Đề tài này tập trung vào việc thiết kế máy gắn linh kiện SMD dạng tuần tự (phù hợp với loại linh kiện 0805), chế tạo mô hình máy để kiểm tra phương án đượcchọn, thiết kế giải thuật để tối ưu hóa việc gắp linh kiện và phần mềm giám sát điều khiển.Từ mục tiêu này, đề tài này tập trung vào việc thiết kế máy gắn linh kiện dạngtuần từ có thể đáp ứng các đặc tính cơ bản sau: Tốc độ gắn linh kiện: 1800 linh kiệnh Loại linh kiện 0805 (kích thước 2mm x 1.25mm) Độ chính xác: ± 0.1mm
TĨM TẮT LUẬN VĂN Trong thời đại cơng nghiệp ngày phát triển, linh kiện dán dần thay linh kiện cấm mạch điện Do nhu cầu máy để thực việc gắn linh kiện dán lên bo mạch đặt Yêu cầu máy cần đảm bảo gắp linh kiện từ phận cấp linh kiện đến vị trí cần đặt bo cách xác với sai số thỏa yêu cầu nhà sản xuất, tốc độ nhanh Ở Việt Nam, việc chế tạo nghiên cứu dạng máy hạn chế đề tài chủ yếu giải vấn đề thiết kế khí, thiết kế hệ thống điện, mô giải thuật tối ưu đường đi, điều khiển máy gắn linh kiện Qua làm chủ cơng nghệ, giảm giá thành sản phẩm Luận văn gồm có chương sau: CHƯƠNG TỔNG QUAN CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN CHƯƠNG MƠ HÌNH HĨA CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN iii MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN i TÓM TẮT LUẬN VĂN iii MỤC LỤC iv DANH SÁCH HÌNH ẢNH viii DANH SÁCH BẢNG BIỂU xi CHƯƠNG TỔNG QUAN 1.1 Giới thiệu chung 1.1.1 Tình hình nghiên cứu ngồi nước 1.1.2 Tình hình nghiên cứu nước 1.2 Cấu tạo máy gắn linh kiện 1.3 Sơ đồ nguyên lý máy gắn linh kiện 1.4 Động sử dụng máy gắn linh kiện 1.5 Giải thuật điều khiển 1.6 Cấu trúc điều khiển 1.7 Đặc tính kỹ thuật số máy thị trường 1.8 Mục tiêu, nhiệm vụ, phạm vi đề tài 1.8.1 Mục tiêu đề tài 1.8.2 Nhiệm vụ đề tài 1.8.3 Phạm vi đề tài 1.9 Tổ chức luận văn 10 CHƯƠNG LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 11 2.1 Lựa chọn sơ đồ động 11 2.2 Lựa chọn động truyền động 12 2.3 Lựa chọn giải thuật điều khiển 13 iv 2.4 Lựa chọn cấu trúc điều khiển 15 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ CƠ KHÍ 17 3.1 Tính tốn chọn động bước cho trục 17 3.1.1 Tính tốn chọn động bước cho trục X 18 3.1.2 Tính toán chọn động bước cho trục Y 20 3.1.3 Tính tốn chọn động bước cho trục Z 21 3.2 Tính tốn truyền 24 3.2.1 Tính tốn truyền đai trục X 24 3.2.2 Tính tốn truyền đai trục Y 26 3.2.3 Tính tốn truyền đai trục Z 27 3.3 Tính tốn lựa chọn thiết kế trượt trục Z 29 3.4 Tính tốn lựa chọn thiết kế trượt tròn trượt tròn 32 3.4.1 Tính toán cho trục X 32 3.4.2 Tính tốn cho trục Y 34 3.5 Tính tốn trục ổ lăn 36 3.5.1 Tính tốn trục 36 3.5.2 Tính tốn ổ lăn 38 CHƯƠNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN 41 4.1 Sơ Đồ Khối Hệ Thống Điện 41 4.2 Kit Tiva TM4C123G Launchpad 41 4.3 Driver điều khiển 42 4.4 Cơng tắc hành trình 43 4.5 Cảm biến tiệm cận 44 4.6 Module Bluetooth 45 4.7 Máy hút chân không 45 v 4.8 Module relay 46 4.9 Nguồn Điện 47 CHƯƠNG MÔ HÌNH HĨA 48 5.1 Giới thiệu giải thuật Genetic Algorithm – GA 48 5.1.1 Khái niệm 48 5.1.2 Các bước giải thuật di truyền 48 5.2 Mơ hình Toán Tối Ưu 50 5.2.1 Mơ Hình Tốn 50 5.2.2 Định nghĩa tên gọi dùng 51 5.2.3 Giải thuật tối ưu 52 5.2.4 Mơ với tốn cụ thể 56 5.3 Mô quỹ đạo tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 61 5.3.1 Tính tốn thông số điều khiển 62 5.3.2 Kết mô so sánh 62 CHƯƠNG THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN 66 6.1 Giao Diện Điều Khiển Trên Máy Tính 66 6.2 Phương trình quan hệ khoảng cách cần di chuyển lượng xung cần cung cấp cho trục X, Y 68 6.2.1 Phương trình quan hệ trục X 69 6.2.2 Phương trình quan hệ trục Y 72 6.3 Giải thuật điều khiển máy 73 6.3.1 Qui định frame truyền nhận liệu 73 6.3.2 Sơ đồ khối điều khiển 73 6.3.3 Giải thuật điều khiển 75 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 78 vi 7.1 Mơ hình thực