nối với máy tính: Cáp MR-J3USBCBL3M
- Phần mềm giám sát và cài đặt thông số: MR Configurator 2
- Tiêu chuẩn IP67 kháng nước kháng bụi
- Hãng sản xuất: Mitsubishi, Nhật Bản
- Kết hợp với Motor: HF-MP23, HF-MP23B, HF-MP23K, HF-MP23BK, HF-KP23, HF-KP23B, HF-KP23K, HF-KP23BK b Driver MR – J3 – 10B
- Nguồn cấp: 1 pha hoặc 3 pha 200 - 230VAC
- Phương pháp điều khiển: Điều chế độ rộng xung/Điều chỉnh dòng điện
- Các chế độ điều khiển: Điều khiển vị trí/tốc độ/moment (P-S-T)
- Độ phân giải Encoder: 18 bit (262.144 P/rev)
- Hỗ trợ kết nối truyền thông qua cáp quang SSCNET III
- Kết nối với máy tính: Cáp MR-J3USBCBL3M
- Phần mềm giám sát và cài đặt thông số: MR Configurator 2
- Tiêu chuẩn IP67 kháng nước kháng bụi
- Hãng sản xuất: Mitsubishi, Nhật Bản
- Kết hợp với motor: HF-MP053, HF-MP053B, HF-MP13, HF-MP13B, HF- KP053, HF-KP053B, HF-KP13, HF-KP13B
3.4.8 Động cơ Servo Động cơ Servo là một thiết bị điện hoạt động độc lập, được sử dụng để thực hiện quay các bộ phận của máy với hiệu suất và độ chính xác cao Trục đầu ra của động cơ này có thể di chuyển đến một góc, một vị trí với một vận tốc chỉ định trước mà động cơ thông thường không có a Servo HF – MP23
Hình 3 20 Động cơ Servo HF-MP23
- Tốc độ quay: 3000 - 6000 vòng/phút
- Mô men xoắn: 0.64 Nm, tối đa 1.9 Nm
- Encoder 18-bit, độ phân giải 262.144 xung/vòng
- Tương thích với Servo Amplifier: MR-J3-20A-RJ006, MR-J3-20A1-RJ006, MR-J3-20B-RJ006, MR-J3-20B1-RJ006, MR-J3-20T, MR-J3-20T1
- Ứng dụng trong điều khiển tốc độ, vị trí
- Hãng sản xuất: Mitsubishi - Nhật Bản b Servo HG – KR13
Hình 3 21 Động cơ Servo HG-KR13
- Điện áp cung cấp: 200VAC
- Tốc độ quay: 3000 - 6000 vòng/phút
- Mô men xoắn: 0.32 Nm, tối đa 1.1 Nm
- Encoder 22-bit, độ phân giải 4.194.304 xung/vòng
- Tương thích với Servo Amplifier: MR-J4-10B, MR-J4-10B-RJ, MR-J4 10A, MR-J4-10A-RJ
- Ứng dụng trong điều khiển tốc độ, vị trí
- Hãng sản xuất: Mitsubishi - Nhật Bản
Nguồn tổ ong giúp biến đổi nguồn điện xoay chiều sang nguồn điện một chiều nhằm phù hợp với mục đích sử dụng Nguồn điện 24VDC thực hiện nhiệm vụ cung cấp nguồn cho HMI, relay, module ngõ vào và ngõ ra
Hình 3 22 Nguồn tổ ong EWS100-24
- Điện áp ngõ vào: 100-240VAC 50-60 Hz
- Điện áp ngõ ra: 24VDC 4.2 Amp
3.4.10 Màn hình HMI GT25 Series Mitsubishi Got2000
Màn hình hiển thị GOT được tạo ra trên máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng
GT Designer 3 Sử dụng GT Designer3 tạo ra các chức năng cho GOT bằng cách cài đặt vào màn hình hiển thị các thành phần có chức năng tương ứng như: công tắc, đèn, hiển thị số… và các đối tượng khác Sau đó thực hiện cài đặt các thuộc tính, chức năng hoạt động kết nối với CPU PLC
Hình 3 23 Màn hình HMI GT2505-VTBD
- Điện áp ngõ vào: 24VDC
- Kích thước màn hình: 5.7 inch
3.4.11 Nút nhấn a Nút nhấn nhả
Nút nhấn được sử dụng để thực hiện các tác vụ như khởi động máy, dừng và đặt lại hệ thống
Hình 3 24 Nút nhấn nhả không đèn phi 22 LA38
- Màu sắc: đỏ, vàng, xanh lá b Nút nhấn khẩn cấp
Nút nhấn khẩn cấp cho phép nhân viên nhanh chóng và dễ dàng tắt hệ thống khi gặp phải các tình huống nguy hiểm hoặc sự cố cần ngừng ngay lập tức, đảm bảo an toàn cho bản thân và những người xung quanh
Hình 3 25 Nút nhấn dừng khẩn cấp LA38
- Tiếp điểm bạc dày, chất lượng tốt c Công tắc xoay
Công tắc xoay được sử dụng để thực hiện điều khiển hệ thống hai chế độ: Auto và Manual
Hình 3 26 Công tắc xoay 2 vị trí LA38-203 AC 440V 10A
- Trạng thái: NO và NC
Tô vít điện HX800 được hệ thống các trục vitme di chuyển đến vị trí xác định trước để thực hiện bắt vít
Hình 3 27 Tô vít điện HX800
- Chuyên dùng tháo hoặc lắp các thiết bị điện tử laptop, đài, radio, tivi, máy tính… sử dụng điện áp từ 12V đến 36V
- Adapter theo tuốc nơ vít điện có điều chỉnh điện áp với mục đích thay đổi tốc độ máy
- Thân tuốc nơ vít gồm có 1 cần ở vị trí dễ thao tác khi thực hiện và 1 contact đảo chiều
Cảm biến quang được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: phát hiện vật thể, phát hiện các linh kiện điện tử, phát hiện gói hàng nằm ngoài giá để hàng, phát hiện khay cho dây chuyền chế biến rau quả, phát hiện phôi trong máy chế biến gỗ Và ở hệ thống này cảm biến quang chữ U được sử dụng để thực hiện nhiệm vụ phát hiện điểm giới hạn trên, giới hạn dưới và điểm cận home Từ đó gửi tín hiệu xuống CPU để thực hiện các chức năng đóng ngắt và tìm vị trí home nhanh chóng a Cảm biến quang chữ U PM – T64 PANASONIC
Hình 3 28 Cảm biến quang chữ U PM-T64
- Loại cảm biến: kiểu chữ U
