Phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển cho robot công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q
MỤC LỤC
DANH SÁCH HÌNH ẢNH
HỆ THỐNG CƠ KHÍ
- Cơ cấu dẫn động và dẫn hướng
- Mô hình Robot và thực tế
- Tính toán động học, động lực học
Cơ cấu vít me – đai ốc trượt có những đặc điểm:. – Độ chính xác truyền động cao. – Truyền động êm, bền bỉ. – Có thể truyền động nhanh với vít me có bước ren hoặc số vòng quay lớn. – Hiệu suất truyền động thấp nên ít dùng để thực hiện những chuyển động chính. Giữa các rãnh của đai ốc và vít me, người ta đặt những viên bi, vì vậy biến ma sát trượt trở thành ma sát lăn của những viên bi chuyển động một cách liên tục. Nhờ máng nghiêng mà bi được dẫn từ rãnh cuối về rãnh đầu. Rãnh của vít me – đai ốc bi được chế tạo dạng cung nửa vòng tròn hoặc rãnh. Để điều chỉnh khe hở vít me – đai ốc bi, đai ốc kép được sử dung. Giữa các đai ốc, người ta đặt một vòng căng. Khi xiết chặt vít, các rãnh của 2 đai ốc sẽ tì sát vào bề mặt bi, khử được khe hở giữa vít me và đai ốc đồng thời tạo được lực căng ban đầu. - Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở những vận tốc nhỏ. - Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu. Vì những ưu điểm đó vít me - đai ốc bi thường được sử dụng cho những máy cần có truyền động thẳng chính xác như máy khoan, doa tọa độ, các máy điều khiển chương trình số. Truyền động đai răng. Bộ truyền đai là bộ truyền cơ khí được sử dụng từ rất sớm và hiện nay vẫn được sử dụng rông rãi, có nhiều loại đai như đai thang, đai dẹt, đai răng,…. a) Giới thiệu bộ truyền đai răng. Đai răng, là một dạng biến thể của bộ truyền đai. Dây đai có hình dạng gần giống như thanh răng, bánh đai có răng gần giống như bánh răng. Bộ truyền đai răng làm việc theo nguyên tắc ăn khớp là chính, ma sát là phụ, lực căng trên đai khá nhỏ. Cấu tạo của đai răng bao gồm các sợi thép bện chịu tải, nền và răng bằng cao su hoặc chất dẻo. Dây đai răng được chế tạo thành vòng kín. Giá trị tiêu chuẩn của chiều dài đai tương tự như đai hình thang. b) Ưu điểm và nhược điểm. So với các bộ truyền khác bộ truyền đai có những ưu điểm như:. • Truyền động giữa các trục xa nhau. • Làm việc êm và không ồn do độ bền và dẻo của đai, do đó có thể truyền động với vận tốc cao. • Kết cấu và vận hành đơn giản. Bên cạnh những ưu điểm, bộ truyền đai răng cũng tồn tại những nhược điểm như:. • Hiệu suất bộ truyền tương đối thấp. • Tuổi thọ đai thấp. • Kích thước bộ truyền lớn. • Tải trọng tác dụng lên trục lớn do phải căng đai ban đầu. Cơ cấu dẫn hướng. - Hiện nay trên thị trường có 2 loại thanh trượt phổ biến là thanh trượt vuông và thanh trượt tròn. Cơ cấu dẫn hướng được sử dụng trong các trục của robot là thanh trượt vuông. Ưu điểm nổi bật của dòng thanh trượt dẫn hướng vuông so với các loại thành trượt dẫn hướng khác là độ cứng cao, chịu tải lớn, hoạt động ổn định. Mô hình Robot và thực tế. Mô hình 3D Robot trên SolidWork. Hình ảnh thực tế. Tính toán động học, động lực học. Tính toán động học a) Động học thuận. Bài toán động học ngược có vai trò rất quan trọng trong lập trình và điều khiển chuyển động của robot bởi trong thực tế thường cần điều khiển robot sao cho tay kẹp di chuyển tới các vị trí nhất định trong không gian thao tác theo một quy luật nào đó.
HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
- Lựa chọn thiết bị cho hệ thống điều khiển
Thiết lập hệ tọa độ tuyệt đối để điều khiển và nhớ vị trí của các trục dễ dàng → các ứng dụng như cánh tay Robot có thể dễ dàng nhớ vị trí để khi cúp điện bật lại có thể chạy tiếp tục không cần dạy lại robot tọa độ các điểm gắp hay thả vật. Dòng driver MR-J4 phiên bản nâng cấp của dòng MR-J3 với các điểm cải tiến chính là về tốc độ phản hồi tăng lên 2.5 kHz so với 2.1 kHz của MR-J3, bộ mã hóa phân giải cao từ 18 bit lên 22 bit, sử dụng cáp quang truyền thông thế hệ mới SSCNET III/H cho phép truyền tải bán song công tốc độ lên đến 150 Mb/s.
THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN
- Các phần mềm sử dụng trong đề tài
- Chương trình điều khiển trên PLC-Q
- Chương trình điều khiển thiết kế trên Windows Form
• Chọn Read PLC Data/ Chọn Yes (khi xuất hiện hộp thoại thông báo) Hình 4.8 – Bảng khai báo module trên base. Hình 4.9 – Nạp địa chỉ vào ra của các module trên base thành công. • Bấm Check để kiểm tra lỗi/ hiện ra hộp thoại “There is no error” là thành công/ Bấm End để đóng. • Để dễ quan sát các tham số cho việc lập trình chọn chuột phải vào. 0120:QD75MH4 / chọn Register to Intelligent function Module Monitor / xuất hiện hộp thoại / chọn Display by axis/ Bấm Ok. Xuất hiện hộp thoại này là thành công. chọn Parameter/ hiện ra bảng Parameter. Cài các tham số như trong hình để có thể cấu hình chuẩn cho QD75MH4:. c) Cấu hình Servo Parameter. Để cài cấu hình cho Servo, kích đúp chuột vào Servo_Parameter/ hiện ra cửa sổ cài đặt / thực hiện như trong hình để cấu hình chuẩn cho Servo. Chạy JOG cho từng trục X,Y,Z sử dụng các bit bật các địa chỉ tương ứng trong bảng Intelligent function Module Monitor bao gồm JOGX+, JOGX- , JOGY+, JOGY- , JOGZ+, JOGZ-. Hình 4.21 – Tab cấu hình thông số cho driver servo. Dò Home và về Home nhanh a) Dò home (OPR). Giá trị (Phụ thuộc. điểm M code Tốc độ Vị trí. Vị trí điểm trung gian. a) Nội suy đường thẳng. Từ điểm Start đến điểm P1 chạy nội suy đường thẳng không dừng, từ P1 đến P2 là chạy nội suy đường thẳng có kết thúc tại điểm P2. b) Nội suy cung tròn. Từ điểm Start đến điểm P1 chạy nội suy đường thẳng không dừng, từ P1 đến P2 là chạy nội suy cung tròn với điểm trung gian nằm trên cung tròn, có kết thúc tại điểm P2. Các bước cài đặt a) Kết nối PLC với MX. • Mở MX Component với Run as Administrator. Hình 4.29 – Ghi giá trị thích hợp để chạy nội suy đường trẳng. Hiện ra hộp thoại cài đặt, chọn Wizard/ nhập 1 vào ô Logical station number là trạm logic kết nối MX với winform/ chọn Next. • Kiểm tra kết nối MX với PLC Q, chọn Communication test, hiện ra Successfully là thành công. b) Thêm thư viện kết nối MX với Winform. - Tạo một dự án Windows Form và đặt tên cho nó. - Sau khi tạo, nhấn chuột phải vào tên dự án, chọn Add/Reference. Một cửa sổ Reference Manage hiện ra, chọn mục COM/Type Libraries và chọn thư viện MITSUBISHI ActUltType Controls Ver 1.0. Sau đó click OK để thêm thư viện. - Sau khi thêm thành công thư viện ActUtlType Controls Ver1.0, cần khai báo sử dụng thư viện trong phần lập trình bằng khai báo “using ActUtlTypeLib;”. Chương trình điều khiển thiết kế trên Windows Form. - Giao diện phần mềm điều khiển được thiết kế trên Windows Form sau đó đóng gói thành phần mềm và cài đặt trên máy tính. Hình 4.38 – Thêm thư viện MITSUBISHI ActUtlType Controls Ver 1.0. Các chức năng của phần mềm a) Chức năng hiển thị thời gian thực. - Thời gian được đọc từ máy tính và được hiển thị lên label giúp người dùng thuận tiện trong việc theo dõi thời gian. - Khi nhấn button “Connect” phần mềm điều khiển sẽ được kết nối với GX Work2 để điều khiển, đồng thời button “Connect” sẽ được chuyển sang chế độ. “Disconnect” khi người dùng có mong muốn ngắt kết nối với PLC. Icon thông báo kết nối thành công sẽ hiện ra. Sau khi kết nối thành công, phần mềm có thể giao tiếp với PLC để điều khiển robot hoạt động. Sau khi nhận được tín hiệu này modun QD75MH4 sẽ phản hồi lại bằng 1 tín hiệu “QD75 READY” để