Kỹ thuật lập trình Robot Công nghiệp (Lập trình điều khiển Robot Harmo 4 bậc tự do bằng PLC)

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càng nhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động. Robot công nghiệp đang ngày càng có khả năng thích ứng tốt và thông minh hơn nhờ áp dụng những cấu trúc, phương pháp điều khiển và những công nghệ mới.

Mục Lục

Lời nói đầu 2

Yêu cầu thực hiện 4

Chương 1: Giới thiệu về Robot Harmo 5

1.1 Giới thiệu về Robot Harmo 5

1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động 5

1.2.1 Bậc tự do tịnh tiến theo trục X 5

1.2.2 Bậc tự do tịnh tiến theo trục Y 6

1.2.3 Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z 7

1.2.4 Bậc tự do quay theo trục Ox 7

1.3 Khâu chấp hành 8

1.3.1 Truyền dẫn cơ khí trong robot Harmo 8

1.3.2 Dẫn động trong robot Harmo 8

1.4 Sơ đồ cấu trúc động học của robot 9

1.5 Các thông số động học kích thước Robot 9

Chương 2: Lập trình Robot Harmo 10

2.1 Hệ thống điều khiển 10

2.2 Các rơ-le trung gian 11

2.3 Các biến vào ra: 11

2.3.1 Các biến vào 11

2.3.2 Các biến ra 12

2.4 Thiết kế chương trình 12

2.4.1 Design – Sơ lược mô hình 12

2.4.2 Phân tích bài toán 12

2.4.3 Các ý tưởng giải quyết bài toán 12

2.4.4 Design – Lập bảng Variables 13

2.5 Sơ đồ Grafcet 15

2.6 Lập trình PLC Robot gắp phôi tự động 18

2.6.1 Các phương pháp lập trình PLC 18

2.6.2 Lập trình cho PLC Omron bằng phần mềm CX – Programmer 20

2.6.3 Chương trình PLC thực hiện yêu cầu bài toán 20

Kết luận 21

Lời nói đầu

Hiện nay trên thế giới, do nhu cầu sử dụng robot ngày càngnhiều trong các quá trình sản xuất phức tạp với mục đích gópphần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, giảm giáthành, nâng cao chất lượng, và nâng cao khả năng cạnh tranhcủa sản phẩm đồng thời cải thiện điều kiện lao động Robotcông nghiệp đang ngày càng có khả năng thích ứng tốt vàthông minh hơn nhờ áp dụng những cấu trúc, phương pháp điềukhiển và những công nghệ mới

Nhận thức rõ tầm quan trọng của Robot công nghiệp, trường đại học BáchKhoa Hà Nội đã đưa môn “Kĩ thuật lập trình Robot công nghiệp” vào chươngtrình giảng dạy, nhằm giúp sinh viên hiểu biết về lĩnh vực Robot đồng thờithông qua bài giảng, bài tập lớn còn giúp sinh viên rèn luyện hình thành kỹ năngthuyết trình, làm việc nhóm và tìm tòi sáng tạo đưa ra ý tưởng thiết kế mới.Trong quá trình thực hiện Bài tập lớn “Tìm hiểu và lập trìnhđiều khiển cho Robot Harmo 4 bậc tự do” em đã nắm bắt đượcrất nhiều kiến thức, tư duy mới mẻ về lập trình, kết nối PLC, cấutrúc Robot, có cơ hội nâng cao các kĩ năng như trình bày slide,báo cáo, làm việc nhóm…

Bản báo cáo này trình bày những hiểu biết em tích lũy được trong thời gianhọc tập môn học này, do kiến thức còn hạn chế nên không tránh khỏi những saisót trong quá trình tính toán, lập trình, mô phỏng Vì vậy, em rất mong nhậnđược sự góp ý của thầy, cô giáo và các bạn đọc

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành nhất tới cô TS Trần Thị Thanh Hải đãdành thời gian định hướng, giúp đỡ, tạo điều kiện về cơ sở vật chất trong quátrình học tập và hoàn thành bản báo cáo này