- Nguồn cung cấp: 5 đến 24VDC
- Khoảng cách phát hiện: 5mm
- Tần số đáp ứng: 1Khz
- Chế độ: Light-On và Dark-On b Cảm biến quang chữ U EE – SX472 OMRON
Hình 3 29 Cảm biến quang chữ U EE-SX472 OMRON
- Loại cảm biến: Kiểu chữ U
- Nguồn ánh sáng: Hồng ngoại IR
3.4.14 Máy cấp vít tự động dạng đĩa xoay PLD – 619C
Máy cấp vít tự động giúp cấp vít một cách chính xác và tốc độ, đảm bảo hệ thống hoạt động linh hoạt, không bị gián đoạn
Hình 3 30 Máy cấp vít tự động PLD – 619C
- Điện áp đầu vào: 220VAC
- Điện áp sử dụng: 15VDC
- Tốc độ ra vít: 50-80v/phút
Sơ đồ kết nối mạch điện
Hình 3 31 Sơ đồ kết nối tổng thể hệ thống
Sơ đồ hình (3.31) thể hiện cách kết nối tổng thể giữa các thiết bị ngoại vi như HMI, hệ thống Servo, PC, Sensor… với các Module điều khiển hệ thống Qua đó, sơ đồ này giúp ta nhìn rõ và hiểu được cách kết nối các thiết bị trong hệ thống một cách tổng quan và dễ hiểu nhất
Hình 3 32 Sơ đồ kết nối mạch động lực
Sơ đồ hình (3.32) thể hiện mạch kết nối động lực cho nguồn tổ ong, Q61P và hệ thống Servo Driver đảm bảo cung cấp nguồn an toàn và ổn định thông qua thiết bị đóng ngắt bảo vệ MCB
Hình 3 33 Sơ đồ kết nối hệ thống Servo
Sơ đồ hình (3.33) thể hiện mạch kết nối giữa Driver Servo và Servo Motor thông qua dây cáp nguồn, dây cáp Encoder Ngoài ra, sơ đồ còn thể hiện cách kết nối giữa các driver Servo thông qua dây cable SSCNET với module vị trí QD75MH4
Hình 3 34 Sơ đồ kết nối ngõ vào ra hệ thống
Sơ đồ hình (3.34) thể hiện mạch kết nối giữa các thiết bị đầu vào (công tắc, nút nhấn) và thiết bị đầu ra (đèn báo, tuốc nơ vít điện) với QX42 và QY20 Ở trong hệ thống này, ta kết nối các thiết bị ngõ vào theo kiểu Sourcing và thiết bị đầu ra theo kiểu Sinking
Hình 3 35 Sơ đồ kết nối hệ thống cảm biến
Sơ đồ hình (3.35) mô tả cách kết nối hệ thống cảm biến với QD75MH4 để truyền tín hiệu từ các cảm biến Limit Upper, Limit Low và cảm biến tiệm cận Dog đến QD75MH4 thông qua relay Trong hệ thống này, các cảm biến được sử dụng là cảm biến loại NPN, chúng được điều khiển thông qua tiếp điểm relay để chuyển đổi tín hiệu từ loại NPN sang loại PNP Do đó, chúng ta thực hiện kết nối theo kiểu Sinking với QD75MH4.
Bảng giá danh sách thiết bị
STT Tên thiết bị SL Đơn giá Thành tiền Nơi cấp
2 Trục X Vit me 1 1.040.000 1.040.000 Chị Trang
3 Trục Y Vit me 2 685.000 1.370.000 Anh Sơn
4 Trục Z Vit me 1 750.000 750.000 Anh Hùng
8 Module ngõ vào QX42 1 Thầy Thanh
9 Module ngõ ra QY10 1 Thầy Thanh
12 Servo HG-KR13 1 Thầy Thanh
20 Nút nhấn nhả không đèn
21 Hộp nút nhấn 1 lỗ 3 30.000 90.000 Tuyết Nga
22 Công tắc đơn xoay 2 vị trí
23 Nút dừng khẩn cấp LA38 1 42.000 42.000 Tuyết Nga
24 Hộp nút nhấn 4 lỗ 1 55.000 55.000 Tuyết Nga
25 Tô vít điện HX800 1 320.000 320.000 Đồ dùng công nghệ
28 Dây điện 2.0mm 15m 9.000 135.000 Tuyết Nga
29 Dây điều khiển 1.0mm 50m 3.000 150.000 Tuyết Nga
32 Cáp Mitsubishi Q40CBl 1 Thầy Thanh
34 Cầu đấu IO-LINK XTB-
36 Cáp lập trình USB mini 1 20.000 20.000 Tuyết Nga
Thi công mô hình
Bước 1: Sau khi thiết kế khung bàn trên phần mềm SolidWorks, ta tiến hành đo, cắt, và hàn như khung bàn dưới đây:
Hình 3 36 Hình ảnh thiết kế khung bàn sau khi hoàn thiện
Bước 2: Thực hiện lắp ráp các bully, dây đai và Servo vào các trục vit me và tiến hành kiểm tra từng bộ phận thiết bị
Hình 3 37 Hình ảnh tiến hành kiểm tra các trục vitme
Bước 3: Tiến hành lắp ráp các trục vít me chuyển động vào khung bàn như thiết kế:
Hình 3 38 Hình ảnh sau khi lắp đặt các trục Vit me hoàn thành
Bước 4: Tiến hành thiết kế hệ thống bắt vít trục Z và khung đỡ phôi trên SolidWorks, sau đó tiến hành cắt mica lắp ráp và hoàn thiện phần cứng
Hình 3 39 Hình ảnh hệ thống bắt vít trục Z và khung đỡ phôi hoàn thiện
Hình 3 40 Hình ảnh phần cơ khí sau khi hoàn thiện
Bước 1: Tiến hành kiểm tra hoạt động của cảm biến trước khi lắp đặt Chạy thử chế độ Jog cho các hệ thống Servo và Driver, đảm bảo tất cả thiết bị hoạt động ổn định trước khi tiến hành lắp đặt vào hệ thống
Hình 3 41 Hình ảnh tiến hành kiểm tra hệ thống Servo trước khi lắp đặt
Bước 2: Tiến hành bố trí các thiết bị chính vào khu vực lắp đặt hệ thống điều khiển
Cố định chắc chắn các thiết bị tại vị trí đã định, đảm bảo thiết bị được lắp đặt đúng theo thiết kế
Hình 3 42 Hình ảnh tiến hành bố trí, lắp đặt thiết bị điện
Bước 3: Tiến hành bấm cod, ghi tagname, và lắp đặt máng cáp theo bản vẽ thiết kế
Kết nối các thiết bị lại với nhau đảm bảo đúng kỹ thuật, đảm bảo tất cả các bước đều tuân thủ theo như thiết kế