nghiệm kiểm tra giải thuật điều khiển 78 7.2 Thực nghiệm xác định sai số phương pháp điều khiển sử dụng 79 7.2.1 Sai số trục X 79 7.2.2 Sai số trục Y 81 7.2.3 Sai số lặp lại 82 7.3 Kết trình vận hành 83 7.4 Nhận xét kết thực nghiệm 85 7.5 Hướng phát triển đề tài 85 PHỤ LỤC A: BÀI BÁO LIÊN QUAN TÁC GIẢ 87 PHỤ LỤC B: BÀI BÁO LIÊN QUAN ĐỀ TÀI 88 TÀI LIỆU THAM KHẢO 95 vii DANH SÁCH HÌNH ẢNH Hình 1.1 Các phận máy gắn linh kiện (VP – 2500HP) Hình 1.2 Các dạng phận cấp linh kiện Hình 2.1 Sơ đồ động sử dụng đai truyền động 11 Hình 2.2 Sơ đồ động sử dụng vít me bi truyền động 12 Hình 2.3 Cấu trúc điều khiển lựa chọn 15 Hình 3.1 Sơ đồ động học máy dùng để thiết kế tính tốn 17 Hình 3.2 Đồ thị thể mối quan hệ tốc độ khả tải động step KH56KM2 – 901 19 Hình 3.3 Đồ thị thể mối quan hệ tốc độ khả tải động step Nema17 23 Hình 3.4 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên trượt trục Z [13] 29 Hình 3.5 Momen tĩnh tác dụng lên trượt [21] 30 Hình 3.6 Lực tương đương tác dụng lên trượt chịu momen MP, MY 31 Hình 3.7 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên trượt theo trục X 33 Hình 3.8 Sơ đồ phân bố lực tác dụng lên trượt theo trục Y 34 Hình 3.9 Biểu đồ phân bố lực trục 37 Hình 4.1 Sơ đồ khối hệ thống điện 41 Hình 4.2 Kit Tiva TM4C123G Launchpad 42 Hình 4.3 Driver microstep với IC driver SI09AFTG 42 Hình 4.4 Cơng tắc hành trình Z-15GW2-B 44 Hình 4.5 Cảm biến tiệm cận JL12A3 44 Hình 4.6 Mạch thu phát bluetooth HC05 45 Hình 4.7 Các thiết bị sử dụng để thiện việc hút chân không 46 Hình 4.8 Module relay với opto cách ly 46 viii Hình 5.1 Các bước thực giải thuật di truyền 49 Hình 5.2 Mơ hình máy gắn linh kiện 50 Hình 5.3 Lưu đồ giải thuật trình tìm kiếm giá trị tối ưu vùng lân cận 54 Hình 5.4 Lưu đồ giải thuật trình lai ghép 55 Hình 5.5 Giải thuật GA áp dụng cho việc tối ưu máy 56 Hình 5.6 Mạch điện chứa linh kiện để thực việc mô kiểm nghiệm 57 Hình 5.7 Thứ tự di chuyển tối ưu đầu gắp – đặt (tối ưu giải thuật GA) 60 Hình 5.8 Đồ thi khoảng cách di chuyển tối ưu theo thời gian 61 Hình 5.9 Đồ thị mơ quỹ đạo di chuyển đầu gắp – đặt từ vị trí (0, 0) đến vị trí (20, 9) 63 Hình 5.10 Đồ thị mơ quỹ đạo di chuyển đầu gắp – đặt từ vị trí (20, 9) đến vị trí (0, 0) 63 Hình 5.11 Đồ thị mô so sánh quỹ đạo di chuyển đề xuất từ (0, 0) đến (20, 9) 64 Hình 5.12 Đồ thị mô so sánh quỹ đạo di chuyển đề xuất từ (20 ,9) 65 Hình 6.1 Giao diện điều khiển máy tính 66 Hình 6.2 Giao diện thực giải thuật GA 67 Hình 6.3 Đồ thị quan hệ số xung cung cấp khoảng cách di chuyển theo hướng tiến trục X 71 Hình 6.4 Đồ thị quan hệ số xung cung cấp khoảng cách di chuyển theo hướng lùi trục X 71 Hình 6.5 Đồ thị quan hệ số xung cung cấp khoảng cách di chuyển theo hướng tiến trục Y 72 Hình 6.6 Đồ thị quan hệ số xung cung cấp khoảng cách di chuyển theo hướng lùi trục Y 73 Hình 6.7 Sơ đồ cấu trúc điều khiển tập trung 74 ix Hình 6.8 Giải thuật di chuyển tương tự lệnh chạy dao nhanh G0 máy CNC 75 Hình 6.9 Giải thuật vị trí home 77 Hình 7.1 Mơ hình 3D thiết kế Solidworks 78 Hình 7.2 Mơ hình thực nghiệm kiểm chứng giải thuật điều khiển thiết kế 78 Hình 7.3 Gá đặt đồng hồ so để đo sai số trục X, Y 79 Hình 7.4 Gá đặt đồng hồ so để đo sai số lặp theo phương X, Y 82 Hình 7.5 Bo mạch kiểm nghiệm việc gắp – đặt mô chương 84 Hình 7.6 Kết việc gắp – đặt linh kiện số vị trí 84 x DANH SÁCH BẢNG BIỂU Bảng 3.1 Các thông số động step pha – KH56KM2 19 Bảng 3.2 Thông số động SUMTOR 57HS7630A4 21 Bảng 3.3 Các thông số động step pha – nema17 22 Bảng 3.4 Độ xác trượt ứng với độ dài hãng HIWIN [20] 29 Bảng 3.5 Thông số loại trượt thuộc MG series hãng HIWIN 30 Bảng 4.1 Các ngõ ra/vào microstep driver 43 Bảng 4.2 Công suất điện cần cung cấp cho thiết bị 47 Bảng 5.1 Thơng số vị trí chi tiết thu từ phần mềm Altium 57 Bảng 5.2 Khoảng cách vị trí linh kiện, vị trí