Thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC S7300

Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 1- Lời nói đầu Trong những năm gần đây theo sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và đặc biệt là ngành tự động hóa, công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước đang diễn ra rất tốt đẹp. Trước tình hình đó cũng đặt ra nhiều thách thức cho giới trí thức - những người tiếp thu và kế thừa sự tiến bộ trên. Robot công nghiệp là một lĩnh vực mới mà ở Việt Nam đang nghiên cứu và từng bước chế tạo để ứng dụng vào quá trình sản xuất góp phần tự động hóa trong quá trình sản xuất, nâng cao năng xuất lao động. Sự ra đời của hệ thống điều khiển PLC đã thay thế được hệ thống điều khiển cồng kềnh bằng rơle và các dây nối. Với nhiều ưu điểm nổi bật, ngày nay hệ thống điều khiển bằng PLC đã trở nên ưu việt và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống. Vì vậy, việc nghiên cứu và ứng dụng PLC là rất cần thiết. Để tìm hiểu về việc ứng dụng PLC trong hệ thống điều khiển robot công nghiệp và cụ thể là robot hàn, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài “Thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC ”. Đề tài đã thể hiện một phần trong những kiến thức mà chúng em đã đạt được sau bốn năm học tập tại trường. Do có sự hạn chế về thời gian cũng như kiến thức và kinh nghiệm nên chúng em không thể tránh khỏi những sai sót. Rất mong nhận được ý kiến đóng góp của quý thầy cô và các bạn sinh viên Khoa Điện – Điện tử về đề tài này. Hưng yên, Ngày 10 Tháng 08 Năm 2013 Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 2- Lời cảm ơn Đồ án được hoàn thành như là một bước ngoặt báo hiệu kết thúc thời gian học tập tại trường ĐHSP Kỹ Thuật Hưng Yên. Nếu không có sự đóng góp từ nhiều phía chắc chắn chúng em khó mà đạt được những kết quả như vậy. Đó là sự đóng góp tích cực về vật chất, sự ủng hộ động viên tinh thần về phía gia đình – đã hình thành một chỗ dựa vững chắc. Mỗi chúng em sẽ mãi mãi ghi nhớ! Được học môn PLC và các môn khác cùng với sự trực tiếp hướng dẫn nhiệt tình của thầy Bùi Trung Thành và cô Lê Thị Minh Tâm giúp chúng em thực hiện đề tài. Chúng em xin chân thành cảm ơn! Trong số kiến thức mà chúng em đạt được có sự đóng góp của nhiều thầy cô, cùng với sự giúp đỡ, những lời động viên đúng lúc trong khi học và trong thời gian thực hiện đề tài của các bạn sinh viên lớp ĐK3, có lẽ chúng em không thể nào quên! Hưng Yên, Ngày 10 Tháng 08 Năm 2013 Sinh viên thực hiện Phạm Việt Dũng Trần Thị Thanh Loan Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 3- NHẬN XÉT CỦA GVHD …………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………….………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………… Hưng Yên, Ngày… Tháng… Năm… T.S: Bùi Trung Thành Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 4- NHẬN XÉT CỦA GV PHẢN BIỆN …………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ……………………….