thông báo cho bộ điều khiển rằng nó đã sẵn sàng hoạt động và ON tất các các động cơ Servo của các trục robot. - Sau khi nhấn button “ON” thì button này sẽ chuyển sang chế độ “OFF”. với chức năng OFF các động cơ Servo điều khiển các trục của robot. - Khi nhấn button “STOP”: dừng hành động mà robot đang thực thi. Chức năng này được sử dụng trong trường hợp người sử dụng muốn dừng hành động mà robot đang thực thi để thực hiện 1 hành động khác như kiểm tra và sửa lỗi. e) Chức năng hiển thị mã lỗi. - Trong giao diện điều khiển có groupbox hiển thị mã lỗi trong quá trình vận hành. Với một số mã lỗi hay gặp, người dùng có thể kích chuột vào mã lỗi đó, chương trình sẽ hiển thị ra nguyên nhân gây lỗi, giúp người dùng nhanh chóng đưa ra được phương án giải quyết, không cần xem lại tài liệu để tìm hiểu về mã lỗi. f) Chức năng Reset lỗi. - Trong quá trình vận hành, nếu có lỗi xảy ra, người dùng kích chuột vào button “RESET ERROR” để reset lỗi. Sau khi reset lỗi, robot sẽ vận hành bình thường trở lại. g) Chức năng chạy JOG các trục. - Các button “+” và “-” tương ứng với các trục X, Y, Z được sử dụng để điều khiển chạy thuận và nghịch các trục tọa độ trong trường hợp người dùng muốn nhanh chóng tới điểm cần đến. - Tốc độ chạy JOG của từng trục được nhập vào phần “JOG SPEED” tương ứng với từng trục với đơn vị là mm/phút. Tùy thuộc vào việc người dùng muốn cho các trục chạy với tốc độ bao nhiêu thì nhập thông số tương ứng. Ban đầu khi khởi động giao diện điều khiển, tốc độ JOG của 3 trục đều được mặc định là 1000 mm/phút. Giới hạn của tốc độ JOG được cài đặt ở Parameter trong chương trình PLC. - Trong quá trình vận hành, đòi hỏi người dùng cần theo dõi được vị trí hiện tại của các trục. Đáp ứng yêu cầu này, phần mềm cung cấp chức năng hiển thị vị. Hình 4.48 – Nhập tốc độ chạy cho các trục khi điều khiển bằng tay. trí hiện tại của các trục. Vị trí hiện tại được lấy từ tín hiệu phản hồi Encoder và hiển thị lên cột Position với đơn vị là mm. h) Chức năng dò gốc Home. - Robot khi làm việc cần có một gốc tọa độ cố định. Gốc tọa độ này sẽ là tham chiếu cho các tọa độ trong không gian làm việc của robot trong quá trình điều khiển vận hành. - Ban đầu khi mới khởi động robot, vị trí Home chưa được xác định, chức năng dò gốc. “FIND HOME” sẽ giúp xác định và lưu lại vị trí Home của robot. Vị trí Home được xác định bởi các cảm biến Home gắn cố định trên các trục. i) Chức năng về Home nhanh. - Sau khi xác định được gốc Home bởi chức năng dò gốc, trường hợp người dùng muốn về gốc Home nhanh có thể sử dụng chức năng về nhanh. Lưu ý chức năng về Home nhanh chỉ thực hiện được sau khi đã thực hiện quá trình dò gốc. Tại vị trí gốc, các tọa độ trong cột Position sẽ về 0 thể hiện robot đã về gốc. j) Chức năng nội suy. - Chức năng nội suy được sử dụng khi người dùng muốn điều khiển robot theo 1 quỹ đạo với các tọa độ điểm đầu và điểm cuối quỹ đạo được xác định. Bài toán đặt ra: Điều khiển nội suy 2 trục X, Y để tạo ra quỹ đạo chuyển động mong muốn, trục Z phối hợp với chuyển động của X, Y để đi xuống và bắt đầu vẽ quỹ đạo. Sau khi hoàn thành quá trình vẽ, trục Z sẽ đi lên 1 vị trí an toàn do người dùng thiết lập. Khi kích chuột vào button “LINE”, chế độ nội suy đường thẳng sẽ được thiết lập, đồng thời button “LINE” được chuyển sang màu xanh, button “CIRCLE”. sẽ có màu đỏ và cột “Arc Address” sẽ bị vô hiệu để phân biệt