ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ 2 THIẾT KẾ CÁNH TAY ROBOT GẮP SẢN PHẨM Robot và công nghệ cao là những khái niệm của sản xuất tự động hoá hiện đại. Một đặc điểm quan trọng của robot công nghiệp là chúng cho phép dễ dàng kết hợp những việc phụ và chính của một quá trình sản xuất thành một dây chuyền tự động. So với các phương tiện tự động hoá khác, các dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm hơn như dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả năng tạo ra dây chuyền tự động từ các máy vạn năng, và có thể tự động hoá toàn phần.
ĐẠI HỌC CNTP TP.HỒ CHÍ MINH CỘNG HỊA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆTNAM Độc lập – Tự – Hạnh phúc -✩ - -✩ - Khoa: CN CƠ KHÍ Bộ Mơn: Cơ Điện Tử NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN HỌC PHẦN HỌ VÀ TÊN: NGÀNH: CƠ ĐIỆN TỬ Đề tài: Thiết kế cánh tay robot gắp sản phẩm Nhiệm vụ (Yêu cầu nội dung số liệu ban đầu): Ngày giao nhiệm vụ đồ án: Ngày hoàn thành nhiệm vụ: Họ tên người hướng dẫn: Phần hướng dẫn Nội dung yêu cầu ĐAHP thông qua Bộ Môn Tp.HCM, ngày… tháng… năm 20 CHỦ NHIỆM BỘ MÔN PHẦN DÀNH CHO KHOA, BỘ MÔN: Người duyệt (chấm sơ bộ): Đơn vị: Ngày bảo vệ : Điểm tổng kết: Nơi lưu trữ: NGƯỜI HƯỚNG DẪN CHÍNH MỤC LỤC LỜI NĨI ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.2 Tay máy công nghiệp: 1.3 Cảm Biến: 1.3.1 Cảm biến từ E2E (Phát sắt từ): 1.3.2 Cảm biến quang: 1.5 Nút ấn: 1.6 Khí nén phần tử khí nén: 1.6.1 Máy nén khí: 1.6.2 Bình trích chứa khí nén: 1.6.3 Mạng đường ống dẫn khí nén: 1.6.4 Van đảo chiều: 1.6.5 Cơ cấu chấp hành: CHƯƠNG 2: LÝ THUYẾT 13 2.1 Quá trình phát triển kỹ thuật điều khiển: 13 2.2 Giới thiệu PLC: 13 2.2.1 Cấu trúc, nguyên lý hoạt động PLC: 14 2.2.2 Các hoạt động xử lý bên PLC: 16 CHƯƠNG 3: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 30 3.1 Ý TƯỞNG THIẾT KẾ: 30 3.2 Dùng pison khí nén: 30 CHƯƠNG 4: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 34 4.1 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ: 34 2.THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN: 36 4.3 SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG 38 38 CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH 39 5.1 Lưu đồ thuật toán 40 5.2 Bảng I/0 41 5.3 Chương trình hệ thống 42 5.4 Kết mơ hình hoàn thiện 44 CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 45 6.1 KẾT LUẬN: 45 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: 45 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 47 MỤC LỤC HÌNH ẢNH Hình 1 Các loại cảm biến Hình 2: Thơng số cảm biến từ E2E Hình 3: Một số hình ảnh nút ấn Hình 5: Ký hiệu van đảo chiều Hình 6: Kí hiệu cửa xả khí Hình 7: Ký hiệu tên gọi van đảo chiều Hình 8: Tên ký hiệu van Hình 11: Xy lanh xoay 11 Hình 12: Xy lanh kẹp 11 Hình 2: Hình ảnh PLC