………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………………… …………………………………………………… Hưng Yên, Ngày… Tháng… Năm… Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 5- MỤC LỤC Trang Lời nói đầu 1 Lời cảm ơn 2 Tóm tắt đồ án 3 Chương 1: Giới thiệu chung 4 1.1. Đặt vấn đề 5 1.2. Mục đích nghiên cứu 6 1.3. Phạm vi nghiên cứu 6 1.4. Phương pháp và phương tiện nghiên cứu 6 1.5. Cấu trúc đồ án 7 Chương 2: Tổng quan về robot hàn 8 2.1. Giới thiệu sơ lược về robot công nghiệp 9 2.1.1. Lịch sử phát triển của robot 9 2.1.2. Hệ thống chuyển động robot 10 2.1.3. Hệ thống điều khiển robot 14 2.1.4. Ứng dụng của robot công nghiệp 15 2.2. Giới thiệu về robot hàn 15 2.2.1. Đặc điểm của robot hàn 15 2.2.2. Công nghệ hàn đường, hàn điểm 16 2.2.3. Các nghiên cứu về robot hàn 17 Chương 3: Xây dựng mô hình cánh tay robot hàn 3 bậc tự do 20 3.1. Xây dựng mô hình cánh tay robot 21 3.1.1. Mô hình robot hàn trên thiết kế 21 3.1.2. Mô hình robot hàn thực tế 21 3.2. Xây dựng phương trình động học cho robot hàn 3 khớp quay 22 3.2.1. Cơ sở lý thuyết 22 3.2.2. Phương trình động học thuận robot 24 3.2.3. Xác định quỹ đạo chuyển động của robot trong không gian 28 3.2.4. Phương trình động học ngược robot 28 Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 6- Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và lựa chọn động cơ 31 4.1. Bộ điều khiển dùng PLC 32 4.1.1. Giới thiệu về PLC 32 4.1.2. Ưu và nhược điểm khi sử dụng hệ thống dùng PLC 32 4.1.3. Lý do sử dụng PLC cho đề tài 33 4.2. Động cơ bước 34 4.2.1. Cấu tạo của động cơ bước 34 4.2.2. Nguyên lý hoạt động 35 4.2.3. Điều khiển động cơ bước 36 4.2.4. Phân loại và ứng dụng động cơ bước 41 4.2.5. Lý do sử dụng động cơ bước cho đề tài 41 4.2.6. Lựa chọn động cơ bước 42 4.3. Mạch driver, cảm biến và giao diện 42 4.3.1. Khối mạch tạo xung 42 4.3.2. Mạch driver của động cơ bước 51 4.3.3. Khối cảm biến 61 4.4. Sơ đồ ghép nối hệ thống điều khiển 63 Chương 5: Lập trình điều khiển robot 64 5.1. Yêu cầu điều khiển của hệ thống 65 5.2. Cách thức hàn 67 5.2.1. Hàn điểm 67 5.2.2. Hàn đường 70 5.3. Tính toán chuyển động các khớp của robot 71 5.3.1. Tính toán tỷ số truyền 72 5.3.2. Tính toán góc quay của các khớp 72 5.3.3. Tính toán thời gian cấp xung cho động cơ 73 5.4. Lưu đồ thuật toán 75 5.5. Khai báo phần cứng 76 5.6. Chương trình điều khiển 76 5.6.1. Bảng symbols 76 5.6.2. Chương trình điều khiển 76 Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 7- Chương 6: Kết quả và thảo luận 78 6.1. Kết quả thử nghiệm 79 6.1.1. Quá trình test mạch 79 6.1.2. Quá trình thử nghiệm chương trình điểu khiển 80 6.2. Thảo luận 82 Chương 7: Kết luận và kiến nghị 83 7.1. Kết quả thực hiện đồ án 84 7.1.1. Kết quả đạt được 84 7.1.2. Kết quả chưa đạt được 84 7.2. Hướng khắc phục và phát triển của đồ án 84 7.3. Những thuận lợi và khó khăn 85 7.3.1. Những