Hình 3 43 Hình ảnh hệ thống phần điện sau khi thi công
Bước 4: Hoàn thiện đi dây các thiết bị ngoại vi còn lại như nút nhấn, công tắc, đèn báo…Sau đó, tiến hành đo và kiểm tra nguội bằng đồng hồ VOM trước khi đóng điện
Hình 3 44 Hình ảnh hoàn thiện các thiết bị ngoại vi còn lại
Bước 5: Hoàn thiện thi công phần điện điều khiển đảm bảo các thành phần điện – điều khiển hoạt động chính xác và hiệu quả Sau đó, tiến hành nghiên cứu và xây dựng giải thuật điều khiển cho hệ thống
Hình 3 45 Hình ảnh hệ thống phần điện sau khi hoàn thiện
THIẾT KẾ PHẦN MỀM
Yêu cầu thiết kế
- Hiểu rõ các thông số kỹ thuật Servo để cấu hình chính xác đảm bảo hệ thống hoạt động đúng yêu cầu
- Tìm hiểu về quy trình hoạt động và giải thuật điều khiển, từ đó xây dựng được lưu đồ điều khiển hệ thống
- Xây dựng chương trình PLC điều khiển đảm bảo hệ thống hoạt động chính xác và ổn định
- Thiết kế và xây dựng giao diện HMI điều khiển hệ thống sao cho vận hành và giám sát đơn giản, kịp thời và nhanh chóng.
Quy trình hoạt động và giải thuật điều khiển
Mô hình hoạt động dựa trên 2 chế độ chính là Manual và Auto Ở chế độ Manual, hệ thống sẽ phân quyền cho Admin (Kỹ thuật viên) để kiểm tra, thiết lập các thông số trước khi vận hành tự động Còn ở chế độ Auto, hệ thống sẽ phân quyền cho Monitor (Công nhân) để thực hiện vận hành và giám sát
Chế độ bằng tay (manual) Ở chế độ này, hệ thống phân quyền cho Kỹ thuật viên được bảo mật bằng mật khẩu riêng Khi đăng nhập thành công vào trang “Admintor”, hệ thống sẽ hiển thị các phím chức năng để kỹ thuật viên có thể kiểm tra, thiết lập các thông số Tại đây, kỹ thuật viên sẽ khởi động “On Servo” để tiến hành cài đặt các nhiệm vụ tiếp theo và lúc này đèn tháp sẽ sáng đèn xanh
+ Test JOG (Kiểm tra Servo): tại giao diện này, kỹ thuật viên tiến hành kiểm tra JOG các trục Servo (X - Y1 & Y2 – Z) với tốc độ khác nhau để kiểm tra chất lượng động cơ, sau đó tiến hành cho các trục về gốc 0 (HOME) để Servo có thể xác định được tọa độ vị trí chính xác khi thực hiện nhiệm vụ tiếp theo
+ Teach Point (Dạy điểm): sau khi test JOG, kỹ thuật viên thực hiện dạy điểm bắt vít cho hệ thống bởi các phím chức năng di chuyển và về gốc của từng trục
+ Test Point (Kiểm tra điểm): Sau khi thực hiện dạy điểm xong, kỹ thuật viên tiếp tục tiến hành kiểm tra chạy từng điểm (Step mode) bao gồm tất cả 25 điểm Sau đó, tiến hành cho các trục về gốc để tiến hành cho chế độ hoạt động tiếp theo
+ Alarm (Cảnh báo): tại giao diện này, kỹ thuật viên có thể quan sát được các lỗi khi hệ thống gặp sự cố, từ đó có thể đưa ra giải pháp thực hiện khắc phục lỗi nhanh chóng
+ Setting (Cài đặt): Tại đây, kỹ thuật viên có thể thiết lập ngôn ngữ hiển thị
(tiếng Việt, tiếng Anh hoặc tiếng Nhật), thiết lập số sản phẩm sản xuất trên 1 ca và tốc độ sản xuất phù hợp
+ Monitor Status (Giám sát trạng thái): sau khi thực hiện đầy đủ các bước, kỹ thuật viên có thể giám sát các trạng thái, thông số hoạt động cần thiết tại giao diện này
Chế độ tự động (Auto) Ở chế độ này, hệ thống phân quyền cho Công nhân được bảo mật bằng mật khẩu riêng Khi đăng nhập thành công vào trang “Works”, hệ thống sẽ hiển thị giao diện giám sát tình trạng hoạt động bắt vít của hệ thống Trước khi vận hành, người công nhân cần kiểm tra sơ qua và lắp đặt các phôi tại trạm 2 đảm bảo cứng cáp và chính xác
Tại đây, người công nhân tiến hành nhấn tuần tự nút “Stop” “Reset”, sau đó nhấn nút “Start” để hệ thống bắt đầu hoạt động Khi đó, hệ thống trạm 1 sẽ di chuyển lên cùng với hệ thống trục Z tiến hành định vị từng điểm đã cài đặt sẵn và thực hiện bắt vít Trong lúc này, HMI sẽ hiển thị tình trạng đang bắt vít, số sản phẩm đã bắt, số sản phẩm sản xuất trên 1 ca, đồng thời nhấn nút “Station 2” để trạm 2 được lưu vào trạng thái chờ sẵn sàng hoạt động
Sau khi trạm 1 hoạt động xong thì trạm 2 tiếp tục hoạt động, đồng thời lúc này trạm 1 di chuyển về vị trí gốc để thực hiện chuẩn bị Khi đó, công nhân tiến hành tháo các phôi đã được bắt vít ở trạm 1 và tiến hành thay bằng các phôi mới, sau đó tiến hành nhấn nút “Station 1” để trạm 1 được lưu vào trạng thái chờ sẵn sàng hoạt động Sau khi trạm 2 hoạt động xong thì trạm 1 tiếp tục hoạt động Quá trình này sẽ được thực hiện đi thực hiện lại đến khi số sản phẩm đang bắt vít bằng số sản phẩm được cài đặt theo kế hoạch trên 1 ca làm việc và kết thúc hoạt động Nếu trạm 2 (hoặc trạm 1) hoạt động xong mà mình chưa nhấn nút “Station 1” (hoặc “Station 2”) thì trạm 1 (hoặc trạm 2) sẽ không hoạt động mà lúc nào mình nhấn nút “Station 1” (hoặc