Mitsubishi họ F 17 Hình 3: Giao tiếp kết nối làm việc với PLC 18 Hình 4: Các chân plc 19 Hình 5: Sơ đồ chân PNP 20 Hình 6: Sơ đồ kết nối NPN 20 Hình 7: Phần mền GX developer 24 Hình 8: Hướng dẫn kiểm tra cáp kết nối chưa 25 Hình 9: Kiểm tra drive máy 25 Hình 10: Click vào để mở chương trình làm việc 26 Hình 12: Thiết lập kết nối 26 Hình 13: Thiết lập cổng Com vs tốc độ truyền 27 Hình 14: Tải chương trình từ PC xuống PLC 27 Hình 15: Thiết lập Cửa sổ Write to PLC 28 Hình 16: Tải chương trình xuống 28 Hình 17: Upload chương trình 29 Hình 18: Thiết lập cửa sổ Read From PLC 29 Hình 1: : Piston khí nén 30 Hình 2: Cảm biến quang thu phát chung 31 Hình 3: Van khí nén 5/2 32 Hình 4: Van tiết lưu 32 Hình 5: Nút nhấn 33 Hình 6: PLC Mitsubishi FX1X 33 Hình 1: xi lanh 34 Hình 2: thơng số khí nén 35 Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống 36 Hình 4: Sơ đồ điện hệ thống 37 Hình 5: sơ đồ tổng thể hệ thống 38 Hình 1: Mơ hình hồn thiện 44 Đồ án học phần điện tử LỜI NÓI ĐẦU Robot công nghệ cao khái niệm sản xuất tự động hoá đại Một đặc điểm quan trọng robot công nghiệp chúng cho phép dễ dàng kết hợp việc phụ trình sản xuất thành dây chuyền tự động So với phương tiện tự động hoá khác, dây chuyền tự động dùng robot có nhiều ưu điểm dễ dàng thay đổi chương trình làm việc, có khả tạo dây chuyền tự động từ máy vạn năng, tự động hố tồn phần Tự động hóa nhu cầu khơng thể thiếu trình sản xuất ngày Việc ứng dụng tay máy scara vào tự động hóa dây chuyền sản xuất mà cụ thể dây chuyền phân loại sản phẩm băng chuyền giúp cho việc sản xuất trở nên linh hoạt hơn, hiệu Với nhu cầu tìm hiểu hệ thống tự động sản xuất với kiến thức sinh viên năm thứ trường đại học chúng em chọn đề tài “ Tìm hiểu cánh tay robot” để nghiên cứu tìm hiểu Do yêu cầu kiến thức thiết kế, tính tốn điều khiển xác thiết kế phần cứng cao nên nhóm chúng em khơng tránh khỏi thiếu sót Do đó, mong muốn bảo thêm thầy, đóng góp bạn bè để đồ án hoàn thiện Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy giúp đỡ chúng em hoàn thành đồ án ! Đồ án học phần điện tử CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Đặt Vấn Đề Ngày với phát triển khoa học kỹ thuật , điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, cơng nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin… Do phải nắm bắt vận dụng cách có hiệu nhằm góp phần vào phát triển khoa học kỹ thuật giới nói chung phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng Một khâu tự động dây chuyền sản xuất tự động hóa số lượng sản phẩm sản xuất băng tải vận chuyển sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm Tuy nhiên doanh nghiệp vừa nhỏ việc tự động hóa hồn toàn chưa áp dụng khâu phân loại, đóng bao bì mà sử dụng nhân cơng, cho suất thấp chưa đạt hiểu cao Từ điều nhìn thấy thực tế sống