Sinh viên thực hiệnĐặng Xuân Hải

Yêu cầu thực hiện

1 Tìm hiểu về Robot Harmo UE700SW-2R

2 Lập trình điều khiển Robot Harmo thực hiện

 Gắp vật từ vị trí 4x, 5x đưa về Home và thả và ống phôi

 Lấy vật 1, 2 từ ống phôi ở Home đưa đến đặt ở vị trí 2x’, 3x’

 Gắp vật từ vị trí 1x, 2x đưa về vị trí 2y và thả vào ống phôi

 Chọn x tùy ý sao cho phù hợp với chiều dài hành trình tối đa

Hình 1: Phân bố các vị trí

Chương 1: Giới thiệu về Robot Harmo

1.1. Giới thiệu về Robot Harmo

Harmo có nhãn hiệu UE700SW-2R, đây là robot có 4 bậc tự do (3 tịnh tiến theo các trục tọa độ X,Y,Z và một chuyển động

quay 90 quanh trục X) o

Hình 2: Mô hình 3D Robot Harmo UE700SW-2R

1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

1.2.1 Bậc tự do tịnh tiến theo trục X

Kết cấu của chi tiết trên trục X gồm có:

 Nguồn động lực là động cơ điện xoay chiều 3 pha điều khiển bằng bộ biến tần Inventer

 Cơ cấu truyền dẫn cơ khí: Sử dụng bộ truyền thanh răng/ bánh răng biến chuyển động quay thành chuyển động tịnhtiến

 Hệ thống dẫn hướng: Sử dụng kết cấu dẫn hướng đuôi én bằng ma sát bi

 Hệ thống đo lường dịch chuyển và phản hồi: Hệ thống đo lường sử dụng bộ đo gia số encoder, hai vị trí giới hạn

quãng đường dịch chuyển được xác định thông qua hai cảm biến vị trí lắp ở cuối hành trình

Hình 3: Sơ đồ kết cấu bậc tự do theo trục X

1.2.2 Bậc tự do tịnh tiến theo trục Y

Hình 4: Sơ đồ kết cấu bậc tự do theo trục Y

Kết cấu của chi tiết trên trục X gồm có :

 Nguồn động lực là piston xylanh khí nén

 Cơ cấu truyền dẫn cơ khí: Sử dụng bộ truyền vít me đai ốc biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến của các cữ hành trình thực hiện thông qua bộ truyền đai răng

 Hệ thống dẫn hướng: Sử dụng kết cấu dẫn hướng đuôi én bằng ma sát bi

 Hệ thống đo lường dịch chuyển và phản hồi: Bộ encoder được gắn trên đầu động cơ một chiều và trên khớp nối đànhồi có tác dụng đo góc quay của vít me phản hồi lại bộ PLC điều khiển việc đặt cữ hành trình và tầm hoạt động của bộ vít me đai ốc(điều khiển dùng chính xác)



1.2.3 Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Z

Hình 5: Sơ đồ kết cấu bậc tự do theo trục z

Kết cấu của chi tiết trên trục X gồm có :

 Nguồn động lực: là piston xylanh khí nén tác động hai

chiều Ngoài ra hành trình chuyển động của nó được

khống chế bằng các cữ hành trình điều khiển được bằng các động cơ xoay chiều đảo chiều bằng cuộn dây

 Cơ cấu truyền dẫn cơ khí: Sử dụng bộ truyền puly đai răngnhằm nhân đôi hành trình của tay máy theo nguyên lí làm việc của ròng rọc động Cơ cấu truyền dẫn cho bộ phần

điều chỉnh cữ là vít me đai và bộ truyền đai răng truyền chuyển động từ động cơ tới đai ốc.

