nghiên cứu thiết kế chế tạo hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển mini-cim

GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HÀ THANH SƠN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MINI-CIM LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Chuyên ngành: ðIỆN KHÍ HÓA NÔNG NGHIỆP VÀ NÔNG THÔN Mã số : 60.52.54 Người hướng dẫn khoa học : PGS. TS. Trần Mạnh Hùng HÀ NỘI - 2010 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học i LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp học Cao học Cơ ðiện Khóa 17 chuyên ngành ðiện khí hóa Nông nghiệp và Nông thôn tại trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội, tôi ñã nhận ñược sự giúp ñỡ giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô giáo trong và ngoài trường. Nhân dịp này tôi xin chân thành cám ơn tới các Giáo sư, Tiến sĩ và các thầy cô giáo Khoa Sau ðại Học, Khoa Cơ ðiện Trường ðại học Nông Nghiệp Hà Nội. Tôi xin chân thành cám ơn trường ðại học Phương ðông; Phòng Thí nghiệm Cơ ðiện Vilas 019, Viện Cơ ðiện Nông Nghiệp và Công Nghệ Sau Thu Hoạch ñã tận tình hướng dẫn, giúp ñỡ tôi hoàn thành ñề tài nghiên cứu này. Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Trần Mạnh Hùng ñã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn cao học này. Tôi cũng xin chân thành cám ơn các bạn bè ñồng nghiệp và gia ñình ñã ñộng viên và giúp ñỡ tôi trong quá trình học cao học và làm luận văn thạc sỹ. Do trình ñộ và thời gian thực hiện ñề tài có hạn, không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong tiếp nhận ñược sự ñóng góp ý kiến của các thầy cô giáo và các bạn ñồng nghiệp ñể ñề tài ñược hoàn thiện Tôi xin chân thành cám ơn! Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Học viên Hà Thanh Sơn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học ii LỜI CAM ðOAN Tôi xin cam ñoan các thiết kế tôi làm chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn. Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010 Tác giả Hà Thanh Sơn Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học iii MỤC LỤC Trang MỤC LỤC iii DANH MỤC HÌNH vi DANH MỤC BẢNG viii MỞ ðẦU 1 CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3 1.1. TỔNG QUAN VỀ CIM 3 1.1.1. Khái quát chung 3 1.1.2. Cấu trúc ñiển hình của CIM 3 1.2. ỨNG DỤNG VÀ HIỆU QUẢ CỦA CIM 7 1.2.1. Ứng dụng của CIM 7 1.2.2. Hiệu quả của CIM 8 1.3. Sự phát triển của CIM trên thế giới 9 1.4. Hướng phát triển của CIM 11 1.5. Sự phát triển của CIM ở Việt Nam 14 1.6. ðịnh hướng xây dựng mô hình MiniCIM Trường ñại học Phương ðông 15 1.7. Hiện trạng mô hình MiniCIM của trường ðại học Phương ðông 18 1.7.1. Hiện trạng hệ thống ñiều khiển toàn bộ mô hình 18 1.7.2. Hiện trạng cánh tay robot 19 1.8. Nhiệm vụ của ñề tài: 20 1.9. Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của ñề tài 21 CHƯƠNG 2: ðỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 22 2.1 ðối tượng nghiên cứu: 22 2.2. Phương pháp nghiên cứu 22 2.2.1. Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm 22 2.2.2. Sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng 22 2.2.3. Tiến hành thực nghiệm và ñánh giá kết quả thực nghiệm 22 2.3. Phương tiện nghiên cứu 22 2.3.1. Phần Mềm 22 2.3.1.1. ORCAD 23 2.3.1.2. PROTEUS 23 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học iv 2.3.1.3. CodeVisionAVR 24 2.3.1.4. SolidWork 24 2.3.2. Dụng cụ 24 2.3.2.1 Máy tính 24 2.3.2.2. ðồng hồ vạn năng 24 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE ðIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 25 3.1. Phân tích các phần tử của mô hình MiniCIM của trường ðại Học Phương ðông 25 3.2. Thiết kế chế tạo các module 26 3.2.1. Thiết kế Module phần cứng 26 3.2.1.1. Thiết kế Module ñiều khiển ñộng cơ DC 26 3.2.1.2. Thiết kế Module ñiều khiển ñộng cơ bước 32 3.2.1.3. Thiết kế Module ñiều khiển xilanh khí nén 35 3.2.1.4. Thiết kế Module xử lý trung tâm. 37 a. Thiết kế Module nhận tín hiệu vào 40 b. Thiết kế Module ñưa tín hiệu ra 41 c. Thiết kế Module nhân tín hiệu với tần số cao 42 d. Thiết kế Module truyền thông RS485 43 e. Thiết kế Module truyền thông SPI 44 g. Thiết kế Module truyền thông PS2 45 h. Hình ảnh của module ñiều khiển 46 3.2.1.5. Module xử lý tín hiệu nút bấm 48 3.2.2. Lập trình Module phần mềm 49 3.2.2.1. Thiết kế cấu trúc chương trình 49 3.2.2.2. Lập trình Module ñiều khiển ñộng cơ bước theo tọa ñộ 53 3.2.2.3. Lập trình Module ñiều khiển ñộng cơ secvo theo tọa ñộ 56 3.2.2.4. Lập trình Module tiếp nhận sử lý tín hiệu và chống nhiễu tại các công tắc hành trình 59 3.2.2.5. Thiết kế Module tiếp nhận truyền thông từ bàn phím 59 3.2.3. Nhận xét về các module: 61 3.3. Thiết kế chế tạo cánh tay robot 61 3.3.1. Phân tích kết cấu cánh tay robot 61 3.3.2. Yêu cầu tính năng của cánh tay robot 63 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học v 3.3.3. Xây dựng giao diện bảng ñiều khiển cánh tay Robot 64 3.3.4. Tính toán và chọn phần cứng 65 3.3.5. Xây dựng phần mềm ñiều khiển robot 66 3.3.5.1. Cấu trúc xây dựng giao diện phần mềm ñiều khiển: 66 3.3.5.2. Xây dựng giao diện phần mềm ñiều khiển bằng tay cho robot 68 3.3.5.3. Xây dựng giao diện phần mềm ñiều khiển tự ñộng cho robot 70 3.3.5.4. Xây dựng giao diện phần mềm cài ñặt hệ thống ñiều khiển robot 73 3.3.6. Kết quả chế tạo cánh tay robot. 78 3.3.7 Thử nghiệm cánh tay robot. 79 3.3.8. Nhận xét về cánh tay robot mới 84 CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 85 4.1. Kết luận 85 4.2. ðề nghị 86 TÀI LIỆU THAM KHẢO 87 PHỤ LỤC 88 6.1. Giới thiệu vi ñiều khiển AVR [12] 88 6.2. Giới thiệu về ñộng cơ 1 chiều [6] 90 6.3. Thông số ñiện dung và ñiện cảm của tran trường IRF250P (8) 91 6.4. Thống số cơ bản của tran C945 (8) 91 6.5. Thống số cơ bản của tran A1015: (8) 92 6.6. Giới thiệu ñộng cơ bước (6) 92 6.7. Giới thiệu về IC L297 và L298 (7) 95 6.8. Thông số cơ bản của MMBT2222A: (8) 96 6.9. Thông số thời gian ñáp ứng của TLP621 (8) 96 6.10. Thông số ñặc trưng của K1254 (8) 97 6.11. Giới thiệu về giao tiếp SPI (11): 97 6.12. Lập trình ñiều khiển robot 100 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học vi DANH MỤC