kiến thức mà chúng em học trường muốn tạo hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời đảm bảo độ xác cao Nên chúng em định thiết kế thi cơng mơ hình sử dụng băng chuyền để phân loại sản phẩm gần gũi với thực tế, thực tế có nhiều sản phẩm sản xuất đòi hỏi phải có kích thước tương đối xác thật có ý nghĩa với chúng em, góp phần làm cho xã hội ngày phát triển mạnh hơn, để xứng tầm với phát triển giới 1.2 Tay máy công nghiệp: Tay máy (Manipulator) cấu khí gồm khâu khớp Chúng hình cánh tay để tạo chuyển động cổ tay tạo nên khéo léo, linh hoạt bàn tay ( End Effector ) để trực tiếp hoàn thành thao tác đối tượng - Kết cấu tay máy Các tay máy có điểm chung kết cấu gồm có khâu nối với khớp để hình thành chuỗi động học hở, tính từ phần cơng tác Các khớp phổ biến khớp trượt khớp quay Tùy theo số lượng cách bố trí khớp mà người ta tạo tay máy kiểu tọa độ đề , tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, kiểu tay người ( Anthropomorpnic ) Đồ án học phần điện tử Nguyên lý hoạt động: - Đầu tiên, phận cảm biến tiếp nhận thông tin, đặc điểm đối tượng cần tác động dựa lập trình ban đầu Chẳng hạn thông tin màu sắc, trọng lượng, khoảng cách với đối tượng cần tác động - Dựa vào thông tin này, phần mềm robot tiến hành tính tốn thơng số, viết lệnh gửi đến hệ thống điều khiển để tiến hành thao tác tay máy cách chuẩn xác Cảm Biến: 1.3 Để điều khiển chuyển động xy lanh khí nén hay loại cấu chấp hành khác cần có phát dịch chuyển, hay nói cách khác có thay đổi vị trí thay đổi thơng số q trình hệ thống điều khiển Trong phần này, đề cập chủ yếu đến loại cảm biến phát hai trạng thái ON - OFF Tiếp điểm cảm biến chia làm loại: thường đóng (Normal Closed – NC) thường mở (Normal Open – NO) Công tắc hành trình thường có loại tiếp điểm NO NC với cực chung Khi có tín hiệu tác động chuyển đổi trạng thái tiếp điểm này: tiếp điểm thường mở đóng lại tiếp điểm thường đóng mở 24V 24V 24V Fe Hình 1 Các loại cảm biến 0V 0V 0V 1.3.1 Cảm biến từ E2E (Phát sắt từ): Cả m biến quang Cả m biến điện dung Cả m biến m ứ ng từ ✓ Dùng để phát vật thể kim loại, thường dùng để khống chế hành trình Khoảng cách phát cảm biến loại phụ thuộc nhiều vào vật liệu vật cảm biến, vật liệu có từ tính kim loại có chứa sắt có khoảng cách phát xa vật liệu khơng có từ tính ✓ Đa chức năng, khoảng cách phát tới 30mm Đồ án học phần điện tử ✓ Vỏ bọc đồng thau thép không gỉ cho độ bền cao ✓ Các model DC dây, dây dây (NO + NC) Hình 2: Thơng số cảm biến từ E2E ◼ Ứng dụng vào mơ hình cấu Input: ✓ I0.3 (Ta) cảm biến xác định vị trí tay máy bên ✓ I0.4 ( Tb) cảm biến xác định vị trí tay máy bên ✓ I0.5 (Tc) cảm biến xác định vị trí tay máy bên trái ✓ I0.6 (Td) cảm biến xác định vị trí tay máy bên phải 1.3.2 Cảm biến quang: Ánh sáng từ nguồn sáng tập trung thấu kính hội tụ chiếu