cấp linh kiện vị trí bắt đầu 58 Bảng 5.3 Điểm số vị trí cấp linh kiện ứng với loại linh kiện 58 Bảng 5.4 Tổng điểm vị trí cấp linh kiện - ứng với loại linh kiện 59 Bảng 5.5 Điểm tiêu chuẩn vị trí cấp linh kiện- ứng với loại linh kiện score/max score) 59 Bảng 5.6 Điểm số vị trí đặt linh kiện ứng với loại linh kiện 59 Bảng 5.7 Tổng điểm vị trí đặt linh kiện - ứng với vị trí đặt linh kiện 59 Bảng 5.8 Điểm tiêu chuẩn vị trí đặt linh kiện - ứng với vị trí đặt linh kiện (score/max score) 60 Bảng 5.9 Bảng tổng điểm tiêu chuẩn vị trí đặt linh kiện 60 Bảng 5.10 Cá thể tối ưu sau tiến hành giải thuật GA 60 Bảng 6.1 Bảng chuẩn cho file excel sử dụng hình 6.2 67 Bảng 6.2 Khoảng cách lý thuyết mà đầu gắp – đặt di chuyển theo phương trục X Y 69 Bảng 6.3 Khoảng cách thực tế đầu gắp – đặt di chuyển 800 xung theo phương trục X 69 xi Bảng 6.4 Khoảng cách đầu gắp – đặt đặt di chuyển thực tế theo phương trục X 70 Bảng 6.5 Khoảng cách đầu gắp – đặt đặt di chuyển thực tế theo phương trục Y 72 Bảng 7.1 Kết thực nghiệm di chuyển theo phương X khoảng 50mm 80 Bảng 7.2 Kết thực nghiệm di chuyển theo phương Y khoảng 50mm 81 Bảng 7.3 Giá trị sai số lặp lại đo theo phương X 82 Bảng 7.4 Giá trị sai số lặp lại đo theo phương Y 83 xii CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.2.2 Sai số trục Y Tương tự trục X tiến hành kiểm nghiệm sai số trục Y trường hợp cho đầu gắp – đặt di chuyển theo phương trục Y khoảng 50mm Bảng kết đo bảng 7.2 Bảng 7.2 Kết thực nghiệm di chuyển theo phương Y khoảng 50mm Lần Khoảng cách di chuyển Lần (mm) Khoảng cách di chuyển (mm) 50,17 11 50,14 50,16 12 50,17 50,20 13 50,11 50,16 14 50,07 50,21 15 50,12 50,09 16 50,14 50,10 17 50,09 50,08 18 50,12 50,14 19 50,17 10 50,20 20 50,10 Xử lý số liệu: - Giá trị trung bình: 50,137 mm - Sai số trung bình: 0,035 mm - Phương sai : 0,0016 → Giá trị khoảng cách di chuyển đo trình di chuyển là: y = 50,137 ± 0,035 mm (7.4) Với kết đo xác suất để khoảng cách di chuyển đầu gắp – đặt nằm vùng sai số đặt chương là: 81 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN P(y ≤ 0,1) = 2∅ ( 0,1 √0,0016 ) = 0,4938 ( 49,38%) (7.5) 7.2.3 Sai số lặp lại Sau kiểm tra sai số điều khiển trục X, Y tiến hành kiểm tra sai số lặp lại máy Phương pháp đo: Sử dụng đồng hồ so gá đặt hình 7.3 Đầu tiên đọc giá trị đồng hồ so cho đầu gắp – đặt chạy vị trí (ít 10 vị trí khác theo phương) sau quay trở lại vị trí ban đầu đọc giá trị đồng hồ so lần Hiệu số giá trị đọc đồng hồ sai số lặp lại theo phương tương ứng a) Phương X b) Phương Y Hình 7.4 Gá đặt đồng hồ so để đo sai số lặp theo phương X, Y Tiến hành thực theo phương pháp đo đưa 20 lần đạt bảng số liệu 7.3 7.4 sai số lặp lại theo phương X, Y Từ bảng số liệu nhận thấy sai số lăp lại đạt yêu cầu đề tài đưa elaplaiX = ±0,09 mm elaplaiY = ±0,08 mm Bảng 7.3 Giá trị sai số lặp lại đo theo phương X Lần Sai số lặp lại Lần Sai số lặp lại 0,09 11 -0,09 0,01 12 0,01 82 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 13 -0,08 -0,01 14 0,03 -0,05 15 0,02 -0,01 16 0,09 17 -0,06 -0,07 18 -0,02 0,09 19 -0,05 10 0,02 20 -0,08 Bảng 7.4 Giá trị sai số lặp lại đo theo phương Y Lần Sai số lặp lại Lần Sai số lặp lại 0,01 11 0,02 -0,02 12 0,06 0,05 13 -0,08 -0,04 14 0,02 -0,01 15 0,03 0,07 16 -0,04 -0,04 17 -0,02 0,04 18 -0,05 -0,06 19 0,02 10 20 -0,04 7.3 Kết trình vận hành Sau kiểm tra yêu cầu đề đặt ra, tiến hành vận hành mơ hình mô đường giải thuật GA kết hợp DSWS trình bày chương Sử dụng bo mạch hình 7.5 để vận hành cới vị trí tương ứng hình 5.6 bảng 5.1 Đề 83 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN tài không sử dụng phận cấp linh kiện tự động nên thu kết hình 7.6 R3 R1 R36 C23 C15 C14 R35 D7 Hình 7.5 Bo mạch kiểm nghiệm việc gắp – đặt mô chương R3 D7 a) b) C15 c) Hình 7.6 Kết việc gắp – đặt linh kiện số vị trí 84 