“Station 2”) thì hệ thống mới tiếp tục hoạt động trở lại
Ngoài ra, nếu trong lúc vận hành tự động phát hiện sự cố nhẹ, người công nhân nút “Stop” hệ thống sẽ dừng lại và đèn tháp sẽ báo đỏ Lúc này, người công nhân sẽ tiến hành nhấn chọn biểu tượng icon “?” dưới góc phải màn hình để thực hiện sửa lỗi Khi đó, giao diện hướng dẫn sẽ hiện ra, công nhân thực hiện nhấn nút “Restart Command”, lúc này sẽ hiển thị ô cửa sổ nhỏ hiện thị điểm vít bắt tiếp theo và thực hiện nhấn “OK” để tiếp tục hoạt, nếu không thì sẽ nhấn “Cancel” Hơn nữa, nếu người công nhân phát hiện sự cố khẩn cấp thì tiến hành nhấn nút “Emergency” để dừng toàn bộ hệ thống máy
* Bài toán nội suy đồng bộ 4 trục: Ở bài toán này ta thực hiện nội suy 4 trục
X, Y1, Y2 theo X và trục Z hoạt động độc lập có nhiệm vụ di chuyển lên xuống để thực hiện lấy vít và bắt vít Trục Z hoạt động phụ thuộc vào giá trị M code, khi M code bật thì trục Z di chuyển lên hoặc xuống, khi M code tắt thì trục Z dừng lại Khi bắt đầu hoạt động, ta thực hiện di chuyển các trục về Home, khi đó tọa độ của các vị trí được xác định tại điểm 0 của trục Ở trạm 1, sau khi cài đặt thiết lập các thông số ta thực hiện nhấn “ON”, khi đó, trục Y1 sẽ nội suy theo trục X (còn trục Y2 ta sẽ thiết lập tọa độ vị trí 0 đến khi trạm 2 hoạt động) đến tọa độ điểm thứ nhất để thực hiện lấy vít Cùng lúc đó trục Z sẽ thực hiện độc lập di chuyển xuống đến vị trí trên (trục Z được thiết lập bởi 2 vị trí trên và dưới) để chờ lệnh thực hiện di chuyển lấy vít Tại vị trí đó, tín hiệu M code được bật lên tác dụng dừng trục X và Y1, khi đó, trục Z tiếp tục di chuyển xuống để thực hiện lấy vít Khi chạm đến vị trí mức dưới, trục Z thực hiện di chuyển lên đến vị trí mức trên, khi đó tín hiệu M code tắt Tiếp đến trục Y1 tiếp tục nội suy theo trục X đến vị trí bắt vít thứ nhất Khi đến vị trí đó, tín hiệu M code được bật lên, trục X và Y1 dừng lại, lúc này trục Z tiến hành di chuyển xuống khoảng 1.5s (tức lúc này đầu vít vừa chạm mặt lỗ vít), khi đó, tua vít điện hoạt động tiến hành bắt vít Sau khi trục Z di chuyển xuống đến vị trí mức thấp (tức là hoàn thành bắt vít), lúc này tua vít điện tắt, đồng thời trục Z di chuyển lên vị trí mức trên, M code tắt, hoàn thành bắt vít tại 1 vị trí Các lỗ tiếp theo được tiến hành bắt vít tương tự như vị trí lỗ vít 1
Còn ở trạm 2, sau khi ta tiến hành lắp phôi và kiểm tra đầy đủ, chính xác, ta tiến hành nhấn “ON Y2” để trạm 2 hoạt động Lúc này, trục Y2 sẽ nội suy theo trục
X (còn trục Y1 ta sẽ thiết lập tọa độ vị trí 0 đến khi trạm 1 hoạt động) đến tọa độ điểm thứ nhất để thực hiện lấy vít Các bước tiếp theo được tiến hành như trên Quá trình này sẽ được diễn ra lặp đi lặp lại đến khi đủ sản phẩm và kết thúc ca làm
Ta có ví dụ cụ thể ở trạm 1 cách nội suy của các trục tại 1 điểm lấy vít, ta xét vị trí ban đầu của các trục tại vị trí Home (tức là tại vị trí có tọa độ = 0 [mm])
Một số công thức tính toán
Hình 4 1 Hình ảnh biểu thị khoảng cách tại 2 vị trí
Từ hình trên, ta có công thức tính số vòng quay N [mm] như sau:
Số vòng quay (N) = Quãng đường từ A đến B (D)
Hình 4 2 Biên dạng tốc độ trong thời gian T giây
Từ hình trên, ta có thời gian T[giây] = t1 + t2 + t3 (4.2)
Hình 4 3 Đồ thị biểu thị tần số xung lệnh trong thời gian T
CT khác: Số xung lệnh (n) = Số vòng quay (N) Độ phân giải Encoder [xung]
Bảng 4 1 Bảng giá trị thông số khi chưa tính toán
Giá trị Trục 1(X) Trục 2(Y1) Trục 3(Y2) Trục 4(Z) Khoảng cách (D) 208.1550
Tốc độ (v) 8000[mm/min] ? ? 2000[mm/min]
Bài toán cần tính các giá trị chưa biết ở trên:
Axis 1 (Trục X): Ta xét trục 1 là trục chính và trục 2, 3 nội suy theo trục 1 nên trục
1 ta sẽ xác định được đầy đủ vị trí và tốc độ của nó, từ đó ta tính được thời gian trục
- Áp dụng phương trình (4.4), ta tính được thời gian t2x như sau:
Thiết lập tham số Driver Servo
Phần mềm GX Works2: là công cụ lập trình dùng để thiết kế, gỡ lỗi và duy trì chương trình trên Windows GX Works2 quản lí các chương trình và thông số đầu vào của dự án cho mỗi CPU điều khiển khả trình
Thiết lập cấu hình Base CPU
Bước 1: Khởi động GX Works2, nhấn New hoặc Ctrl+N để tạo Project mới, xuất hiện cửa sổ như bên dưới, chọn loại CPU sử dụng và ngôn ngữ lập trình, sau đó nhấn
Hình 4 4 Hình ảnh tạo Project New
Bước 2: Thiết lập thông số cho I/O Assignment và Base CPU Trong cửa sổ
Navigation chọn Parameter PLC Parameter, sau đó chọn thẻ I/O Assignment, xuất hiện cửa sổ như ở dưới:
Hình 4 5 Hình ảnh thiết lập I/O Assignment
Bước 3: Thiết lập thông số với Module QD75MH4 Sau khi Add module QD75D2N thì GX Work2 sẽ tự động thêm ở mục Navigation với thông tin là “0000:QD75MH4”
Hình 4 6 Cửa sổ Intelligent Function Module
- Parameter: Khu vực thiết lập các thông số giá trị của động cơ cần điều khiển
- Servo_Parameter: Khu vực để thiết lập các thông số Servo
- Positioning_Axis_#[1,2,3,4]_Data: Khu vực để đặt trước các giá trị như vị trị hay tốc độ tương ứng với trục [1,2,3,4]
- Starting_Axis_# _Block_Data: Khối này không sử dụng trong đề tài này
- Auto_Refesh: Khu vực để gán các vùng nhớ cho các giá trị ví dụ như: Tọa độ hiện tại, lỗi, hay cảnh báo
Bước 3.1: Thiết lập thông số bên trong Parameter
Hình 4 7 Thiết lập thông số mục Basic parameters 1
- Unit setting: (mm/ich/xung/độ) chọn đơn vị điều khiển động cơ, ở ứng dụng sử dụng trục Vit me nên chọn đơn vị [mm] là hợp lý
- No Of pulses per rotation: viết tắt Ap là số xung cần cấp cho động cơ Servo,
Linear để quay được một vòng Ở đây ta sử dụng 2 loại động cơ Servo, động cơ trục 1,2,3 sử dụng Encoder 18 bit nên độ phân giải 262.144 [xung/vòng] nên ta thiết lập thông số ở 3 trục này là 262.144 pulse, còn ở trục 4 ta sử dụng Encoder 22 bit nên ta thiết lập thông số ở trục 4 là 4.194.304 pulse
- Movement amount per rotation: viết tắt Al là khoảng cách mà động cơ di chuyển khi quay được một vòng Do sử dụng Vitme có bước răng là 10mm nên thiết lập ở mục này 10000.0um
- Unit magnification: hệ số khuếch đại ta để mặc định 11 Times
Hình 4 8 Thiết lập thông số mục Basic parameters 2
- Speed limit value: Giá trị giới hạn tốc độ Trong ứng dụng này ta sử dụng động cơ Servo có tốc độ vòng quay tối đa là 6.000 [vòng/phút], mà mỗi vòng trục vít me di chuyển được 10mm (tức là trục vitme có bước răng 10mm) nên giá trị giới hạn tốc độ ta thiết lập là 60.000 mm/min
- Acceleration time 0: Thời gian tăng tốc Ở đây ta thiết lập 1000ms
- Deceleration time 0: Thời gian giảm tốc Ở đây ta thiết lập 1000ms
Hình 4 9 Thiết lập thông số mục Detailed parameters 1
Detail parameter 1 giúp người dùng cài đặt chi tiết các giá trị giúp cho việc vận hành trở nên an toàn hơn Thông số này chỉ có hiệu lực khi tín hiệu [Y0] PLC ready được bật
- Backlash compensation amount: giá trị bù độ rơ (bánh răng, trục vít me…) của các trục ta để mặc định là “0.0um”
- Software stroke limit upper limit value: Giới hạn trên hành trình mềm
- Software stroke limit lower limit value: Giới hạn dưới hành trình mềm Ở ứng dụng này ta không sử dụng giới hạn hành trình mềm nên ta sẽ vô hiệu hóa nó bằng cách đặt 2 giá trị này bằng nhau và ta đặt nó bằng “1.0um”
- Software stroke limit valid/invalid selection: Lựa chọn chế độ giới hạn hành trình mềm Ở ứng dụng này ta không sử dụng giới hạn mềm nên ta chọn “Invalid”
- M code ON signal output timing: Thời điểm ngõ ra tín hiệu M code On Ở trục 1 và trục 4 ta chọn chế độ “AFTER Mode”, còn trục 2 và trục 3 ta chọn chế độ
+ AFTER Mode: Tín hiệu M code ON khi kết thúc định vị 1 điểm vị trí + WITH Mode: Tín hiệu M code ON khi bắt đầu định vị 1 điểm vị trí
- Input signal logic section: Lower limit: Lựa chọn chế độ tín hiệu ngõ vào giới hạn dưới Ở đây ta sử dụng tín hiệu dây đen (Light-ON), khi không có vật thì kích ngõ ra Tín hiệu cảm biến giới hạn dưới được điều khiển thông qua tiếp điểm thường đóng của relay nên khi nguồn được cấp, tiếp điểm thường đóng chuyển trạng thái thường mở, lúc này tín hiệu cảm biến ON Do đó, chúng ta chọn chế độ “Positive
Logic” là hợp lí, vì Positive Logic ngõ ra xuất 24V là tín hiệu ON, ngõ ra xuất 0V là tín hiệu OFF
- Input signal logic section: Lower limit: Lựa chọn chế độ tín hiệu ngõ vào giới hạn trên Ta chọn “Positive Logic” tương tự như Upper limit
- Input signal logic section: Near-point signal: Lựa chọn chế độ tín hiệu ngõ vào tín hiệu tiệm cận DOG Ở đây ta sử dụng tín hiệu dây đen (Light-ON), khi không có vật thì kích ngõ ra Tín hiệu cảm biến tiệm cận DOG được điều khiển thông qua tiếp điểm thường đóng của relay nên khi nguồn được cấp, tiếp điểm thường đóng chuyển trạng thái thường mở, lúc này tín hiệu cảm biến ON Do đó, chúng ta chọn chế độ “Negative Logic” là hợp lí, vì Negative Logic ngõ ra xuất 0V là tín hiệu ON, ngõ ra xuất 24V là tín hiệu OFF
- External input signal selection: Lựa chọn tín hiệu ngõ vào thiết bị ngoại vi Ở phần này ta sử dụng tín hiệu ngõ vào của QD75MH để điều khiển nên ta chọn “Use