thẳng vào vật Tia sáng phản xạ từ vật tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí (PSD: position sensing device) thấu kính thu Nếu vị trí vật ( khoảng cách đến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành PSD sẻ khác trạng thái cân hai ngõ PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thành PSD khác trạng thái cân PSD thay đổi Ứng dụng mơ hình cấu input Đồ án học phần điện tử ✓ I0.7 (PDA) cảm biến xác định có sản phẩm 1.5 Nút ấn: - Nút ấn đóng- mở: Khi chưa tác động chưa có dòng điện chạy qua (mở), tác động dòng điện qua - Nút ấn chuyển mạch chuyển trạng thái mạch Nút ấn đóng – mở Cấu tạo ký hiệu nút ấn Nút ấn đóng mở Rơ le đóng mạch Nút ấn khẩn cấp Hình 3: Một số hình ảnh nút ấn 1.6 Khí nén phần tử khí nén: 1.6.1 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 Đồ án học phần điện tử Nút nhấn: Hình 5: Nút nhấn Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, h ệ thống tiếp điểm thường mở thường đóng có vỏ bảo vệ Khi tác động vào nút ấn, tiếp điểm chuyển trạng thái khơng tác tác động, tiếp điểm trở lại trạng thái ban đầu c) Phương Án Lựa Chọn Điều Khiển Trên Hệ Thống: Để thực tốt đề tài nhóm chúng em lựa chọn phương án lập trình điều khiển cho hệ thống PLC (Progammable Logic Controller) Hình 6: PLC Mitsubishi FX1X - Tính linh hoạt: Có thể sử dụng điều khiển cho nhiều đối tượng khác với thuật toán điều khiển khác - Tốc độ xử lí nhanh, khả bảo mật hệ thống sử dụng mã hóa - Nhỏ gọn giá thành thấp - Khả mở rộng nâng cao hệ thống - Lập trình dễ dàng, ngơn ngữ dễ hiểu - Không yêu cầu cao mạch điều khiển - Dễ dàng thiết kế, thay đổi Logic điều khiển 33 Đồ án học phần điện tử CHƯƠNG 4: TÍNH TỐN THIẾT KẾ HỆ THỐNG 4.1 THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ: Hình 1: xi lanh ❖ Thiết Kế Hệ Thống Cánh Tay: Xilanh gồm xi lanh đẩy lên đẩy ra: (TN10x75) Khí nén airtac tn10x75 ( phi 10mm hành trình 75mm) tính tốn xi lanh khí nén sau: Tổng chiều dài xi lanh vi trí ban đầu (đang rút lại) ta có cơng thức: 58 + stroke (hành trình) = 58 + 75= 133mm (thông qua vẽ xi lanh khí nén cho kết chiều xi lanh airtac tn10x75) Tổng chiều dài xi lanh thụt hết hành trình ta có cơng thức: 130 +stroke (hành trình) + stroke (hành trình) = 58 + 75 + 75= 208mm ( cần tham khảo hình tính kích thước xi lanh khí nén airtac tn10) 34 Đồ án học phần điện tử Đến chắn nhiều người biết lựa chọn xi lanh với nhu cầu rồi, khơng người thắc mắc lực đẩy xi lanh khí nén, hình ảnh thơng số kỹ thuật xi lanh khí nén airtac tn10 cách tính lực đẩy rút vào xi lanh khí bảng tính lực đẩy xi lanh khí nén airtac tn Bảng tính lực đẩy lực rút ben khí nén airtac tn10 Trường hợp xin chọn xi lanh khí nén airtac tn10 có thơng số sau: Hình 2: thơng số khí nén Đường kính xi lanh: 10mm (thể cột bore size) Đường kính piston (hay gọi