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 7.4 Nhận xét kết thực nghiệm Từ kết trình thực nghiệm tính tốn xác suất bên nhận thấy sai số trình di chuyển trục chưa đáp ứng sai số yêu cầu Nguyên nhân xảy sai số bao gồm yếu tố sau: Khi di chuyển tốc độ cao sinh quán tính lớn rung lắc dẫn đến sai số Sai số trình gia cơng lắp đặt vị trí cấp linh kiện vị trí đặt bo mạch Nguyên nhân ảnh hưởng lớn đến việc sai số gắp đặt đầu gắp – đặt linh kiện di chuyển theo tọa độ cung cấp từ điều khiển mà tọa độ có sai số nằm khoảng cho phép ± 0,1 mm Bánh đai dây đai ăn khớp không tốt Độ song song trượt tròn trục Y trục X không đảm bảo Tuy calib sai số hệ thống mơ hình sai số hệ thống ảnh hưởng đến trình di chuyển đầu gắp – đặt Bên cạnh với yều cầu đề đặt 1800 linh kiện tương ứng tốc độ động 180 vg/ph đề tài vận hành 75 vg/ph vận hành với tốc độ lớn xảy tượng rung dao động lớn dẫn đến sai số tăng Đây vấn đề cần khắc phục phát triển tương lai 7.5 Hướng phát triển đề tài Từ kết thực nghiệm trình bày nguyên nhân sai số đưa biện pháp để giảm sai số cho máy để nâng cao độ xác đề xuất, bên cạnh bổ sung thêm chức cần thiết khác cho máy Nâng cao độ xác cho mơ hình khí thiết kế với sai số lắp đặt trình bày vẽ lắp thành 0,01mm Thêm phần gá đầu gắp – đặt để thay đổi đầu gắp – đặt ứng với nhiều loại linh kiện như: 0402, 0603,… Thay đổi bánh đai dây đai với độ gia nhỏ hơn, đề xuất bánh đai GT2 85 CHƯƠNG KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Mở rộng thiết kế phận cấp linh kiện tự động Thay đổi động sử dụng để nâng cao momen cho trục đồng thời tăng tốc độ vận hành độ xác cho máy Ở đề xuất sử dụng động AC servo thay động step Áp dụng giải thuật nội suy đường thẳng DDA (digital differential analyzer) để thực việc di chuyển 45o đầu gắp – đặt Khi đó, tốc độ đầu gắp – đặt tốc độ trục dài số bước cần di chuyển số bước trục dài Áp dụng phương pháp điều khiển tăng – giảm tốc với đồ thị hình bậc thang để giảm rung động máy hoạt động tốc độ cao Sử dụng cấu trúc điều khiển phân cấp thay tập trung Thay đổi việc truyền nhận sử dụng bluetooth wifi để tăng phạm vi điều khiển 86 PHỤ LỤC PHỤ LỤC A: BÀI BÁO LIÊN QUAN TÁC GIẢ [1] H – S Luong, V – N - S.Huynh, H – Q – T.Ngo and A – S.Tran (2017) Design and Control of Industrial Servo Motors for Pick and Place Robot in the Semiconductor International Conference Mechatronic Technology 2017 (ICMT – 2017), ISSN 978 – – 0463 – 2635 – [2] Ngo Ha Quang Thinh, Huynh Van Ngoc Son, Le Tan Sang (2017) Development of FPGA – BASED Aproach To Control Motor In Mechatronics System The 11th South East Asia Technical University Consortium, 2017, ISBN 1882 - 5796 [3] H -Q - T.Ngo, T - P.Nguyen, V - N - S.Huynh, T - S.Le (2017) Experimental Design of PC-based Servo System IEEE International Conference on System Science and Engineering 2017, 733 – 738, ISSN 978 – -5386 – 3421 – [4] H -Q - T.Ngo, T - P.Nguyen, T - S.Le, V - N - S.Huynh, C – T.Nguyen (2017) Experimental Comparison of Complemetary Filter and Kalman Filter Design for Low – Cost Sensor in Quadcopter IEEE International Conference on System Science and Engineering 2017, 488 – 493, ISSN 978 – -5386 – 3421 – [5] Đ.T Thảo, H – V - N Sơn, V – D Công, P – H – T.Tú, N – T.Trân, Nghiên Cứu – Điều Khiển Mô Phỏng Thực Tế Xe Tự Hành Sử Dụng Camera Theo Quỹ Đạo Cho Trước Hội Nghị Khoa Học Thường Niên Khoa Cơ Khí 2017 [6] Đ.T Thảo, H – V - N Sơn, V – D Công, P – H – T.Tú, N – T.Trân, Nghiên cứu giải thuật phát triển bám đường cho xe tự hành (lane detection and tracking for self-driving car ) Hội Nghị Khoa Học Thường Niên Khoa Cơ Khí 2017 87 PHỤ LỤC PHỤ LỤC B: BÀI BÁO LIÊN QUAN ĐỀ TÀI [1] H – S Luong, V – N - S.Huynh, H – Q – T.Ngo and A – S.Tran (2017) Design and Control of Industrial Servo Motors for Pick and Place Robot in the Semiconductor