- Forced stop valid/invalid selection: Lựa chọn chế độ dừng cưỡng bức, ở đây ta không dùng nên chọn “Invalid”
- Còn các mục khác ta để thông số mặc định như trên
Hình 4 10 Thiết lập thông số mục Detailed paremeters 2
Detail parameters 2 giúp người dùng thiết lập các giá trị như tốc độ JOG, các giá trị tăng tốc được dùng trong Data position
- JOG speed limit value: Giá trị giới hạn tốc độ JOG Giá trị này ta thiết lập sao cho nhỏ hơn “Speed limit value” ở mục Basic Parameters 2, ở đây ta đặt giới hạn JOG là 30.000 [mm/min]
- Còn các mục còn lại ta thiết lập mặc định như trên
Hình 4 11 Thiết lập thông số mục OPR basic parameters
OPR basic parameters giúp người dùng cài đặt các tính năng về Home
- OPR method: Phương pháp trở về gốc Ở đây chúng ta chọn phương pháp về gốc là “Near-point Dog Method”, phương pháp này được hình dung như sau:
Hình 4 12 Phương pháp Near-point Dog Method
+ Khi chúng ta bắt đầu gọi về gốc thì nó sẽ tăng tốc và nó sẽ ổn định tốc độ, khi bắt đầu chạm cảm biến Dog thì nó bắt đầu giảm tốc rồi nó về 0 và sau khi về 0 thì nó sẽ bò thêm 1 vòng nữa trở về vị trí gốc Tại vị trị gốc này nó sẽ set hệ trục tại đây bằng 0
- OPR Direction: Hướng về gốc Ở ứng dụng này, ta đặt cảm biến cận Dog gần với cảm biến giới hạn dưới nên hành trình làm việc của nó từ cảm biến tiệm cận Dog đến cảm biến giới hạn trên nên ta chọn hướng về gốc của nó trục là “Reverse Direction (Address Decrease Direction)”
- OP address: Địa chỉ gốc ta thiết lập bằng 0.0um
- OPR speed: Tốc độ về gốc ta thiết lập bằng 3.000 [mm/min]
- Creep speed: Tốc độ bò (tức là tốc độ giảm tốc) ta thiết lập bằng 500
[mm/min] Lưu ý tốc độ này phải nhỏ hơn OPR speed
- OPR retry: Có chức năng tìm thử lại điểm gốc Ở đây ta không dùng nên chọn “Do not retry OPR with Limit Switch”
Hình 4 13 Thiết lập thông số mục OPR detailed parameters
OPR detail parameters giúp người dùng cài đặt các giá trị tiến hành điều khiển OPR Trong ứng dụng này, ta thiết lập mặc định các thông số trong mục này
Bước 3.2: Thiết lập bên trong khối Servo_Parameter
Hình 4 14 Thiết lập thông số khối Servo_Parameter
- Servo amplifier series: Loại Driver Servo ta kết nối với QD75MH Ở đây ta sử dụng “Driver MR-J3-B”
- Forced stop input selection: Sử dụng dừng cưỡng bức của Driver Servo Ở đây ta không áp dụng nên chọn “Invalid (Not use forced stop input)”
Lưu đồ hoạt động chương trình
Hình 4 17 Lưu đồ hoạt động chính của hệ thống
Lưu đồ hoạt động chính của hệ thống được chia thành 2 chế độ chính là Manual (Kỹ thuật viên) và Auto (Công nhân) Ở chế độ Manual, kỹ thuật viên thực hiện các bước như kiểm tra JOG, dạy điểm, kiểm tra chế độ bước và thiết lập các thông số cần thiết trước khi chạy chế độ Auto Còn ở chế độ Auto, người công nhân thực hiện vận hành và giám sát hoạt động quá trình sản xuất của máy
Hình 4 18 Lưu đồ con kiểm tra JOG Servo Ở chế độ Manual, lưu đồ con “Kiểm tra JOG” được thiết kế để thực hiện các bước kiểm tra chi tiết bao gồm chạy JOG trái, JOG phải và về Home của từng trục Mục đích của quy trình này là kiểm tra trạng thái hoạt động của từng Servo, đảm bảo rằng tất cả các Servo đều hoạt động bình thường và chính xác Việc kiểm tra này rất quan trọng trước khi tiến hành dạy điểm bắt vít cho hệ thống, nhằm đảm bảo tính chính xác và hiệu suất của quá trình vận hành sau này
Hình 4 19 Lưu đồ con dạy điểm bắt vít hệ thống
Lưu đồ con “Dạy điểm” thể hiện cách thiết lập các điểm bắt vít trên hệ thống Chúng ta thực hiện bằng cách chạy JOG từng trục đến điểm mục tiêu cần bắt vít, sau đó ta thực hiện nhấn nút POS để xác nhận lưu điểm Ta thực hiện tương tự như vậy đến hết tất cả các điểm cần bắt trên sản phẩm
Hình 4 20 Lưu đồ con kiểm tra chế độ bước hệ thống
Lưu đồ con “Kiểm tra chế độ bước” với mục đích kiểm tra lại tất cả các điểm mình đã thiết lập phần trước xem đúng hay không nhằm đảm bảo tính chính xác nhất khi bước vào chế độ hoạt động Auto Chúng ta thực hiện tiến hành điều khiển các phím tương ứng đến từng điểm bắt vít trên cả 2 trạm, sau đó thực hiện nhấn phím
“Run” để kiểm tra tọa độ điểm, đồng thời điều chỉnh trục Z lên xuống để có thể kiểm tra chính xác nhất
Hình 4 21 Lưu đồ con trạm 1 và trạm 2 hoạt động Ở chế độ Auto, sau khi Kỹ thuật viên thực hiện thiết lập các mục trên hệ thống, người công nhân thực hiện vận hành và giám sát sự bắt vít của máy Lưu đồ con
“Trạm 1 và trạm 2 hoạt động” thể hiện các thao tác cần thực hiện khi vận hành máy bắt vít nhằm đảm bảo tiến trình hoạt động ổn định và chính xác nhất khi hoạt động.