HÌNH Trang Hình 1.1: Mô hình CIM tích hợp hệ thống phụ trợ 4 Hình 1.2: Sơ ñồ thiết kế MiniCIM của trường ðH phương ðông 16 Hình 1.3: Ảnh chụp tàn bộ hệ thống trước khi sửa chữa 18 Hình 1.4: Cánh tay robot trước khi sửa chữa 19 Hình 3.1: Sơ ñồ khối module ñiều khiển ñộng cơ DC 27 Hình 3.2: Nguyên lý cầu H 27 Hình 3.3: Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển ñộng cơ DC[10] 28 Hình 3.4: Nguyên lý ñiều khiển tran trường chất lượng cao 30 Hình 3.5: Tranzitor ñiều khiển relay 31 Hình 3.6: Module ñiều khiển ñộng cơ DC 32 Hình 3.7: Sơ ñồ khối module ñiều khiển ñộng cơ bước 33 Hình 3.8: Sơ ñồ nguyên lý ñộng cơ bước 34 Hình 3.9: Module ñiều khiển ñộng cơ bước 35 Hình 3.10: Nguyên lý ñiều khiển van khí nén 37 Hình 3.11: Phần nguồn module ñiều khiển 40 Hình 3.12: Sơ ñồ nguyên lý của khối nhận tín hiệu vào 41 Hình 3.13: Sơ ñồ nguyên lý ñầu ra tín hiệu ñiều khiển 42 Hình 3.14: Sơ ñồ nguyên lý tiếp nhận tần số cao 43 Hình 3.15: Sơ ñồ nguyên lý giao tiếp RS485 44 Hình 3.16: Nguyên lý ñệm giao tiếp SPI 45 Hình 3.17: Module giao tiếp PS2 46 Hình 3.18: Lớp 2 nguyên lý module ñiều khiển 46 Hình 3.19: Lớp 1 nguyên lý module ñiều khiển 46 Hình 3.20: Module ñiều khiển trung tâm không có vỏ 47 Hình 3.21: Module ñiều khiển trung tâm 47 Hình 3.22: Module ñiều khiển trung tâm có ñóng vỏ 47 Hình 3.23: Sơ ñồ nguyên lý của module nút bấm 48 Hình 3.24: Module nút bấm 49 Hình 3.25: Sơ ñồ cấu trúc chung của chương trình theo trình tự chíp 50 Hình 3.26: Sơ ñồ cấu trúc chung của chương trình 51 Hình 3.27: Cấu trúc cơ bản của một module: 53 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học vii Hình 3.28: Sơ ñồ khối module lập trình ñộng cơ bước 54 Hình 3.29: Lưu ñồ thuật toán ñiều khiển tọa ñộ và tốc ñộ ñộng cơ bước 55 Hình 3.30: Giải thuật nhận biết tọa ñộ 58 Hình 3.31: Lưu ñồ thuật toán ñiều khiển ñộng cơ DC_Secvol theo tọa ñộ 58 Hình 3.32: toàn bộ cánh tay robot 62 Hình 3.33: Giao diện ñiều khiển 65 Hình 3.35: Lưu ñồ thuật toán thực hiện lệnh của robot 71 Hình 3.36: Bản ñiều khiển cánh tay robot 78 Hình 3.37: Ảnh toàn bộ cánh tay robot 79 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học viii DANH MỤC BẢNG Trang Bảng 3.1: Trạng thái ñộng cơ DC 29 Bảng 3.2. Các thông số cơ bản của IRFP250 30 Bảng 3.3. trạng thái tín hiệu ở 2 kênh A,B 57 Bảng 3.4. Kết quả thử nghiệm ño tọa ñộ ñiểm ñến thực của encoder 81 Bảng 3.5. Kết quả thí nghiệm ðộ dài dây cung và góc quay của Robot 83 Bảng 3.6. So sánh tính năng robot mới với robot cũ 84 Trường ðại học Nông nghiệp Hà Nội – Luận văn thạc sĩ khoa học 1 MỞ ðẦU Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học & công nghệ, cùng với những diễn biến phức tạp của cuộc cạnh tranh thị trường hàng hóa thế giới, CIM ñóng vai trò rất quan trọng ñối với sự phát triển nền kinh tế của xã hội. CIM ñược hiểu là một khái niệm dùng ñể chỉ phương thức sản xuất tiên tiến dựa trên những thành tựu của công nghệ thông tin. Hệ thống CIM, có khả năng trợ giúp bằng máy tính cho tất cả các khâu sản xuất và thương mại của một chu trình sản xuất hàng