International Conference Mechatronic Technology 2017 (ICMT – 2017), ISSN 978 – – 0463 – 2635 – 88 PHỤ LỤC Design and Control of Industrial Servo Motors for Pick and Place Robot in the Semiconductor Hong Sam Luong1, Van Ngoc Son Huynh2, Ha Quang Thinh Ngo3* and Anh Son Tran3 Tran Dai Nghia University, Vietnam Student, 3Faculty of Mechanical Engineering, HCMC University of Technology, Vietnam * Corresponding: nhqthinh@hcmut.edu.vn Abstract – Recently, the semiconductor has been developed significantly There is a need to design a manufacturing machine which satisfy the industrial requirements such as high speed, high accuracy and excellent performance To meet these criterias, an approach of design and control for pick and place robot is proposed To verify the design in this paper, several experiments are carried out repeatedly To be able to reach any position in workspace conveniently, 3-axis controller is investigated to track the trajectory Once, the SMD device is picked up, the proposed controller will drive to target position with high speed and vibrationless The rest of this paper is as following Section describe the mechanical design of surface mount device placement robot for industrial application Hardware design of controller is illustrated in Section Furthermore, most of software design for this robot is demonstrated in Section Several experimental tests in Section are carried out to verify the design Finally, conclusion is in Section Keywords - FPGA, robot, semiconductor INTRODUCTION A Field Programmable Gate Array (FPGA) is a programmable logic device that supports implementation of relatively large logic circuit FPGA has open structure and high density so it provides the advantages over a general – purpose processor for its re-configuration MECHANICAL DESIGN OF ROBOT To meet the requirements of the industrial semiconductor field, a design of the surface mount device placement robot is proposed as Fig This system includes axes and the end-effector to handle ICs The physical dimensions are suitable for medium PCB products Proportional-Integral-Derivative (PID) controllers have been widely used due to their intuitiveness, relative simplicity, effectiveness, in addition to satisfactory performance Therefore, it’s very easy to find PID controllers used in control equipment With the progress of the technology, PID controllers are very often implemented in digital form rather than with pneumatic or electrical components [1-3] For many years, PID controllers have been implemented by microcontrollers because their low – cost and suitability for approaching However, through many years FPGA have become a striking option due to its parallel functions Therefore, many researches about PID controllers based FPGA were proposed For example, authors [4-5] implemented PID controller based on FPGA with DC Motor Speed Control System in Xilinx FPGA (XC3S400) Futhermore, researchers showed a quick way to program a PID control in FPGA using Verilog language [6-7] Figure Overall design of the surface mount device placement robot This typical placement robot is comfortable for assembly operations In this application, the electrical device feeder is fixed in one direction When a SMD device is got, the controller will drive this actuator fastly and precisely If the device is at target, the end-effector goes down and releases Later, the end-effector come back to electrical device feeder for next mission In this paper, PID controller based on FPGA is implemented with VHDL [(Very High Speed Integrated Circuit) Hardware Description Language] in the surface mount device placement robot This robot must be done the pick and place missions HARDWARE DESIGN OF ROBOT 89 PHỤ LỤC Originally, the FPGA board in Fig