Phân cổng vào ra cho PLC và thông số Buffer Memory đã sử dụng
Bảng 4 3 Bảng phân cổng ngõ vào cho PLC (QX42)
STT Đầu vào Chức năng
4 X28 Nút nhấn dừng khẩn cấp Emergency
Bảng 4 4 Bảng phân công ngõ ra cho PLC (QY10)
STT Đầu ra Chức năng
1 Y60 On/Off Tua vít điện
2 Y63 Đèn báo hoạt động (xanh)
Bảng 4 5 Bảng tín hiệu ngõ vào X sử dụng (Signal direction: QD75MH4CPU)
STT Địa chỉ Chức năng
Bảng 4 6 Bảng tín hiệu ngõ ra Y sử dụng (Signal direction: CPUQD75MH4)
STT Địa chỉ Chức năng
10 YB Reverse run JOG start
12 YD Reverse run JOG start
14 YF Reverse run JOG start
Bảng 4 7 Bảng danh sách Buffer memory sử dụng
STT Địa chỉ Chức năng
Giao diện điều khiển HMI
HMI được thiết kế với 9 màn hình giao diện điều khiển chính:
Bảng 4 8 Bảng danh sách giao diện HMI điều khiển
Tên cửa sổ HMI Phân quyền điều khiển
2 Giao diện giám sát thông số
5 Giao diện chạy chế độ bước
8 Giao diện giám sát sản xuất
9 Giao diện hướng dẫn vận hành a Giao diện chính
Hình 4 22 Giao diện chính HMI
- Giao diện chính thể hiện Logo trường, khoa, tên dự án, giảng viên hướng dẫn, sinh viên thực hiện và 2 nút nhấn điều hướng riêng cho kỹ thuật viên và công nhân Muốn đăng nhập được vào màn hình điều khiển của kỹ thuật viên hoặc công nhân thì phải có mật khẩu để đăng nhập Và ta đã cài đặt sẵn mật khẩu của Kỹ thuật viên là “1234” và Công nhân là “1111” Dưới đây là màn hình nhỏ nhập mật khẩu:
Hình 4 23 Màn hình nhỏ đăng nhập mật khẩu
Màn hình nhỏ đăng nhập được thiết kế với ô màu xanh để nhập mật khẩu (gồm
4 số), sau khi nhập xong ta thực hiện nhấn đăng nhập Nếu nhập đúng hệ thống sẽ phân quyền đến trang dành riêng cho Kỹ thuật viên, nếu sai ta sẽ nhập lại hoặc nếu không muốn đăng nhập ta nhấn “Hủy bỏ” hoặc dấu “X” để kết thúc b Giao diện kiểm tra JOG động cơ
Hình 4 24 Giao diện chạy JOG
- Giao diện được thiết kế hàng trên cùng gồm công tắc ON/OFF servo được đặt ở góc trái trên, tên tiêu đề giao diện được đặt ở chính giữa trên với tên “KIỂM TRA JOG ĐỘNG CƠ” và góc phải trên được đặt đồng hồ hiển thị thời gian giúp người vận hành có thể dễ dàng theo dõi
- Ở giữa màn hình bố trí cân đối đầy đủ 4 trục gồm các phím chức năng để chạy JOG như phím “Chạy thuận”, “Chạy nghịch”, “Về gốc” và các đèn báo hoạt động, đèn báo lỗi, giá trị vị trí tọa độ hiện tại của các trục
- Ở dưới màn hình gồm các phím chức năng như “Bắt đầu”, “Sửa lỗi”, “Về gốc chung”, “Dừng lại” và ô nhập giá trị tốc độ JOG Và phần dưới cùng màn hình được bố trí thanh điều hướng chỉ đến những màn hình chức năng còn lại c Giao diện điều khiển chạy điểm
Hình 4 25 Giao diện giám sát thông số
- Giao diện được thiết kế hàng trên cùng gồm công tắc ON/OFF servo được đặt ở góc trái trên, tên tiêu đề giao diện được đặt ở chính giữa trên với tên “KIỂM TRA THÔNG SỐ” và góc phải trên được đặt đồng hồ hiển thị thời gian giúp người vận hành có thể dễ dàng theo dõi
- Ở giữa màn hình bố trí khung chứa thông tin gồm dữ liệu vị trí, trạng thái hoạt động trục, lỗi trục, tọa độ vị trí hiện tại, tín hiệu M code ON, giá trị M code của
4 trục X, Y1, Y2, Z và các trạng thái dữ liệu của các mục thông tin sẽ hiển thị tương ứng Phía trên khung được thiết kế gồm 4 phím về Gốc giúp người vận hành điều khiển nhanh chóng, hiệu quả hơn
- Ở dưới màn hình gồm các phím chức năng như “Bắt đầu”, “Sửa lỗi”, “Dừng lại” Và phần dưới cùng màn hình được bố trí thanh điều hướng chỉ đến những màn hình chức năng còn lại d Giao diện chương trình chạy điểm
Hình 4 26 Giao diện dạy điểm hệ thống
- Giao diện được thiết kế hàng trên cùng gồm công tắc ON/OFF servo được đặt ở góc trái trên, tên tiêu đề giao diện được đặt ở chính giữa trên với tên “CHƯƠNG
TRÌNH DẠY ĐIỂM” và góc phải trên được đặt đồng hồ hiển thị thời gian giúp người vận hành có thể dễ dàng theo dõi
- Ở phần giữa màn hình thiết kế chia ra 3 phần chính Phần thứ nhất bao gồm các phím di chuyển JOG trái phải, lên xuống của 4 trục, thanh điều chỉnh tốc độ JOG và khung hiển thị giá trí tọa độ vị trí tức thì Phần thứ 2 gồm các phím về Gốc của từng trục, phím về Gốc chung của tất cả các trục và nút nhấn “Dạy điểm” Phần thứ
3 hiển thị đèn trạng thái Servo On, đèn báo lỗi và trạng thái cảnh báo
- Sau khi nhấn phím “Dạy điểm” thì hệ thống màn hình sẽ điều hướng đến màn hình nhỏ hiển thị tọa độ của các điểm bắt vít, phím “VT X” để xác nhận lại điểm mới nếu điểm cũ không chính xác và phím dưới cùng màn hình nhỏ để chuyển đổi hiển thị giữa trạm 1 và trạm 2