 Hệ thống dẫn hướng: Sử dụng kết cấu dẫn hướng đuôi én bằng ma sát bi

1.2.4 Bậc tự do quay theo trục Ox

Kết cấu của bậc tự do quay theo trục Ox gồm có:

 Nguồn động lực là piston xylanh khí nén tác động hai

chiều với piston một đầu cần

 Cơ cấu truyền dẫn cơ khí: Sử dụng kết cấu trục khuỷu

thanh truyền để biến chuyển động tịnh tiến thành chuyển động quay

 Hệ thống đo lường dịch chuyển và phản hồi: Trên bàn kẹp dụng cụ được bố trí 2 cảm biến để phản hồi vị trí cho bộ điều khiển trung tâm biết vị trí hiện tại của bàn kẹp dụng cụ

Hình 6: Sơ đồ kết cấu bậc tự do quay theo trục X

1.3 Khâu chấp hành

1.3.1 Truyền dẫn cơ khí trong robot Harmo

Trong robot Harmo sử dụng các loại truyền dẫn cơ khí phổ biến như:

 Cơ cấu đặt cữ dùng bộ truyền vít me đai ốc bi

 Truyền động đai răng giữa puly động cơ và đai ốc

 Cơ cấu bánh răng thanh răng

1.3.2 Dẫn động trong robot Harmo

 Chuyển động chính dọc trục X sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha

 Sử dụng động cơ điện một chiều điều chỉnh cữ cho các bậc tự do điều khiển bằng khí nén

 Các cảm biến được sử dụng trong robot Harmo là các cảm biến điện từ

 Dùng các Encoder để đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vị trí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác định được vị trí trục hoặc bàn máy

1.4 Sơ đồ cấu trúc động học của robot.

1.5 Các thông số động học kích thước Robot

- Chiều cao thân Robot: 1450 mm

- Chiều dài trục X: 1000 mm

- Chiều dài trục Y:

- Chiều dài trục Z:

=> Từ các thông số động học Robot, ta lựa chọn x=150 mm.Các trục Y và Z được điều khiển bằng khí nén chỉ có 2 vị trí nên

ta không chọn tham số cho 2 trục này

Chương 2: Lập trình Robot Harmo

 Thiết bị điều khiển: PLC CPM2A-40CDR

 Thiết bị ngoại vi: Bộ chuyển đổi RS232

 Phần mềm lập trình: CX-Programmer của hãng Omron

Hình 8: PLC CPM2A-40CDR

Ở chế độ làm việc độc lập với máy tính, bộ điều khiển sẽ tự động kiểm tra cá điều kiện đầu vào và đưa ra các tín hiệu điều khiển tương ứng Người sử dụng sẽ không thể can thiệp vào

chương trình điều khiển cũng như quá trình hoạt động của

robot

2.2 Các rơ-le trung gian

Như đã nêu ở các mục trên, động cơ sử dụng điện áp 3 pha380V trong khi PLC điều khiển lại sử dụng điện áp 24V, vậy câu

hỏi đặt ra là: Làm thế nào để sử dụng PLC điều khiển động cơ

và các van khí nén?

Trong thực tế để tránh hư hại cho bộ điều khiển và linh hoạt hơn trong việc sử dụng điện áp, các mạch điện điều khiển thường sử dụng rơ le trung gian Bộ điều khiển (PLC) cấp tín hiệu đóng ngắt các rơ le trung gian, sau đó đến lượt mình, các

rơ le này lại đóng ngắt các mạch điện động lực điều khiển động

cơ Đối với các mạch điện có công suất lớn, người ta còn sử dụng 2 tầng rơ le để điều khiển

Hình 9: Rơ-le điện từ của hãng Omron

2.3 Các biến vào ra:

2.4.1 Design – Sơ lược mô hình

Mô hình bảng điều khiển được mô tả như hình dưới:

Hình 10: Bảng điều khiển

2.4.2 Phân tích bài toán

Yêu cầu bài toán có thể tách làm 3 bài toán con:

- Lập trình Robot gắp vật ở vị trí 4x và mang về Home (1y) đặt vào hộp phôi, lặp lại với vị trí 5x

- Lập trình Robot lấy phôi trong hộp phôi ở (0x,1y,1z) và mang tới vị trí 2x’ sau đó lặp lại chu trình với vị trí 3x’.