is a set which made from one company, and the DC servo motor is from another supply Hence, NHGV2 board is selected from Ngo Ha Gia Ltd Co including Spartan XC3S50A with maximum 108 user IOs plays a role as core of system This board has a stable clock source which is derived from on board configuration controller Figure Logic circuit of decoder Figure NHGV2 Board Figure Digital delay filter Figure Direction of motion In the part of motor drive, L298 in Fig 3a which integrated H-bridge with max current 2A is used as motor driver DC servo motor GẠ V1 in Fig 3b is selected to test performance It has integrated encoder with channel A and B These signals are inputted into decoder to count the number of pulses Figure PWM generator mode (a) Furthermore, encoder has a digital delay filter as shown in Fig consisting of three cascaded Dflip-flops on each line, with a best two-of-three voting scheme on the outputs of the flip-flops The flip-flops are clocked by the SCLK signal This filter does not pass through a state change that only lasts for one SCLK cycle; any change after this narrow should be a noise spike In doing this, the filter delays actual transitions by two SCLK cycles Therefore, it is called as a trivial delay in most systems (b) Figure Motor driver (a), DC servo motor (b) SOFTWARE DESIGN OF ROBOT To implement FPGA-based decoder, logic circuit in Fig firstly is designed This scheme has two inputs that are channel A and B from DC servo motor It can be seen easily that channel A and channel B are different in 90O To recognize the direction of motion, the order of channel A and channel B must be clarify Then, channel A is divided into channel AT and AD Also, channel B is corrupted into channel BT and BD In Fig 5, signals from AT, AD, BT, BD channels are combined to determine the direction of motion PULSE_POS_EN and PULSE_NEG_EN are used to count in positive direction and negative direction In order to drive the motor, it is necessary to integrate PWM generator by VHDL language as shown in Fig A counter with n-bit is defined to generate PWM signal Thus, in each cycle, generator will output the pulse to motor driver One of popular control algorithms is the PID scheme that implemented in this paper Consider the continuous time expression of a PID controller in ideal form t de(t ) u (t ) K P e(t ) e( )d Td (1) Ti dt By applying the backward finite differences, the discrete time control law becomes 90 PHỤ LỤC T t k u (tk ) K P e(tk ) e(ti ) d e(tk ) e(tk 1 ) Ti i 1 t best results Based on the experiences, the selectable parameters for this controller are KP = 10, KI = and KD = 1,5 (2) From the experimental results, it can be seen easily that, in Fig 10, KP value increase to make the faster response, but also will increment the overshoot The increasing KI value to high and the appearance of KD value will make oscillate the system before stabilizing Where e(ti) is the error of the continuous time system at the ith sampling instant In this way, the value of control variable is determined directly Alternatively, the control variable at time instant tk can be calculated based on its value at the previous time instant u(tk-1) By subtracting the expression of u(tk-1) from that of u(tk), we can obtain u (tk ) u (tk 1 ) t T 2T K P 1 d e(tk ) 1 d T t t i Td e(tk 1 ) t e(tk 1 ) (3) EXPERIMENTAL RESULTS The prototype of proposed design was implemented and tested on this hardware In this test, each motor is separated to verify the performance The encoder of DC servo is linked to board while motor is controlled via PWM signal LEDs on board are used to monitor the pulse Several GPIO pins output the pulse to motor Figure Experimental results of decoder from encoder Figure 10 Result of experiment CONCLUSION