Đồ án thiết kế cánh tay robot khí nén phân loại theo màu sắc sử dụng PLC S71200

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NƠNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ -   - BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TƯ ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG MÀU SẮC SƯ DỤNG PLC S7-1200 VÀ CÁNH TAY ROBOT KHÍ NÉN Sinh viên thực hiện: Lê Viết Tâm Đức Lê Công Minh Đức Quảng Đồng Lộc Trương Đình Nhân Võ Tuấn Vũ Lớp: Kỹ thuật điện tử 49 Giáo viên hướng dẫn: TS Khương Anh Sơn Bộ môn: Điều khiển Tự động hóa Thừa Thiên Huế, 12/2018 LỜI CẢM ƠN Là nhóm sinh viên thực đồ án mơn học “Đồ án thiết kế hệ thống Cơ Điện tử”, lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu Trường Đại học Nông Lâm – Đại học Huế tạo điều kiện tốt cho chúng em học tập rèn luyện Chúng em xin cảm ơn Ban lãnh đạo quý Thầy Cô Khoa Cơ khí – Cơng nghệ tận tình giúp đỡ chúng em, tạo cho chúng em môi trường học tập thực hành tốt Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển – Tự động hóa Bộ mơn hướng dẫn chúng em, trực tiếp dạy dỗ giúp đỗ chúng em đặc biệt chúng em gửi lời cảm ơn đến thầy TS Khương Anh Sơn, giáo viên hướng dẫn trực tiếp hướng dẫn chúng em, tạo điều kiện giúp đỡ cho nhóm sinh viên chúng em thực đề tài, giúp chúng em làm quen với việc nghiên cứu khoa học Thầy quan tâm giúp đỡ chúng em người truyền động lực cho nhóm, giúp nhóm hồn thành tốt đề tài nghiên cứu Chúng em xin chân thành cảm ơn! MỤC LỤC Phần ĐẶT VẤN ĐỀ .1 1.1 Tính cấp thiết đề tài 1.2 Mục tiêu đề tài 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Phần TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lí luận 2.1.1 Lí thuyết điều khiển 2.1.2 Lí thuyết khí nén 2.1.3 Lí thuyết cảm biến 10 2.2 Cơ sở thực tiễn 14 2.2.1 Dây chuyền phân loại sản phẩm .14 2.2.2 Công nghệ robot 14 2.3 Đề xuất nguyên lí hoạt động dây chuyền phân loại sản phẩm cánh tay robot: 15 Phần ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16 3.1 Đối tượng 16 3.2 Phạm vi nghiên cứu 16 3.3 Phương pháp nghiên cứu 16 Phần KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 17 4.1 Lựa chọn nguyên lí hoạt động 17 4.1.1 Nguyên lí chung 17 4.1.2 Nguyên lí hoạt động cánh tay robot .17 4.1.3 Nguyên lí hoạt động phân loại màu sắc 19 4.1.4 Nguyên lí điều khiển 19 4.2 Thiết kế chung mơ hình 21 4.3 Thiết kế phần khí 21 4.3.1 Phần khung 21 4.3.2 Cánh tay robot 22 4.3.3 Băng tải .23 4.4 Thiết kế phần điều khiển 24 4.5 Thiết kế thuật toán cho PLC S7-1200 .25 4.6 Thiết kế hệ thống giám sát HMI 35 4.7 Một số linh kiện sử dụng cho mơ hình 36 4.8 Hồn thiện mơ hình 41 Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43 5.1 Kết luận 43 5.2 Kiến nghị 43 TÀI LIỆU THAM KHẢO 44 PHỤ LỤC 45 Phần ĐẶT VẤN ĐỀ 1.1 Tính cấp thiết đề tài Cuộc cách mạng 4.0 làm thay đổi tồn diện kinh tế, việc áp dụng robot thay cho người sản xuất giúp nâng cao kinh tế đất nước, hạn chế rủi ro sản xuất làm việc cách xác hiệu Mục tiêu ứng dụng robot công nghiệp nhằm nâng cao suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng khả cạnh tranh sản phẩm, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Sự đời điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) thay hệ thống cồng kềnh role dây nối Với nhiều ưu điểm bật, ngày hệ thống điều khiển PLC trở nên ưu việt sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực sống Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng PLC cần thiết Với ưu điểm nhóm chúng em thiết kế chế tạo mơ hình dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC 1200 cánh tay robot khí nén với mơ hình đơn giản, gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ vận hành Với mơ cần thiết cho sinh viên kỹ thuật điện tử vận dụng kiến thức học vào việc chế tạo mơ hình có tính thực tế vận dụng đời sống Nhằm tạo mơ hình cần thiết sinh viên thực tập sau 1.2 Mục tiêu đề tài Mục tiêu chung Trên sở ứng dụng lý thuyết học vận dụng để thiết kế thiết cánh tay robot sử dụng khí nén gắp sản phẩm, thiết kế chế tạo hệ thống băng tải, hệ thống phân loại màu sắc Nhằm tạo mơ hình gọn nhẹ, hoạt động linh hoạt dễ vận hành Mục tiêu cụ thể Thiết kế cánh tay robot hoạt động linh hoạt với bậc tự do, gắp sản phẩm Thiết kế băng tải (dài 600mm, rộng 85mm) Bộ điều khiển gồm đèn báo hiệu, nút nhấn start, nhấn stop, nút nhấn dừng khẩn cấp Khung thiết kế hình chữ nhật có chiều chiều dài 800mm, chiều rộng 500mm, cao 200mm băng tải cố định khung để thuận tiện trog q trình vận chuyển Khung gia cơng thép ống 20x20x1.1mm alu 3mm Hoạt động dựa lực đẩy, kéo tạo từ áp suất khí nén Thiết kế hệ thống xilanh van khí nén kèm với hệ thống hiệu Sử dụng PLC Siemens S7-1200 để điều khiển toàn hệ thống, bao gồm trình vận hành cánh tay robot, điều khiển băng tải hoạt động, phát vật, phân biệt màu sắc Với cảm biến màu sắc, với mơ hình mơ phỏng, nhóm sử dụng Arduino để tiết kiệm chi phí đảm bảo sai xót mức cho phép 1.3 Ý nghĩa khoa học thực tiễn Ý nghĩa khoa học: Vận dụng kiến thức học trường chúng em thiết kế, chế tạo mơ hình dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC 1200 cánh tay robot khí nén để nhằm hiểu rõ vai trò khoa học kỹ thuật đời sống áp dụng khoa học công nghệ sản xuất Ý nghĩa thực tiễn: Trong trình hoạt động nhà xưởng, xí nghiệp nay, việc tiết kiệm điện nhu cầu cần thiết, bên cạnh ngành cơng nghiệp ngày phát triển cơng ty xí nghiệp đưa tự động hóa sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền sản phẩm cho toàn hệ thống cách hợp lý yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm nhiều thời gian quản lý cách dễ dàng Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế mơ hình hệ thống dây chuyền phân loại sản phẩm Hệ thống dây chuyền phân loại sản phẩm hoạt động nguyên lý dùng cảm biến để xác định màu sắc sản phẩm Sau dùng cánh tay robot khí nén để phân loại sản phẩm có màu sắc khác loại bỏ sản phẩm không đạt yêu cầu Từ nguyên lý làm việc ta thấy muốn hệ thống hoạt động cần chuyển động cần thiết: - Chuyển động băng chuyền: Để truyền chuyển động quay cho trục băng chuyền ta dùng động điện chiều thông qua truyền bánh – dây đai - Chuyển động cánh tay robot để phân loại sản phẩm có màu sắc khác nhau: Chuyển động cánh tay thông qua xylanh khí nén điều khiển hệ thống khí nén Chu trình làm việc máy: ấn nút Start máy hoạt động, sản phẩm công nhân đặt vào băng chuyền Nhờ hệ thống điều khiển, sản phẩm băng chuyền phân loại với màu sắc khác Các sản phẩm sau phân loại cánh tay phân loại khu vực khác để thực trình dây chuyền sản xuất Chu trình tiếp tục phân loại xong sản phẩm Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho lớn, cụ thể như: - Giảm sức lao động, tránh nhàm chán công việc, cải thiện điều kiện làm việc người, tạo cho người tiếp cận với tiến khoa học kỹ thuật làm việc môi trường ngày văn minh - Nâng cao suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, thay đổi mẫu mã cách nhanh chóng - Giúp cho việc quản lý giám sát trở nên đơn giản, khơng thay đổi điều kiện làm việc cơng nhân mà giảm số lượng công nhân đến mức tối đa… Phần TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 2.1 Cơ sở lí luận 2.1.1 Lí thuyết điều khiển  Định nghĩa hệ thống điều khiển Hệ thống điều khiển tập hợp thiết bị dụng cụ điện tử Nó dùng để vận hành trình cách ổn định, xác thơng suốt Gồm phần: - Hệ thống điều khiển dùng rơle điện - Hệ thống điều khiển dùng Programmable Logic Controller: Programmable Logic Controller(PLC) nghĩa điều khiển Logic lập trình Là thiết bị điều khiển có cấu trúc máy tính bao gồm sử lý trung tâm CPU, nhớ ROM, nhớ RAM, dung để nhớ chương trình ứng dụng, cổng vào INPUT-OUTPUT.[1,2] Hình 2.1 Cấu trúc PLC  Ưu điểm - Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn - Thực thuật toán phức tạp độ xác cao - Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng việc bảo quản sửa chữa - Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức khác - Khả chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy môi trường công nghiệp - Giao tiếp với thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thơng với thiết bị khác - PLC gồm loại: Omron, Siemens, Mitsubishi, Micro-PLC, …  Vì PLC có ưu điểm vượt trội, có tính truyền thơng có nhiều chức so với nhiều loại PLC khác nên nhóm chúng em định đưa PLC 1200 vào mơ hình để mơ hình hoạt động tối ưu  Ứng dụng PLC - Dây chuyền đóng gói - Các robot lắp ráp sản phẩm - Điều khiển bơm - Công nghệ chế biến thực phẩm - Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn - Điều khiển hệ thống đèn giao thông - Quản lý tự động bãi đậu xe - Hệ thống báo động - Điều khiển thang máy - Dây chuyền sản xuất xe ôtô - Sản xuất vi mạch - Kiểm tra trình sản xuất 2.1.2 Lí thuyết khí nén a Khái niệm khí nén Khí nén loại lượng tạo áp lực dùng để thay loại lượng khác Khí nén cấu thành từ khơng khí thiên nhiên sử dụng phương pháp hóa học tạo nén áp suất 3000 3600psi Khí nén dùng nhiều lĩnh vực khác dân dụng, công nghiệp y tế…Để sử dụng khí nén ta cần thiết bị bình tích khí, bình tích áp, máy nén khí….[3] b Giới thiệu hệ thống khí nén Hệ thống khí nén bao gồm hai phần chính: lọc khí vào, thiết bị làm mát cấp (làm mát trung gian), thiết bị làm mát sau (làm mát sau nén), thiết bị làm khơ khí, bẫy lọc ẩm, bình chứa, hệ thống đường ống, lọc, thiết bị điều tiết bơi trơn Hệ thống khí nén có tác dụng cung cấp cho van điều chỉnh lượng khí thích hợp xylanh đẩy nén khí cánh tay hoạt động c Một số thiết bị khí nén khác có sử dụng mơ hình Máy nén khí Máy nén khí thiết bị tạo áp suất khí, lượng học động điện động đốt chuyển đổi thành lượng khí nén nhiệt Phân loại: - Phân loại theo áp suất + Máy nén khí áp suất thấp p = 15 bar + Máy nén khí áp suất cao p>= 300 bar - Phân loại theo nguyên lý hoạt động + Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít + Máy nén khí tuabin: Máy nén ly tâm máy nén khí theo chiều trục Bình trích chứa khí nén Khí nén sau khỏi máy nén khí xử lý cần phải có phận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ tách nước 4.6 Thiết kế hệ thống giám sát HMI HMI (Human Machine Interface) thành phần hệ thống SCADA, nhiên HMI không dùng cấp điều khiển giám sát, mà cấp thấp giao diện người - máy phục vụ việc quan sát thao tác vận hành cục Phần mềm WinCC Siemens phần mềm chuyên dụng để xây dựng giao diện điều khiển HMI phục vụ việc xử lý lưu trữ liệu hệ thống SCADA (Supervisory Control And Data Aquisition) thuộc chuyên ngành tự động hóa WinCC thuộc thứ hạng SCADA (SCADA class) với chức hữu hiệu cho việc điều khiển Màn hình HMI mơ tren WinCC (hình 4.22) vừa giám sát vừa điều khiển hệ thống Có thêm đếm sản phẩm cánh tay hoạt động Có chức xuất liệu Excel để lưu trữ trình làm việc theo yêu cầu người giám sát Hình 4.23 Màn hình HMI giám sát hoạt động “ hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc dùng PLC_S7 1200” 38 4.7 Một số linh kiện sử dụng cho mơ hình - Bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200 (Hình 4.23) Thơng số kỹ thuật:[5] + Mã hiệu CPU 1214C + Nguồn điện sử dụng: DC/DC/DC + Các chân I/O: 14 DI 24V DC; 10 DO 24 V DC; AI 0– 0V DC + Nguồn cung cấp: DC 20.4 – 28.8 V DC + Bộ nhớ: 100 KB Hình 4.24 PLC S7-1200 CPU 1214C - Van tiết lưu SMC IR 1010-01(Hình 4.24): Van tiết lưu khí nén thiết bị điều khiển dòng chảy sử dụng để giảm tốc độ dòng chảy phần mạch khí nén, dẫn đến tốc độ truyền động chậm Từ đó, van tiết lưu giúp điều tiết tốc độ thời gian chạy cấu vận hành Van SMC IR 1010-01 điều chỉnh áp suất từ đến 0.25 MPa 39 Hình 4.25 Van tiết lưu khí nén SMC IR 1010-01 - Xilanh khí nén SMC CJ2 (Hình 4.25) Thơng số kỹ thuật[6]: + Tác động: Hai tác động + Lưu chất: Khí + Áp suất phá hủy: MPa + Áp suất hoạt động cực đại 0.7 MPa + Giảm chấn cao su: 0.06 MPa + Giảm chấn: Vòng đệm cao su (bên trong) + Nhiệt độ lưu chất môi trường cho phép: -10 tới 70oC + Dầu bôi trơn: Không tra dầu + Tốc độ piston: 50 tới 750 mm/s + Động năng: 0.035-0.09 J 40 Hình 4.26 Xilanh khí nén SMC CJ2 kí hiệu - Van Điện Từ Airtac 4V210-08 (Hình 4.26) Thơng số kỹ thuật[7]: + Điện áp: 220AC 24 DC 12 Dc + Áp suất hoạt động: 0.15 - 0.8MPa + Loại van cửa vị trí + Nhiệt độ hoạt động: -20~70C Hình 4.27 Van điện từ Airtac 4V210-08 41 - Động giảm tốc DC GA37 (Hình 4.27) Thơng số kỹ thuật: - Động DC giảm tốc GA37 thích hợp với ứng dụng xe mơ hình, robot, ổ khóa điện tử, thiết bị thông minh, - Điện áp cung cấp: ~ 12V - Tốc độ không hộp số: 5600rpm - Tốc độ qua hộp số: 6V ~ 30rpm, 12V ~ 100rpm - Khối lượng: 175g Hình 4.28 Động giảm tốc DC GA37 - Relay(rơ-le) trung gian:[8] Relay cơng tắc chuyển đổi, dùng để đóng cắt mạch điều khiển, hoạt động điện Nó cơng tắc có trạng thái ON OFF Rơ le trạng thái ON hay OFF phụ thuộc vào có dòng điện chạy qua rơ le hay khơng Trên rơ le có kí hiệu là: NO, NC COM COM (common): chân chung, ln kết nối với chân lại Còn việc kết nối chung với chân phụ thuộc vào trạng thái hoạt động rơ le NC (Normally Closed): Nghĩa bình thường đóng Nghĩa rơ le trạng thái OFF, chân COM nối với chân NO (Normally Open): Khi rơ le trạng thái ON (có dòng chạy qua cuộn dây) chân COM nối với chân Kết nối COM NC muốn có dòng điện cần điều khiển rơ le trạng thái OFF Và rơ le ON dòng bị ngắt Ngược lại nối COM NO 42 Hình 4.29 Relay trung gian - Cảm biến màu sắc TCS3200 Cảm biến màu sắc dùng để phân loại màu sắc, cảm ứng hiệu chuẩn ánh sang mặt trời, kiểm tra dải đọc, kiểm tra màu sắc phù hợp Thông số kỹ thuật: + Điện áp cung cấp: (2.7V đến 5.5V) + Chuyển đổi từ cường độ ánh sáng sang tần số với độ phân giải cao + Lập trình lựa chọn lọc màu sắc khác dạng tần số xuất + Điện tiêu thụ thấp Giao tiếp trực tiếp với vi điều khiển Hình 4.30 Module cảm biến màu sắc TCS3200 43 - Cảm biến quang E3F-DS30C4 (Hình 2.7) Cảm biến