- Và phần dưới cùng màn hình được bố trí thanh điều hướng chỉ đến những màn hình chức năng còn lại
Hình 4 27 Màn hình nhỏ hiển thị tọa độ ví điểm của 2 trạm e Giao diện kiểm tra chạy từng điểm
Hình 4 28 Giao diện chạy chế độ bước hệ thống
- Giao diện được thiết kế hàng trên cùng gồm công tắc ON/OFF servo được đặt ở góc trái trên, tên tiêu đề giao diện được đặt ở chính giữa trên với tên “KIỂM TRA CHẠY TỪNG ĐIỂM” và góc phải trên được đặt đồng hồ hiển thị thời gian giúp người vận hành có thể dễ dàng theo dõi
- Ở phần giữa màn hình cũng được thiết kế chia ra 3 phần chính Phần thứ nhất bao gồm các phím di chuyển JOG trái phải, lên xuống của 4 trục, thanh điều chỉnh tốc độ JOG và khung hiển thị giá trí tọa độ vị trí tức thì Phần thứ 2 gồm các phím
“Bật chế độ bước”, “Y1”, “Y2”, “+”, “-” của từng trạm và thông tin hiển thị đèn báo bật chế độ bước, thông tin hiển thị vị trí hiện tại Phần thứ 3 hiển thị đèn trạng thái Servo On, đèn báo lỗi và trạng thái cảnh báo
- Và phần dưới cùng màn hình được bố trí thanh điều hướng chỉ đến những màn hình chức năng còn lại f Giao diện cảnh báo hệ thống
Hình 4 29 Giao diện thông báo lỗi hệ thống
KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm
- Sau nhiều lần tính toán và thử nghiệm, hệ thống bắt vít khá nhanh và ổn định, hệ thống cơ khí đảm bảo sau nhiều lần vận hành Dưới đây là mức độ đáp ứng một số tiêu chuẩn sau nhiều lần thực hiện khảo sát
Bảng 5 1 Bảng kiểm tra chất lượng bắt vít hệ thống
STT Lượt Số vít kiểm tra SL chính xác SL vít lỗi Độ chính xác
Nhận xét: Qua kết quả kiểm nghiệm chất lượng bắt vít với nhiều số lượng khác nhau, ta thấy hệ thống bắt vít thành công với độ chính xác khoảng 93.39%, một tỉ lệ khá cao Tuy nhiên, với độ chính xác này, cần cải thiện nhiều yếu tố nữa mới có thể đưa vào ứng dụng sản xuất trong thực tế với quy mô lớn Nguyên nhân của sự sai lệch này có thể do 2 yếu tố sau:
+ Đầu bắt vít sử dụng nam châm để hút vít nên lực từ tính có thể không đều, dẫn đến việc vít có thể bị lệch hoặc không được đặt chính xác vào vị trí mong muốn
+ Các điểm bắt vít của các phôi không đồng đều có thể dẫn đến điểm bắt vít không chính xác, ảnh hưởng đến độ chính xác của hệ thống
Bảng 5 2 Bảng kiểm tra chất lượng kết cấu hệ thống
STT Tiêu chuẩn Mức độ
1 Kết cấu phần cứng chịu được sức ép, rung lắc khi động cơ Servo hoạt động Tốt
2 Hệ thống trục vít me hoạt động chính xác, không bị rơ lúc hoạt động Tốt
3 Servo hoạt động chính xác, ổn định Tốt
4 Hệ thống kết nối điện gọn gàng, chính xác, an toàn Tốt
5 Hệ thống bắt vít hoạt động liên tục, ổn định Tốt
Nhận xét: Nhìn chung, qua kết quả khảo sát thực nghiệm cho thấy hệ thống máy bắt vít tự động đang hoạt động ở mức hiệu suất cao, với các thành phần cơ khí, điện tử và điều khiển đều đạt chuẩn chất lượng tốt Điều này đảm bảo máy có thể hoạt động ổn định, chính xác và an toàn trong môi trường công nghiệp, tối ưu hóa quá trình sản xuất
Bảng 5 3 Bảng kiểm tra tốc độ bắt vít sản phẩm
STT Mức bắt vít Tốc độ bắt vít Sản lượng Đánh giá
1 Chậm 8.000mm/min 80 sản phẩm/giờ
Hệ thống hoạt động ổn định, chính xác
2 Trung bình 10.000mm/min 100 sản phẩm/giờ
Hệ thống hoạt động tốt, đảm bảo kết cấu ổn định
3 Nhanh 12.000mm/min 120 sản phẩm/giờ
Hệ thống hoạt động nhanh, tương đối chính xác, tuy nhiên thống trục kêu nhẹ
Nhận xét: Qua kết quả thực nghiệm kiểm tra tốc độ bắt vít sản phẩm, ta thấy hệ thống đã chứng tỏ khả năng hoạt động hiệu quả ở mọi mức tốc độ, từ chậm đến nhanh, với những ưu điểm riêng biệt phù hợp cho từng nhu cầu sản xuất Việc chọn lựa mức tốc độ phù hợp sẽ tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của quá trình sản xuất, từ ưu tiên chất lượng và độ chính xác đến tối ưu hóa sản lượng Việc duy trì và bảo trì hệ thống định kỳ, đặc biệt khi vận hành ở tốc độ cao, sẽ giúp duy trì hiệu suất và kéo dài tuổi thọ của thiết bị.
Kết quả
Sau một thời gian (khoảng 6 tháng) nghiên cứu tìm hiểu, nhóm em đã hoàn thành những kết quả sau đây:
- Tính toán thiết kế hoàn thành phần cứng đảm bảo độ chắc chắn, không bị rung lắc khi hoạt động với mức độ cho phép
- Tính toán lắp đặt tốt phần điện đảm bảo tính an toàn, ổn định, dễ bảo trì, sửa chữa
- Tìm hiểu và nghiên cứu thành công giải thuật và xây dựng được chương trình điều khiển trên PLC Mitsubishi dòng Q đảm bảo mô hình hoạt động nhanh, chính xác, ổn định
- Thiết kế thành công hệ thống giám sát và vận hành trên HMI khoa học, logic, dễ tiếp cận điều khiển
Hình 5 1 Hình ảnh mô hình hệ thống phần cứng hoàn chỉnh