Figure Experimental results of PWM signal with 30% duty cycle In this paper, a feasible and capable design of pick and place robot in the semiconductor field is proposed The mechanical model includes 3-axis control with industrial motors For the controller in this machine, hardware design based on FPGA chip is built-in In software programming, PID scheme in discrete time form is described From the experimental results, the performance of this system is superior and meet the needs of industrial semiconductor major In Fig 8, experimental results of PWM signal with 30% duty cycle is performed By adjusting the duty_cycle signal, it can be obtained various duty cycle easily In Fig 9, VHDL-based decoder module is coded to count the number of pulses from encoder As a result, it is concluded that motion controller including PWM generator, decoder and digital filter is implemented in FPGA The performance of proposed design is excellent and satisfied the requirements of industry In future, a multi-axis FPGA-based motion controller will be focussed to widen the applications of mechatronics systems REFERENCES [1] A Visioli, Practical PID Control, Springer-Verlag, 2006 [2] S Sonoli and K Nagabhushan Raju, “Implementation of FPGA based PID Controller for DC Motor Speed Control System,” Proc Of the To investigate the performance of FPGA-based PID scheme, several experiments are carried out In each case, parameters are adjusted to achieve the 91 PHỤ LỤC World Congress on Engineering and Computer Science, pp 989–995, 2010 [5] Y Tao, H Lin, Y Hu, X Zhang and Z Wang, “Efficient Implementation of CNC Position Controller using FPGA,” INDIN, pp 1177-1182, 2008 [3] Y S Kung, K H Tseng, C S Chen, H Z Sze and A P Wang, “FPGA-Implementation of Inverse Kinematics and Servo Controller for Robot Manipulator,” Int Conf On Robotics and Biomimetics, pp 1163–1168, 2006 [6] T Takahashi and J Goetz, “Implementation of complete servo control in a low-cost FPGA and subsequent ASSP conversion,” APEC, vol 1, pp 565 – 570, 2004 [4] S Ghosh, R K Barai, S Bhattarcharya, P Bhattarcharya, S Rudra, A Dutta and R Pyne, “An FPGA based implementation of a flexible digital PID controller for a motion control system,” Int Conf On Computer Communication and Informatics, pp 977–983, 2013 [7] Y Y Tzou and T S Kuo, “Design and Implementation of an FPGA-Based Motor Control IC for Permanent Magnet AC Servo Motors,” IECON, vol 2, pp 943 – 947, 1997 92 TÀI LIỆU THAM KHẢO TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Assembleon Influence of pick& place machines on product quality [2] Ayob, M and Kendall, G (2005) A Survey of Surface Mount Device Placement Machine Optimisation: Machine Classification Computer Science Technical Report No NOTTCS-TR-2005-8 [3] Ayob, M., Cowling, P and Kendall (2005) Optimisation of Surface Mount placement machines PhD thesis, University of Nottingham [4] Csaszar, P., Tirpak, T M and Nelson, P C (2000) Optimization of Revolver Head SMT Machines using Adaptive Simulated Annealing (ASA) Twenty Sixth IEEE/CPMT International Electronics Manufacturing Technology Symposium (Cat No.00CH37146) 204 -210 [5] Csaszar, P., Tirpak, T M and Nelson, P C (2000) Optimization of a high-speed placement machine using tabu search algorithms [6] Wiklund, K (2001) Optimization of the feeder assignment for PCB assembly machines IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, Vol 24, No [7] Csaszar, P., Tirpak, T M., Nelson, P C and Rajbhandari, M.M (2000) Optimization of Automated High-Speed Modular Placement Machines Using knowledge-Based Systems IEEE Transactions on Systems, Man, and Cybernetics – Part C:Applications and Reviews, Vol 30, No 408 – 417 [8] Ellis, K P., Vittes, F J., and Kobza, J E (2001).Optimizing the Performance