thuận lợi của đề tài 85 7.3.2. Những khó khăn của đề tài 85 7.4. Kết luận 85 7.5. Kiến nghị 86 Phụ lục 1: Bảng symbols 87 Phụ lục 2: Chương trình điều khiển 90 Tài liệu tham khảo 122 Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 8- DANH MỤC HÌNH VẼ Trang Hình 2.1. Các bộ phận của robot 10 Hình 2.2. Dạng khớp của robot 11 Hình 2.3. Cơ cấu cổ tay 3 bậc tự do 11 Hình 2.4. Cơ cấu tọa độ Đecac 12 Hình 2.5. Cơ cấu toạ độ trụ 12 Hình 2.6. Cơ cấu tọa độ cầu 13 Hình 2.7. Cơ cấu toạ độ góc 13 Hình 2.8. Cơ cấu kiểu SCARA 14 Hình 2.9. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển vị trí robot 14 Hình 2.10. Hình vẽ tỷ lệ phân bố về loại công việc được dùng robot 15 Hình 2.11. Robot hàn điểm trong nhà máy sản xuất xe hơi 16 Hình 2.12. Hệ thống robot hàn đường của hãng FANUC 17 Hình 2.13. Robot hàn VR – 006AL của hãng Panasonic (Nhật) 18 Hình 2.14. Robot hàn KR6ARC của hãng KUKA của Đức 18 Hình 2.15.Robot hàn của Việt Nam 19 Hình 3.1. Mô hình robot hàn thiết kế 21 Hình 3.2. Mô hình robot hàn thực tế 21 Hình 3.3. Sơ đồ minh họa các giá trị trong bộ thông số D – H 22 Hình 3.4. Thiết lập hệ toạ độ và các thông số cho robot 25 Hình 3.5. Không gian làm việc của robot 28 Hình 4.1. Hình dạng một loại động cơ bước điển hình 34 Hình 4.2. Sơ đồ nguyên lý động cơ bước m pha với rôto 2 cực và các lực điện từ 35 Hình 4.3. Sơ đồ nối các cuộn dây Stato điển hình 38 Hình 4.4. Các chế độ điều khiển một động cơ bước điển hình 40 Hình 4.5. Hình dạng động cơ bước được sử dụng trong đề tài 42 Hình 4.6. Sơ đồ nguyên lý khối mạch tạo xung 43 Hình 4.7. Sơ đồ bố trí linh kiện khối mạch tạo xung 44 Hình 4.8. Sơ đồ board mạch khối mạch tạo xung 45 Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 9- Hình 4.9. Hình dạng của7806 46 Hình 4.10. Sơ đồ chân của NE555 47 Hình 4.11. Sơ đồ khối của NE555 47 Hình 4.12. Sơ đồ nguyên lý khối mạch driver 51 Hình 4.13. Sơ đồ bố trí linh kiện của khối mạch driver 52 Hình 4.14. Sơ đồ đi board khối mạch driver 52 Hình 4.15. Hình dạng thực tế của B688 53 Hình 4.16. Sơ đồ chân của 74LS192 53 Hình 4.17. Chuỗi đếm minh họa của 74LS192 54 Hình 4.18. Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74LS138 55 Hình 4.19. Cấu trúc của 74LS138 56 Hình 4.20. Sơ đồ chân và kí hiệu logic của 74HC14 57 Hình 4.21. Sơ đồ logic và dạng sóng của 74HC14 57 Hình 4.22. Sơ đồ chân và sơ đồ tương đương của Tip 122 58 Hình 4.23. Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ 61 Hình 4.24. Cấu trúc của cảm biến từ tiệm cận 62 Hình 4.25. Hình dạng thực tế của cảm biến từ tiệm cận 62 Hình 4.26. Sơ đồ ghép nối của cảm biến tiệm cận NPN 63 Hình 4.27. Sơ đồ ghép nối đầu vào / ra với PLC 63 Hình 5.1.Hình vẽ vật hàn và các điểm cần hàn 65 Hình 5.2. Vị trí ban đầu của robot so với vật hàn 65 Hình 5.3. Quy trình hàn điểm A 67 Hình 5.4. Quy trình hàn điểm B 68 Hình 5.5. Quy trình hàn điểm C 68 Hình 5.6. Quy trình hàn điểm D 69 Hình 5.7. Quy trình hàn điểm E 69 Hình 5.8. Quy trình hàn điểm F 70 Hình 5.9. Quy trình hàn đường FA 70 Hình 5.10. Quy trình hàn đường AC 71 Hình 5.11. Lưu đồ thuật toán 75 Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp -Trang 10- Tóm tắt đồ án Như ta đã biết, ngày nay robot công nghiệp được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp đòi hỏi sự tự động trong quá trình sản xuất. Trong đó, robot hàn chiếm tỷ lệ ứng dụng cao nhất (27%). Chúng em thực hiện đề tài “thiết kế và chế tạo mô hình robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC” với mong muốn tìm hiểu về công nghệ của robot hàn và củng cố những kiến thức đã thu được. Trong đồ án này, chúng em đã thực hiện được các nội dung sau: Giới thiệu tổng quan về robot công nghiệp nói chung và robot hàn nói riêng. Nắm được lịch sử phát triển robot công nghiệp, đặc điểm chuyển động và điều khiển, vai trò cũng như một số nghiên cứu và ứng dụng của robot hàn. Trình bày được cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, nguyên tắc điều khiển động cơ bước - động cơ ứng dụng trong các hệ thống cần sự điều khiển chính xác cao. Chế tạo và phân tích được các mạch điều khiển cho động cơ bước. Xây dựng mô hình robot hàn 3 khớp quay, tính toán bài toán động học thuận và ngược của robot. Từ đó đưa ra bài toán điều khiển và viết chương trình điều khiển cho robot bằng phần mềm PLC S7 – 300 để robot hoạt động, hàn điểm và hàn đường theo một quỹ đạo cho trước. [...]... = 0) C 3 S A3    3  0   0  S  3 C 3 S 3 S  3 C 3C 3  C 3 S  3 S 3 C 3 0 0 a3 C 3  C 3 a3 S 3   S   3 d3    0  1   0   S 3 0 a3C 3  C 3 0 a3S 3   0 1 0   0 0 1  (Với  3  0 , a3 , d3 = 0)  Xác định ma trận iT3 : C 3 S 2 T3  A3  A3    3  0   0  S 3 C 3 0 0 0 a3C 3  0 a3 S 3   1 0   0 1  1 T3  A2 A3  C 2C 3  S 2 S 3 S C ... mô hình cánh tay robot: 3. 1.1 Mô hình robot hàn trên thiết kế: 25cm 25cm 40cm 13. 5cm Hình 3. 1: Mô hình robot hàn thiết kế 3. 1.2 Mô hình robot hàn thực tế: Hình 3. 2: Mô hình robot hàn thực tế -Trang 28- Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp 3. 2 Xây dựng phương trình động học cho robot hàn 3 khớp quay: 3. 2.1 Cơ sở lý thuyết: Giả sử một robot có cấu hình đã biết: độ dài các thanh nối và góc quay của... biến trong công nghiệp và mong muốn ứng dụng lý thuyết đã được học vào thực tiễn, cũng như thúc đẩy phong trào nghiên cứu, chế tạo robot của các bạn sinh viên trong và ngoài trường, nhóm chúng em đã thực hiện đề tài thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC 1.2 Mục đích nghiên cứu: Thực hiện đề tài thiết kế, chế tạo robot hàn 3 bậc tự do điều khiển bằng PLC giúp cho người thực... gian, cơ cấu chấp hành của robot phải đạt được một số bậc tự do Đối với cơ cấu hở, số bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động Một con robot công nghiệp dùng trong nhà máy có từ 3 đến 6 bậc tự do Số bậc