- Lập trình Robot gắp vật ở vị trí 1x rồi mang về 2y thả vào hộp phôi, lặp lại chu trình với 2x->1y

2.4.3 Các ý tưởng giải quyết bài toán

Cách 1: Ta chia nhỏ giải quyết từng bài toán con, mỗi bài toán một bộ biến số

riêng sau đó gộp các biến trung gian này vào biến điều khiển đầu ra

Ưu điểm: Dễ lập trình, đơn giản.

Nhược điểm: Chương trình dài, rườm rà, tốn nhiều bộ nhớ.

Cách 2: Ta chia nhỏ giải quyết tuần tự từng bài toán con một, các bài toán sau

sử dụng lại các biến, timer, counter của bài toán trước

Ưu điểm: Chương trình ngắn gọn, dung lượng nhỏ, tiết kiệm tài nguyên, dễ theo

dõi mạch tư duy

Nhược điểm: Chương trình phức tạp, các trường hợp biến logic cùng đầu ra dễ

nhầm lẫn

Dựa vào khả năng hiện tại và muốn tận dụng cơ hội thử thách bản thân với môn

học, em chọn Phương án 2.

2.4.4 Design – Lập bảng Variables

Direction

Out

Out

Out

Hozizontal

VerKeep 0.08 Input Keeper at Vertical

Keeper

Counter1x’ C0000 Counter Up Out 1x’ #1*x

Counter1x C0001 Counter Up Out 1x #1*x

Counter2x C0002 Counter Up Out 2x #2*x

Counter3x C0003 Counter Up Out 3x #3*x

Counter4x C0004 Counter Up Out 4x #4*x

Counter5x C0005 Counter Up Out 5x #5*x

OutYHomeStat

e

Section

Run Signal Flag 201.00 Signal Flag Run Signal FlagOutY3 201.01 Medium Out Y Direction 3rd

OutY6 201.02 Medium Out Y Direction 6th

OutX3 201.03 Medium Out X Direction 3rd

OutX6 201.04 Medium Out X Direction 6th

OutZ1,2 201.05 Medium Out Z Direction 1st,

2nd

OutZ3 201.06 Medium Out Z Direction 3rd

Keep1,2 201.07 Medium Keep 1st,2nd

Keep3,4 201.08 Medium Keep 3rd,4th

OutY5 201.13 Medium Out Y 5th

HOME Rotate 0 0100101,05

01007

Counter4,5

#3001001

01007Timer2

#20 Timer2 #2001006

05 T2 T1 C4

01003

In X

01004Out X

Rotate 90

In Z

KeepOut Z

07

Timer1 #20

Cycle 1T4

01007Release

#20 Timer3

#10 01

Cycle 1,2

01004Out Y

Chu trình 5,6

Cycle 4

TTBĐStart

HOME Rotate 0 0100101,05

01007

Counter4,5

#3001001

01007Timer2

#20 Timer2 #2001006

05 T2 T1 C4

01003

In X

01004Out X

Rotate 90

In Z

KeepOut Z

07

Timer1 #20

Cycle 5T4

01007Release

#20 Timer3

#10 01

Cycle 5,6Out Y

Timer5

#30

2.6 Lập trình PLC Robot gắp phôi tự động

2.6.1 Các phương pháp lập trình PLC

Bao gồm:

 Lập trình bằng ngôn ngữ bậc thang (Ladder Diagram – LAD)

 Phương pháp liệt kê câu lệnh (Statement List – STL)

 Phương pháp khối hàm (Function Block Diagram – FBD)

Nếu chương trình được viết theo ngôn ngữ LAD (hoặc FBD) thì có thể chuyển sang ngôn ngữ STL hay FBD (hoặc LAD) tương ứng Nhưng không phải bất cứ chương trình viết theo STL nào cũng chuyển sang ngôn ngữ LAD hay FBD được.

a) Phương pháp liệt kê câu lệnh

Ngôn ngữ liệt kê câu lệnh ký hiệu là STL (Statement List) Đây là ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính Một chương trình được ghép bởi nhiều dòng lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung là :

“tên lệnh” + “toán hạng” Một số lệnh đặc biệt thì có thể chỉ có tên lệnh mà không cần toán hạng.