of a Surface Mount Placement Machine IEEE Transactions on Electronics Packaging Manufacturing, Vol 24, No 3.160 – 170 [9] NPTEL - Mechanical Lecture, Module 4: Drives and Mechanisms, Lecture 1: Element of CNC machine tools: Electric motors Indian Institute of Technology Guwahati [10] Nguyễn Hữu Lộc (2014).Cơ sở thiết kế máy, NXB Đại Học Quốc Gia, TP.HCM 95 TÀI LIỆU THAM KHẢO [11] Suk-Hwan Suh, Seong-Kyoon Kang, Dae-Hyuk, (2008), Theory and Design of CNC System, Spring Series in Advanced Manufacturing [12] William Ho and Ping Ji (2007) Optimal production for planing PCB assembly – Springer [13] Nguyễn Kế Nhựt (2016) Thiết kế máy phay rập tự động cho ngành may Luận văn đại học, Đại học Bách Khoa TP.HCM [14] Mufaddal A Saifee (2014) Design and Implementation of 2-Axis Circular Interpolation Controller in Field Programmable Gate Array (FPGA) for Computer Numerical Control (CNC) Machines and Robotic International Journal of Computer Applications (0975 – 8887) Volume 106 – No 13 [15] Leng, H Wu, Y Pan, X (2006) Research on flexible acceleration and deceleration method of NC system [16] William Ho and Ping Ji (2009) An integrated scheduling problem of PCB components on sequential pick-and-place machines: Mathematical models and heuristic solutions Expert Systems with Applications 36 (2009) 7002–7010 [17] Sumilax CHMT48VA pick and place machine manual [18] Neoden TM – 220A pick and place machine manual [19] Smallsmt VP – 2500 HP pick and place machine manual [20] HIWIN, Linear Guideway Technical Information [21] THK, LM Guide Calculating the Applied Load [22] THK, LM Calculating the Equivalent Load [23] Trịnh Chất – Lê Văn Uyển (2006) Tính Tốn Thiết Kế Hệ Dẫn Động Cơ Khí Cơng ty cổ phần in Sách giáo khoa TP.Hà Nội [24] – Phase Hybrid Stepping Motor HK56 series [25] CSA – BA series – Hollow shaft stepping motor NEMA8 [26] Thomson Guide To Linear Motion Products 96 TÀI LIỆU THAM KHẢO [27] Gang PENG, Kehan ZENG (2013) An Ad-Hoc Method with Genetic Algorithm for Printed Circuit Board Assembly Optimization on the Sequential Pick-and-Place Machine 2013 International Conference on Parallel and Distributed Computing, Applications and Technologies 978-1-4799-2418-9 [28] Yee-Ming Chen, Chun-Ta Lin (2006) A particle swarm optimization approach to optimize component placement in printed circuit board assembly Int J Adv Manuf Technol (2007) 35:610–620 [29] Abel Garcia-Naijera, Carlos A Brizuela (2005) PCB Assembly: An Efficient Genetic Algorithm for Slot Assignment and Component Pick and Place Sequence Problems Parallel and Distributed Computing Applications and Technologies (PDCAT) 2013 International Conference on, pp 128-133, 2013 [30] Step motors 1.8o – phase stepper motor [31] OMRON, General – Purpose Basic Switch [32] Misumi, Selection of timing belt [Technical Data, 3513 – 3534 [33] AXM, AXL Library family [34] SUMTOR, 57HS7630A4 manual [35] ThS Trần Kim Hương (2015) Giải thuật di truyền (GAs) ứng dụng Hội nghị Nghiên Cứu Khoa Học Khoa Sư Phạm Toán – Tin [36] Gabriel Gomez and Ashish Ahuja (2013) Use Conditions for 5-V Tolerant GPIOs on Tiva™ C Series TM4C123x Microcontrollers Application Report SPMA053–July 2013 97 ... phạm vi đề tài này, máy gắp – đặt linh kiện thiết kế bỏ qua việc thiết kế phận cấp linh kiện tự động mà thay vào giả sử linh kiện cấp vị trí cấp linh kiện máy Vì máy thiết kế tồn vấn đề liên quan... việc điều khiển máy Bên cạnh đó, q trình vận hành, máy gắp – đặt linh kiện thực hai công việc: phân phối linh kiện từ phận cấp linh kiện đến vị trí cấp linh kiện máy gắp - đặt linh kiện linh kiện. .. sát điều khiển Từ mục tiêu này, đề tài tập trung vào việc thiết kế máy gắn linh kiện dạng tuần từ đáp ứng đặc tính sau: CHƯƠNG TỔNG QUAN Tốc độ gắn linh kiện: 1800 linh kiện/ h Loại linh kiện