với nội suy cung tròn. + Khi kích chuột vào button “CIRCLE”, chế độ nội suy cung tròn sẽ được thiết lập, đồng thời button “CIRCLE” được chuyển sang màu xanh, button “LINE”. sẽ có màu đỏ. Lưu ý với chế độ nội suy cung tròn, người dùng cần nhập thêm tọa độ cho mục “Arc Address” – tọa độ điểm trung gian. - Để tiến hành nội suy, cần nhập tọa độ điểm đầu và điểm cuối. Với nội suy đường thẳng cần nhập tọa độ điểm đầu P1 và tọa độ điểm cuối P2. Với nội suy cung tròn, ngoài 2 tọa độ P1 và P2, cần nhập thêm tọa độ điểm trung gian trong cột ‘Arc Address”. Các tọa độ nhập vào đều được tính theo đơn vị mm. - Theo bài toán đặt ra, trước khi bắt đầu chạy nội suy, cần thiết lập tọa độ đi xuống của trục Z để tiến hành vẽ và tọa độ an toàn cho Z đi lên. Tọa độ đi xuống trục Z được cài đặt trong phần “Z DOWN”. Tọa độ an toàn để Z đi lên được thiết lập trong “Z UP”. Các tọa độ nhập vào đều được tính theo đơn vị mm. - Sau khi thiết lập thành công các tọa độ 3 trục X, Y, Z cho quá trình nội suy, người dùng có thể cài đặt thêm tốc độ nội suy. Trong chương trình PLC, trục X được thiết lập là trục chính trong quá trình nội suy, do đó tốc độ trục Y sẽ phụ thuộc vào trục X, người dùng chỉ cần thiết lập tốc độ chạy của trục X và trục Z. Tốc độ các trục đươc tính theo đơn vị mm/phút. - Sau khi hoàn thành việc thiết lập các thông số cần thiết, người dùng cần kích vào button. “RUN” để bắt đầu quá trình nội suy. - Sau khi hoàn thành 1 chu trình nội suy. Nếu người dùng muốn nhấc trục Z lên để đi tới 1 vị trí khác, cần nhấn vào button “END”, lúc này trục Z sẽ đi lên vị trí được cài đặt trong “Z UP”. k) Chức năng hiển thị quỹ đạo trong quá trình chạy. - Để thuận tiện cho việc theo dõi quỹ đạo chuyển động của robot trong quá trình chạy, phần mềm cung cấp chức năng hiển thị quỹ đạo tọa độ điểm tác động cuối theo 2 trục X, Y. Đơn vị của 2 trục tọa độ được tính theo mm. Qũy đạo hiển thị được lấy từ các tọa độ X, Y phản hồi từ Encoder. - Trong trường hợp có quá nhiều nét vẽ trên đồ thị, người dùng khi thực hiện 1 thao tác khác sẽ dễ làm quỹ đạo mới đè lên quỹ đạo chạy trước đó, chương trình điều khiển cũng cung cấp chức năng xóa các đường hiện có trên đồ thị. Nhấn vào button “DELETE GRAPH”. các đường hiện có trên đồ thị sẽ được xóa đi, lúc này người dùng có thể tiến hành vẽ 1 quỹ đạo khác, không cần lo lắng việc bị trùng lặp với quỹ đạo trước đó. - Sau khi nhấn “DELETE GRAPH”, đồ thị có trạng thái như hình dưới:. l) Chức năng nhập mã lệnh để điều khiển nội suy.
ĐÁNH GIÁ, KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ THỰC TẾ
- Kết quả chạy thực tế
- Đánh giá kết quả, chức năng
ĐÁNH GIÁ, KIỂM NGHIỆM. Kết quả chạy thực tế. Kết quả hiển thị trên phần mềm. Kết quả quỹ đạo thiết kế được thực hiện trên phần mềm. Kết quả thực tế trên bàn vẽ. Đánh giá kết quả, chức năng. Đánh giá sai số a) Phương pháp đo. Lấy một vị trí của robot làm mẫu, cho đầu của đồng hồ chạm vào bề mặt cần đo (ở đây là mặt phẳng vuông góc so với trục di chuyển cần đo). Điều chỉnh mặt chia của đồng hồ đề kim chỉ trùng với vạch số “0”. Cho robot di chuyển theo trục cần đo về vị trí Home, sau đó tiếp tục cho robot quay về vị trí lấy mốc ban đầu. Số chỉ trên đồng hồ sẽ cho biết độ sai lệch của robot khi chuyển động. Thực hiện 20 lần trên mỗi trục. Từ giá trị thu được có thể tính ra sai số trung bình và độ lệch chuẩn của robot. b) Kết quả và tính toán.