ty) xi lanh: 6mm (thể cột rod size) Xi lanh airtac tn10 loại xi lanh tác động kép Ở dòng pressure area mm² có thơng số push (đẩy ra) 157,1 pull (kéo về) 100,5 Như đưa áp suất khí nén 0,5 mpa (3 kgf/cm²) để kích hoạt xi lanh airtac tn10 xi lanh sinh lực đẩy (0,5 x 157,1 = 78,55) tương đương 7,9kg kéo với lực (0,5 x 100,5 = 50,25) tương đương 5kg.7 A Xilanh (xoay) Xy lanh xoay chịu lực: D = 4,5 cm (đường kính xy lanh) 𝐴= (𝜋𝐷 ) = 16 𝑐𝑚2 (diện tích piston) P = 0,4 MPa (Áp suất khí nén cung cấp vào) Suy ra: F = P.A = 0,04 16 = 6,4 kg Vậy với đường kính 4,5 áp suất làm việc 0,4 Pa Xy lanh xoay với vật nặng tối đa 6,4 kg B Xilanh (kẹp) Xy lanh kẹp chịu lực: D = cm 𝐴= (𝜋𝐷 ) = 𝑐𝑚2 F = P.A = 0,4 = 2,8 kg Vậy xy lanh gắp vật nặng tối đa 2,8 kg 35 Đồ án học phần điện tử 2.THIẾT KẾ PHẦN ĐIỆN: 4.2.1 Sơ Đồ Của Hệ Thống Nguồn 24DC Cảm biến PLC Mitsubishi Van đảo chiều Xi lanh Hình 3: Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối hệ thống bao gồm xử lý trung tâm PLC, nhận tín hiệu vào từ cảm biến xử lý điều khiển cấu chấp hành, van đảo chiều Khi ta cấp nguồn vào PLC, cảm biến van Khí cấp nguồn động chạy nhận tín hiệu từ cảm biến Khi cảm biến tác động truyền tính hiệu vào PLC Sau PLC truyền tín hiệu vào relay động dừng đồng thời PLC truyền tín hiệu qua relay, van đảo chiều có điện làm cho xilanh hoạt động 4.2.3 Sơ Đồ Đấu Nối Điện: 36 Đồ án học phần điện tử Hình 4: Sơ đồ điện hệ thống 37 Đồ án học phần điện tử 4.3 SƠ ĐỒ TỔNG THỂ CỦA HỆ THỐNG Hình 5: sơ đồ tổng thể hệ thống Sơ đồ hệ thống bao gồm: • Cánh tay gắp sản phẩm • Ngăn chứa sản phẩm • Hộp điện van đảo chiều, relay, nguồn 24V khối PLC 38 Đồ án học phần điện tử CHƯƠNG 5: THIẾT KẾ VÀ VẬN HÀNH 39 Đồ án học phần điện tử 5.1 Lưu đồ thuật toán 40 Đồ án học phần điện tử 5.2 Bảng I/0 Tên địa I/O X00 On X01 Cảm biến quang X02 Off X03 Cảm biến xy lanh lên X04 Cảm biến xy lanh xoay X05 Cảm biến xy lanh X06 Cảm biến xy lanh kẹp Y00 Xy lanh lên Y01 Xy lanh xoay Y02 Xy lanh Y03 Xy lanh kẹp Y04 Đèn sáng On Y06 Đèn sáng off T1- T4 Time 2s hành trình xilanh T5 Time 5s reset 41 Đồ án học phần điện tử 5.3 Chương trình hệ thống 42 Đồ án học phần điện tử 43 Đồ án học phần điện tử 5.4 Kết mơ hình hồn thiện Hình 1: Mơ hình hồn thiện 44 Đồ án học phần điện tử CHƯƠNG 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 6.1 KẾT LUẬN: Tóm tắt kết đạt được: - Hồn thành Thiết kế thi cơng mơ hình cánh tay robot phân loại sản phẩm, gồm phần cứng phần mềm với chức sau: - Hoàn thành trình nghiên cứu phần lý thuyết cánh tay robot phân loại sản phẩm theo chiều cao - Tính tốn thiết kế phận mơ hình - Thi cơng thành mơ hình hồn chỉnh - Điều khiển cánh tay robot phân loại sản phẩm theo chiều cao Ưu điểm: + Đã thực trình phân loại gắp bỏ vào ngăn theo sản phẩm cao thấp, đạt yêu cầu đề ban đầu + Tốc độ xử