Hình 11: Ví dụ lập trình PLC bằng STL

b) Phương pháp ngôn ngữ hình thang

Ngôn ngữ hình thang, ký hiệu là LAD (Ladder Logic), với loại ngôn ngữ này rất thích hợp với người quen thiết kế mạch điều khiển logic Chương trình được viết dưới dạng liên kết giữa các công tắc.

Hình 12: Ví dụ lập trình PLC bằng LAD

c) Phương pháp khối hàm (FBD)

Tập hợp các câu lệnh thực hiện một nhiệm vụ nhất định được đưa vào một chương trình con có tham số đầu vào là giá trị biến thay đổi Khi viết chương trình chính, người lập trình gọi các khối hàm này ra và truyền tham số tương ứng hoặc thiết lập các liên hệ logic để truyền tham số cho hàm con thực hiện các nhiệm vụ nhỏ nhất định, hợp thành giải quyết bài toán lớn

2.6.2 Lập trình cho PLC Omron bằng phần mềm CX – Programmer

CX- Programmer là phần mềm cung cấp 1 nền tảng chung cho phát triển

chương trình cho tất cả các loại PLC Omron từ các loại micro PLC đến những loại PLC Duplex cao cấp CX-Programmer không chỉ dùng để lập trình cho PLC mà nó còn là công cụ của các kĩ sư quản lí 1 dự án tự động hóa PLC làm

bộ não hệ thống

Hình 13: Phần mềm CX - One

Các chức năng chính của CX- Programmer bao gồm:

 Tạo và quản lí các dự án tự động hóa

 Kết nối PLC qua nhiều đường giao tiếp

 Cho phép thực hiện các thao tác chỉnh sửa và theo dõi khi đang online

 Đặt thông số hoạt động cho PLC, cấu hình đường truyền mạng

 Hỗ trợ nhiều chương trình, nhiều PLC trong cùng dự án và nhiều section trong 1 chương trình

2.6.3 Chương trình PLC thực hiện yêu cầu bài toán

Do chưa tìm được cách xuất chương trình từ phần mềm CX-One sang dạng word nên em để chương trình trong file PDF đính kèm

Kết luận

Đạt được:

- Quá trình thực hiện Bài tập lớn đã cho em nhiều kiến thức bổ ích đặc biệt

về lập trình PLC, cả về tư duy lập trình và kết nối tín hiệu làm việc với phần cứng, quả thực thực tế luôn khác xa so với lý thuyết khi lập trình

- Chương trình PLC điều khiển đã cơ bản đạt được các điều kiện cần có trong thực tế như tối ưu hành trình chuyển động sao cho tiết kiệm về quãng đường và thời gian, tạo thời gian trễ để ổn định hệ thống khi thực hiện các thao tác cần độ chính xác, kết nối tín hiệu với các nút điều khiển

hệ thống như Start, Stop, Reset và tự động lặp lại chương trình khi kết thúc một phiên làm việc

Chưa đạt được:

- Cách cũ mà các sinh viên thường làm là cứ dò tác động của từng biến đầuvào rồi đưa vào biến đầu ra, rất thủ công và dễ nhầm lẫn, mất nhiều thời gian, không phù hợp với những chương trình lớn Trong lần thực hiện Bàitập lớn này, ý tưởng ban đầu là thiết kế hệ thống dựa trên mô hình lưu đồ trạng thái Grafcet từ đó tổng hợp ra các hàm logic và đưa thẳng vào chương trình (chuyển hàm logic của tín hiệu đầu ra thành chương trình dưới dạng ngôn ngữ hình thang LAD), tuy nhiên do đây là đầu tiên sử dụng phương pháp này để thiết kế chương trình một cách có hệ thống hơnnên chưa đạt được hiệu quả như mong muốn, nhiều phần vẫn phải làm theo cách cũ, phải thử sai và hiệu chỉnh nhiều lần