tự do của robot càng cao thì robot hoạt động càng linh hoạt Như robot Asimo của Honda có 34 bậc tự do, robot Qrio của Sony 38 bậc tự do 2.1.2.2 Khớp robot: Khớp là khâu liên kết hai thanh nối... 3    2S  3  0  0   C 2 S 3  S 2C 3  S 2 S 3  C 2C 3 0 0 0 a3C 2C 3  a3 S 2 S 3  a2C 2  0 a3 S 2C 3  a3C 2 S 3  a3 S 3    1 0  0 1  T3  A1 A2 A3  A1 1T3 C 1 (C 2C 3  S 2 S 3 ) C 1 (C 2 S 3  S 2C 3 ) S 1 C 1 (a3C 2C 3  a3S 2 S 3  a2C 2 )  S ( S C  C S ) S ( S S  C C )  C  2 3 1 2 3 2 3  1 S 1 ( a3 S 2C 3  a3C 2 S 3. .. cho robot hàn (phần cơ khí và phần điện – điều khiển)  Lập trình điều khiển robot dùng PLC 1 .3 Phạm vi nghiên cứu: Do hạn chế về thời gian và ngân sách, đồ án chỉ tập trung nghiên cứu chế tạo và điều khiển 3 khớp của cánh tay robot hàn Không có cơ cấu tác động cuối (bàn tay robot – mỏ hàn) 1.4 Phương pháp và phương tiện nghiên cứu: Phương pháp:  Tham khảo tài liệu: chủ yếu là các tài liệu về robot. .. sinh khí mới vào phong trào sáng tạo robot của sinh viên Hàng loạt robot mới ra đời từ những cuộc thi này Ứng dụng chủ yếu của robot công nghiệp là hàn và lắp ráp Gần 25% robot công nghiệp là robot hàn Những lợi ích lớn nhất của robot hàn tự động là có độ chính xác và năng suất cao Hàn bằng robot nâng cao độ tin cậy của mối hàn Một khi được lập trình hợp lý thì robot hàn có thể tạo ra các mối hàn y như... Chương 3: Xây dựng mô hình cánh tay robot hàn 3 bậc tự do Chương 4: Thiết kế bộ điều khiển và lựa chọn động cơ Chương 5: Lập trình điều khiển robot Chương 6: Kết quả và thảo luận Chương 7: Kết luận và kiến nghị -Trang 14- Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp Chương 2 -Trang 15- Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp 2.1 Giới thiệu sơ lược về robot công nghiệp: 2.1.1 Lịch sử phát triển của robot: ...  Vế phải của phương trình (1): 1 T3  A2 A3  C 2C 3  S 2 S 3 S C  C S 2 3    2S  3  0  0   C 2 S 3  S 2C 3  S 2 S 3  C 2C 3 0 0 0 a3C 2C 3  a3 S 2 S 3  a2C 2  0 a3 S 2C 3  a3C 2 S 3  a3 S 3    1 0  0 1  So sánh các phần tử ở hàng 3, cột 1 của 2 vế, ta có: S1.n x  C1.n y  0  ny S1 n y   tg 1  1  arctg ( ) (3) C1 n x nx Khai triển phương trình... 3  a3 S 3 )    1  2  3  S 2C 3  C 2 S 3  S 2 S 3  C 2C 3 0 a3S 2C 3  a3C 2 S 3  a3S 3  d1    0 0 0 1   -Trang 33 - Trường: ĐHSPKT Hưng Yên Đồ án tốt nghiệp  Thiết lập phương trình động học: n x n  y nz  0 sx ax sy ay sz az 0 0 px  py    T3 pz   1  Hệ phương trình động học robot là: n x  C 1 (C 2C 3  S 2 S 3 ) n y  S 1 ( S 2C 3  C 2 S 3 ) n . nối đầu vào / ra với PLC 63 Hình 5.1.Hình vẽ vật hàn và các điểm cần hàn 65 Hình 5.2. Vị trí ban đầu của robot so với vật hàn 65 Hình 5.3. Quy trình hàn điểm A 67 Hình 5.4. Quy trình hàn. khỏe gấp đôi con người, nhưng không có cảm tính, cảm giác như con người. Có lẽ đó là một gợi ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuât về những cơ cấu, máy móc bắt chước các hoạt động cơ bắp của