quang dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh nhiễu sử dụng mắt nhận phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt Cảm biến chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ cảm biến dạng cực thu hở nên cần thêm trở treo lên nguồn chân output sử dụng Thông số kỹ thuật: - Nguồn điện cung cấp: ~ 36VDC - Khoảng cách phát hiện: ~ 30cm - Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở - Dòng kích ngõ ra: 300mA - Ngõ dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến điện áp ngõ ra, trở treo lên áp tạo thành điện áp ngõ nhiêu - Chất liệu sản phẩm: nhựa - Có led hiển thị ngõ màu đỏ - Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L) 4.8 Hồn thiện mơ hình - Lắp đặt hệ thống điện khí nén 44 Hình 4.31 Đấu nối hệ thống điện khí nén - Hồn thiện mơ hình Hình 4.32 Mơ hình hồn chỉnh - Liên kết mơ hình cánh tay robot với ddieuf khiển PLC S7-1200 Hình 4.33 Đấu nối mơ hình với điều khiển 45 46 Phần KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 5.1 Kết luận - Tìm hiểu, tính tốn, lựa chọn hãng sản xuất mua thiết bị phù hợp với thực tế - Tìm hiểu cấu tạo nguyên lý hoạt động thiết bị có hệ thống như: tìm hiểu cách tính tốn, lắp đặt, vận hành cách sử dụng hiệu hệ thống Cảm biến màu sắc TCS3200, PLC 1200, Cảm biến phát vật cản, hệ thống cụm van-xylanh, module relay, mơ hình cánh tay robot: Lắp ráp, lập trình thiết bị thành mơ hình cánh tay robot thành cơng thực hoạt động linh hoạt - Xây dựng mô hình cánh tay robot nhỏ 5.2 Kiến nghị - Nghiên cứu đếm sản phẩm, phát triển thành hệ thống đóng giói sản phẩm theo yêu cầu - Ứng dụng sản phẩm vào thực tế sản xuất - Cần lựa chọn loại cảm biến tiêu chuẩn đảm bảo chất lượng áp dụng vào thực tế - Nghiên cứu tiếp để ứng dụng thực tế với quy mô lớn 47 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tăng Văn Mùi – Nguyễn Tiến Dũng, Điều Khiển Logic Lập Trình PLC Nhà xuất khoa học kỹ thuật Trần Văn Hiếu, Tự động hóa S7-1200 với TIA PORTAL Nhà xuất khoa học kỹ thuật Hồ Đắc Thọ, Cơng nghệ khí nén Nhà xuất khoa học kỹ thuật Dương Minh Trí, Cảm biến ứng dụng Nhà xuất Trẻ Siemens, S7-1200 Programmable controller Cataloge https://cache.industry.siemens.com/dl/files/465/36932465/att_106119/v1/s71 200_system_manual_en-US_en-US.pdf Airtac, 4V210-08 SERIES VALVE SPECIFICATIONS http://www.alltechpal.com/uploads/file_000000000046.pdf SMC, Precision Regulator Series IR1000/2000/3000 https://content2.smcetech.com/pdf/IR.pdf Relay, Wikipedia Tiếng Việt https://vi.wikipedia.org/wiki/R%C6%A1_le PHỤ LỤC 48 Hình Mơ hình thành viên nhóm thực Hình Mơ hình cánh tay robot, PLC hình điều khiển 49 Hình PLC hình điều khiển Hình Mơ hình cánh tay robot 50 Hình 5.Tay gắp vật robot Hình Khung bang tải mơ hình robot 51 Hình Cơ cấu xoay xylanh xoay Hì nh Mối hàn khung mơ hình 52 ... sở để thiết kế, chế tạo cánh tay robot mang tính ứng dụng hơn, sử dụng vi xử lí bền bỉ Từ đó, nhóm định chọn cánh tay robot có sử dụng khí nén điều khiển PLC S71200 Hình 2.13 Cánh tay robot điều... ứng dụng rộng rãi Một số loại dây chuyền phân loại sản phẩm như: - Phân loại theo chiều cao - Phân loại theo màu sắc - Phân loại theo kích thước - Phân loại theo hình dáng, 2.2.2 Cơng nghệ robot. .. thống khí nén có tác dụng cung cấp cho van điều chỉnh lượng khí thích hợp xylanh đẩy nén khí cánh tay hoạt động c Một số thiết bị khí nén khác có sử dụng mơ hình Máy nén khí Máy nén khí thiết