hóa. CIM tiếp nhận ñơn ñặt hàng, thiết kế và sản xuất, lập kế hoạch sản xuất, xây dựng quy trình công nghệ, quản lý thông tin dữ liệu (bao gồm thu thập, lưu trữ và truy xuất dữ liệu), ñiều khiển robot, kiểm soát chất lượng sản phẩm, cho ñến khâu cung cấp, phân phối sản phẩm của một nhà máy. Như vậy CIM cho phép thiết lập nên một hệ thống sản xuất toàn cầu có khả năng ñáp ứng nhanh nhất nhu cầu của thị trường, ñạt ñược hiệu quả kinh tế cao, ứng dụng nhanh chóng các sáng kiến và các công nghệ mới vào sản xuất. Hiện nay, việc ứng dụng hệ thống CIM ñã mang lại nguồn lợi khổng lồ cho các tập ñoàn sản xuất lớn trên thế giới như MICROSOFT, SAMSUNG, HP, TOSHIBA, … Nhiều nhà chiến lược kinh tế thế giới ñã nhận ñịnh rằng CIM chính là hướng phát triển tất yếu của sản xuất hiện nay. Tuy nhiên ñể áp dụng CIM vào sản xuất cũng gặp rất nhiều khó khăn, ñặc biệt là ñối với nền sản xuất còn yếu như Việt Nam. ðể áp dụng ñược CIM vào sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, ñó là khả năng tài chính của nhà sản xuất, năng lực của người lao ñộng, năng lực quản lý, khả năng tiếp cận với công nghệ mới tựu chung là 2 yếu tố chính: Tài chính và con người có tri thức cao. Ở Việt Nam, hiện nay CIM còn là khái niệm khá mới mẻ. Hầu như chưa thấy ứng dụng của hệ thống CIM trong sản xuất. Tuy nhiên trước trào lưu phát triển mạnh mẽ của kinh tế thế giới. Hơn thế nữa là thời hạn gia nhập [...]... CIM” ñư c nghiên c u v robot, t ñ ng hoá và s n xu t trí tu Ch tiêu mô hình h th ng s n xu t” ñư c nghiên c u v tích h p các mô hình thông tin v i các mô hình ch c năng c a CIM, mô hình mô ph ng tích h p c a CIM và các h th ng thi t k c a CIM Ch tiêu “ ng d ng trí tu nhân t o” bao g m các hư ng nghiên c u v ng d ng các m ng notron trong t ñ ng hoá s n xu t, h th ng ho ch ñ nh trí tu và các mô hình thích... 17 1.7 Hi n tr ng mô hình MiniCIM c a trư ng ð i h c Phương ðông Năm 2008 nhóm nhiên c u c a trư ng ð i h c Phương ðông ñã b t ñ u ti p c n v i CIM, và ñã ti n hành nghiên c u thi t k ch t o mô hình MiniCIM ph c v cho ñào t o Mô hình ñã thành công bư c ñ u, nhưng còn r t nhi u thi u sót c n ph i hoàn thi n thêm H th ng ñi u khi n trung tâm Tram lưu phôi Mô hình máy CNC Cánh tay robot Hình 1.3: nh ch... n i dung lu n văn cao h c, tôi ch t p trung vào ph n (2) là thi t k nâng c p h th ng ñi u khi n c a các ph n t máy mô hình Trình t thi t k mô hình MiniCIM như sau: Giai ño n 1: Xây d ng ph n c ng là các ph n t máy c a mô hình MINI CIM Như sơ ñ c a mô hình cho th y các ph n t máy c a mô hình MINI CIM bao g m: • Ph n t CNC: Ph n t máy gia công theo s ñi u khi n c a máy tính • Ph n t Robot: Là ph n t h... n xu t hi n ñ i Mô hình này còn r t nhi u thi u sót c n ñư c c i ti n ð có cái nhìn toàn di n v quá trình thi t k mô hình MINI CIM ph c v cho ñào t o ñ tài ñã ñ xu t sơ ñ thi t k MINI CIM t i trư ng ð i h c Phương ðông như hình 1.2.ð phát tri n mô hình MiniCIM này c n ph i có hi u bi t t t và ñ u tư r t nhi u th i gian, công s c, kinh phí… Sơ ñ phát tri n MINI CIM cũng cho th y mô hình có hai ph n... t b t c p trên, năm 2008 t i trư ng ð i h c Phương ðông ñã b t ñ u ti p c n h th ng CIM, xây d ng mô hình h th ng MINI CIM ph c v cho ñào t o Tuy nhiên mô hình con nhi u thi u sót như ñ chính xác th p, d h ng hóc khi v n hành, ít ch c năng Do v y ti n hành ñ tài “NGHIÊN C U THI T K CH T O HOÀN THI N MÔ HÌNH H TH NG ðI U KHI N MINI – CIM” ñã có c a trư ng ð i h c Phương ðông, nh m góp ph n ph c v hi... hình máy CNC Cánh tay robot Hình 1.3: nh ch p tàn b h th ng trư c khi s a ch a Băng t iv n chuy n Mô hình có tính năng mô ph ng m t công ño n c a m t nhà máy s n xu t t ñ ng hoàn toàn v i các khâu c p phôi, v n chuy n, gia công và lưu kho 1.7.1 Hi n tr ng h th ng ñi u khi n toàn b mô hình Hi n nay mô hình ñã ho t ñ ng nhưng r t hay có h ng hóc s c H th ng ñi u khi n còn t n t i nh ng v n ñ l n sau:... nghi p Hà N i – Lu n văn th c sĩ khoa h c 21 CHƯƠNG 2: ð I TƯ NG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN C U VÀ PHƯƠNG TI N NGHIÊN C U 2.1 ð i tư ng nghiên c u: Mô hình h th ng MINI CIM c a trư ng ð i h c Phương ðông ph c v cho công tác gi ng d y 2.2 Phương pháp nghiên c u 2.2.1 Nghiên c u lý thuy t k t h p v i th c nghi m ð tài k t h p nghiên c u lý thuy t v i th c nghi m, th a k các k t qu c a nh ng ñ tài ñã ñư c... ðI U KHI N CÁNH TAY ROBOT 3.1 Phân tích các ph n t c a mô hình MiniCIM c a trư ng ð i H c Phương ðông Các ph n t máy c a mô hình ñã có ph n cơ khí ñư c ch t o s n trong mô hình MINI CIM ban ñ u Trên n n cơ khí ñó tôi ti n hành thi t k h th ng ñi u khi n nh m nâng cao hi u qu c a toàn b h th ng MINI CIM ð ñánh giá chi ti t v thi t k cơ khí c a mô hình ban ñ u và rút ra phương án thi t k c i ti n, tôi... trên các vùng lãnh th khác nhau G n ñây ngư i ta ñã th c hi n nhi u ñ tài nghiên c u khác nhau nh m m c ñích phát tri n CIM Các hư ng nghiên c u ñó là: Nghiên c u v nhà máy tích h p c a CIM; Nghiên c u v m ng liên k t và Internet c a CIM; Nghiên c u v robot và t ñ ng hoá ñ ng d ng vào CIM; Nghiên c u v h p lý hoá và t i ưu hóa CIM; Nghiên c u kh năng ng d ng c a CIM o và s n xu t trí tu 1.5 S phát tri... 1.6 ð nh hư ng xây d ng mô hình MiniCIM Trư ng ñ i h c Phương ðông Các công ngh tích h p trong CIM r t ña d ng và chúng bao g m nhi u lĩnh v c khác nhau Nhưng trong gi i h n mô hình h c c c a nhà trư ng chưa ñ ñi u ki n xây d ng ñư c m t cách toàn di n và chưa th hi n h t lý tư ng c a CIM Tuy nhiên mô hình ban ñ u c a trư ng ñ i h c Phương ðông ñã gi i thi u ñư c t ng quát hình nh thu nh c a h th ng . GIÁO DỤC VÀ ðÀO TẠO TRƯỜNG ðẠI HỌC NÔNG NGHIỆP HÀ NỘI HÀ THANH SƠN NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MINI-CIM LUẬN VĂN. CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE ðIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 25 3.1. Phân tích các phần tử của mô hình MiniCIM của trường ðại Học Phương ðông 25 3.2. Thiết kế chế tạo các. dễ hỏng hóc khi vận hành, ít chức năng. Do vậy tiến hành ñề tài “NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MINI – CIM” ñã có của trường ðại học Phương ðông, nhằm góp