lý phận ổn định, khoảng 1s cho trình hoạt động + Xác xuất lỗi thấp, đặt sản phẩm vị trí khoảng cách phù hợp + Cánh tay, băng chuyền hoạt động trơn tru + Dễ dàng vận hành trình hoạt động Nhược điểm: + Phải cần dùng đến để hoạt động tất piston + Hệ thống dừng lại mơ hình, chưa hướng đến sản phẩm cụ thể, nên việc thiết kế khí chưa tối ưu hiệu cao + Chỉ phân loại mức sản phẩm cao thấp + Cánh tay Robot tương đối yếu nên gắp sản phẩm nhẹ 6.2 HƯỚNG PHÁT TRIỂN: Do thời gian thực đề tài có hạn lượng kiến thức nhóm chúng em định nên đề tài thực xong đáp ứng phần nhỏ hệ thống hoàn chỉnh 45 Đồ án học phần điện tử Vì vậy, để đề tài thêm phong phú hơn, mang nhiều tính thực tế nữa, có khả ứng dụng cao em đề xuất đưa thêm vào yêu cầu sau: Nên thay xilanh thành xilanh điện để đáp ứng trình vận hành mà khơng cần phải sử dụng bình van khí nén Cần hướng đến sản phẩm cụ thể để tối ưu q trình thiết kế thi công, nhằm mang lại suất hoạt động cao cho hệ thống Kết hợp nhiều loại cảm biến (cảm biến màu, vật liệu, tăng số lượng cảm biến độ cao) để tăng độ linh động tùy chọn cho hệ thống Kết nối, giám sát điều khiển hệ thống qua mạng, xây dựng chương trình điều khiển máy tính thiết bị di động Thiết kế, tối ưu cánh tay Robot, sử dụng vật liệu tốt hơn… nhằm tăng khả gắp vật có kích thước trọng lượng đa dạng Hy vọng với hướng phát triển nêu với ý tư ởng, góp ý khác thầy cô giáo, bạn đọc phát triển đề tài này, khắc phục hạn chế, tồn đề tài, làm cho đề tài trở nên phong phú hơn, mang tính ứng dụng cao vào thực tế sống, phục vụ cho lợi ích công nghiệp tương lai 46 Đồ án học phần điện tử DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Phan Xuân Minh, Nguyễn Doãn Phước (2006), Tự động hóa với PLC, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [2] Bùi Quốc Khánh, Nguyễn Văn Liễn, Nguyễn Thị Hiền (1998), Truyền Động Điện, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội [3] Bùi Tấn Lợi (9-2009), Kỹ Thuật Điện, Đại học bách khoa, Đà Nẵng [4] Giáo Trình Khí Cụ Điện, NXB Hà Nội (2009) [5].http://nhongxich.com/thong-tin-huu-ich/i15/n7/nguyen-ly-cau-tao-phan-loai- ungdung-cua-xich-trong-cong-nghiep.html [6].http://doc.edu.vn/tai-lieu/xac-dinh-cong-suat-momen-va-so-vong-quay-tren-cactruc-85568/ 47 ... vị trí L-N: L N COM X1 X3 X5 X7 X 11 X13 X0 X2 X4 X6 X10 X12 X14 Y5 Y6 Y10 Y4 COM4 Y7 X15 FX 1N-24 MR-ES/UL OV Y0 24V COM0 Y1 Y2 Y3 COM1 COM2 COM3 ∙ Y 11 Hình 4: Các chân plc 19 Đồ án học phần điện... OFF (1 0)/ 21 Đồ án học phần điện tử Ta tổ hợp thiết bị bit lại để tạo thành liệu 4bit, Byte, Word, hay Doulbe Word sau: ➢ K1M0 = M3M2M1M0(tương ứng liệu 4bit) ➢ K2M10 = M17M16M15M14M13M12M11M10(tương... Hình 11 : Xy lanh xoay 11 Hình 12 : Xy lanh kẹp 11 Hình 2: Hình ảnh PLC Mitsubishi họ F 17 Hình 3: Giao tiếp kết nối làm việc với PLC 18 Hình 4: