5. Phƣơng pháp nghiên cứu
2.2.3Thiết kế và thi công mạch điều khiển
a. Mạch phát sóng RF
Đây là mạch đƣợc ghép với máy tính điều khiển trung tâm. Mạch có tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, mã hóa tín hiệu, gửi tín hiệu qua bộ phát sóng RF để gửi tín hiệu điều khiển tới robot công nghiệp và băng tải.
Yêu cầu: mạch chế tạo nhỏ gọn, kết nối với máy tính dễ dàng, có tính ổn định cao và mang tính thẩm mỹ, linh kiện dễ mua và giá thành hợp lý.
Quá trình thiết kế, chế tạo đƣợc thực hiện qua các bƣớc sau: Thiết kế mạch nguyên lý, mô phỏng mạch nguyên lý, thiết kế mạch in, làm mạch in, hàn linh kiện, kiểm tra và tích hợp vào hệ thống.
37
Trên thị trƣờng có rất nhiều các phần mềm hỗ trợ vẽ mạch nguyên lý và mạch in nhƣ: Altium designer, Protues, Eagle… với các tính năng tƣơng tự nhau. Tác giả sử dụng phần mềm Eagle để thiết kế mạch nguyên lý.
Hình 2.4 Mạch nguyên lý của mạch phát sóng RF
Khối xử lý trung tâm
Mạch xử lý trung tâm dùng 1 vi điều khiển ATmega8 sử dụng thạch anh ngoài giúp hoạt động ổn định, sử dụng bộ UART để giao tiếp với máy tính, giao tiếp SPI với module nRF24L01, dùng IC PL2303 tạo cổng com ảo cho vi điều khiển giao tiếp với máy tính qua usb
38
Hình 2.5 Vi điều khiển ATmega8
Các thông số kỹ thuật của thiết bị đƣợc lấy từ tài liệu [5]:
- Tập lệnh gồm 131 lệnh, hầu hết đều chỉ thực thi trong 1 chu kì xung nhịp
- 32 x 8 thanh ghi làm việc đa dụng - Tốc độ xử lí nhanh, lên tới 16MBPS
- Có 8Kbyte bộ nhớ flash có thể xóa lập trình đƣợc và có thể ghi xóa 10000 lần
- 512 byte bộ nhớ EEPROM tích hợp trên chíp, có 1 kbyte RAM nội - Có 28 chân, trong đó có 23 chân I/O
- Có hai bộ Timer/counter 8 bit và một bộ timer/counter 16 bit với bộ chia tần lập trình đƣợc
- Có ba kênh điều xung, 6 kênh lối vào chuyển đổi ADC với độ phân giải 10 bit
39
Khối Reset và nạp ISP
Hình 2.6 Khối reset và nạp ISP
Khối IC PL2303
Các máy tính thời điểm hiện tại thông thƣờng không có cổng COM, do đó để thuận tiện cho việc sử dụng, tác giả dung IC PL2303 để tạo cổng com ảo cho vi điều khiển giao tiếp với máy tính qua usb. Giúp việc kết nối giữa mạch phát RF và máy tính đƣợc dễ dàng, thuận lợi hơn.
40
Khối giao tiếp với module nRF24L01
Giao tiếp giữa vi điều khiển và module n RF24L01 đƣợc thực hiện qua giao tiếp SPI. SPI là một cách truyền song công (full duplex) nghĩa là tại cùng một thời điểm quá trình truyền và nhận có thể xảy ra đồng thời. Điều này giúp tăng tốc độ giao tiếp giữa máy tính và bộ điều khiển AX của robot công nghiệp.
SPI đôi khi đƣợc gọi là chuẩn truyền thông “4 dây” vì có 4 đƣờng giao tiếp trong chuẩn này đó là SC (Serial Clock), MISO (Master Input Slave Output), MOSI (Master Ouput Slave Input) và SS (Slave Select).
Hình 2.8 Khối giao tiếp với module RF
SCK: Xung giữ nhịp cho giao tiếp SPI, vì SPI là chuẩn truyền đồng bộ nên
cần 1 đƣờng giữ nhịp, mỗi nhịp trên chân SCK báo 1 bit dữ liệu đến hoặc đi. Xung nhịp chỉ đƣợc tạo ra bởi chip Master (ATmega8).
MISO– Master Input / Slave Output: Nếu là chip Master thì đây là đƣờng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Input còn nếu là chip Slave thì MISO lại là Output. MISO của Master và các Slaves đƣợc nối trực tiếp với nhau.
MOSI – Master Output / Slave Input: Nếu là chip Master thì đây là đƣờng
Output còn nếu là chip Slave thì MOSI là Input. MOSI của Master và các Slaves đƣợc nối trực tiếp với nhau.
SS – Slave Select: SS là đƣờng chọn Slave cần giap tiếp, trên các chip Slave
đƣờng SS sẽ ở mức cao khi không làm việc. Nếu chip Master kéo đƣờng SS của một Slave nào đó xuống mức thấp thì việc giao tiếp sẽ xảy ra giữa Master
41
và Slave đó. Chỉ có 1 đƣờng SS trên mỗi Slave nhƣng có thể có nhiều đƣờng điều khiển SS trên Master, tùy thuộc vào thiết kế của ngƣời dùng
Khối nguồn
Sử dụng cổng USB của máy tính để lấy nguồn duy trì hoạt động của mạch. Điều này giúp mạch đơn giản và gọn hơn rất nhiều so với việc sử dụng các nguồn khác. Ngƣời sử dụng không cần quan tâm đến việc cắm nguồn cho mạch phát RF, chỉ cần kết nối mạch qua cổng USB với máy tính vừa thực hiện giao tiếp giữa máy tính và mạch vừa lấy nguồn cung cấp cho mạch.
Hình 2.9 Khối nguồn
Thiết kế mạch in và thi công mạch phát sóng RF Thiết kế mạch in
Sử dụng phần mềm Eagle để thiết kế mạch in từ mạch nguyên lý nhƣ trên.
42
Thi công và hoàn thiện mạch phát sóng RF (Master)
Sau khi quá trình thiết kế mạch in đƣợc thực hiện, mạch in đƣợc đặt in và hàn linh kiện. Hình dáng mạch phát song RF nhƣ sau:
Hình 2.11 Mạch phát sóng RF
Với các linh kiện chính đƣợc sử dụng :
STT Tên linh kiện SL Tác dụng H nh ảnh
1 Atmega8 01 Chip chủ
2 PL2303 01 Hoạt động nhƣ một cầu nối giữa một cổng USB và chuẩn giao tiếp RS232
3 Đầu USB loại B
01 Lấy nguồn và tín hiệu từ cổng USB thông thƣờng
4 Modul nRF24L01
01 Nhận tín hiệu từ máy tình truyền tới modul thu RF
43
Ngoài ra trong mạch còn sử dụng một số các loại linh kiên điện trở, tụ dán, led nguồn, các công tắc và nút nhấn và đế cắm modul nRF24L01
Bảng 2.1 thống kê các thiết bị chính đƣợc sử dụng trong phần cứng của mạch phát RF. Các thiết bị đƣợc lựa chọn dựa trên các chỉ tiêu về yêu cầu kỹ thuật, khả năng cung cấp nhanh và giá thành hợp lý.
b. Mạch thu sóng RF (Slave)
Mạch nguyên lý và các thành phần của mạch thu sóng RF
Mạch có nhiệm vụ nhận tín hiệu qua module RF từ mạch Master sau đó xử lý xuất tín hiệu qua ULN2803 giúp cách ly điện áp, tín hiệu ra từ ULN2803 đƣợc đƣa vào robot, mạch dùng IC ghi dịch 74HC595 để mở rộng chân tín hiệu (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Mạch cũng gồm vi điều khiển ATmega8 và module RF, khối reset và nạp ISP
44
Khối IC 74HC595
Hình 2.13 Khối ghi dịch 74HC595
Thông số kỹ thuật của thiết bị đƣợc lấy từ tài liệu [5]:
74HC595 là IC ghi dịch nối tiếp sang song song với 8 ngõ ra Q0-Q7 và bộ chốt dữ liệu 8 bit.
- Chân Q0-Q7 là các chân dữ liệu ngõ ra
- Chân DS (chân 14) là chân dịch dữ liệu, dữ liệu đƣợc đƣa vào các thanh ghi dịch bên trong IC thông qua chân này
- Chân OE (Outp Enable) là chân cho phép xuất dữ liệu song song, tích cực mức thấp, khi chân này ở mức 0 thì quá trình ghi dịch đƣợc thực hiện
- Chân ST_CP (chân 12) là chân điều khiển chốt dữ liệu, khi chân này ở mức 1 thì dữ liệu trong thanh ghi của IC sẽ đƣợc xuất ra ngoài thông qua các chân Q0 – Q7
- Chân SH_CP (chân 11) là chân Clock xung tác động cho quá trình dịch, khi ta đƣa một bit data vào chân DS thì bit dữ liệu này vẫn chƣa thể dịch ngay vào thanh ghi của IC mà ta phải tác động một xung Clock vào chân này thì quá trình dịch mới thực hiện đƣợc
- Chân MR (chân 10) tích cực thấp, là chân xóa dữ liệu khi chân này ở mức 0 thì tất cả các bít Q0 – Q7 sẽ bị xóa về 0
- Chân Q7’ (chân 9) chân đƣa dữ liệu nối tiếp ra ngoài dùng khi ghép nhiều IC nối tiếp với nhau qua chân DS(14)
45
- Ta có thể điều khiển IC 74HC595 thông qua chỉ 3 chân DS, ST_CP, SH_CP cho phép mở rộng một cách vô hạn số chân ngõ ra của vi điều khiển tuy nhiên thời gian truy xuất sẽ chậm hơn do dữ liệu đƣa vào thông qua nối tiếp
Khối ULN2803
Hình 2.14 hối ULN2803
Bên trong ULN 2803 có mắc thêm các Diode tránh dòng ngƣợc khi điều khiển các thiết bị có cuộn dây (ví dụ: rơle …)
Nguyên lý hoạt động:
- Nếu các chân đầu vào I1 ÷ I8 là mức 0 (0V) thì ngõ ra thả nổi - Nếu các chân đầu vào I1 ÷ I8 là mức 1 (5V) thì ngõ ra ở mức 0 Lý do lựa chọn:
- Đáp ứng đƣợc yêu cầu điều khiển: sử dụng tín hiệu từ vi điều khiển 5V điều khiển tín hiệu vào robot với mức điện áp logic 24V; dòng ra tới 500 mA/ 50V
- Đƣợc bán rộng rãi trên thị trƣờng với giá tƣơng đối rẻ
46
Khối kết nối với tín hiệu vào của robot
Hình 2.15 Khối kết nối tín hiệu vào của robot
Thiết kế mạch in và thi công mạch thu RF Thiết kế mạch in
47
Thi công và hoàn thiện mạch thu RF (Slave)
Hình 2.17 Mạch thu sóng RF (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Các linh kiện sử dụng trong mạch thu RF
STT Tên linh kiện SL Tác dụng H nh ảnh
1 Atmega8 01 Chip chủ 2 LM2576 01 Tạo điện áp ngõ ra cố định với 3.3V, 5V, 12V, 15V và điện áp điều chỉnh đƣợc
48 3 Modul nRF24L01 (sử dụng loại có ăn-ten) 01 Nhận tín hiệu từ modul phát RF truyền tới mạch thu RF 4 IC 74HC595 01 Mở rộng số chân vi điều khiển 5 ULN 2803 01 Mạch đệm điều khiển, chịu đƣợc dòng điện lớn và điện áp cao
Bảng 2.2 Các linh kiện chính trong mạch thu RF
Bảng 2.2 thống kê các linh kiện chủ yếu đƣợc sử dụng trong mạch thu RF. Những linh kiện này đƣợc lựa chọn trên cơ sở đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, dễ dàng thay thế, nguồn đáp ứng nhiều và giá thành hợp lý.
49
CHƢƠNG III TÍCH HỢP HỆ THỐNG 3.1 Ghép nối bộ xử lý ảnh với robot công nghiệp Nachi MC 20
Bộ điều khiển AX có 32 chân DC 24V tín hiệu đầu vào cho tủ điều khiển. Các kết nối với thiết bị ngoại vi đƣợc thực hiện ở cổng CNIN của modul: MR-50LM (Honda Tsushin Kogyo).
Tín hiệu đầu vào theo chuẩn công nghiệp cho phép robot mở rộng khả năng làm việc với các thiết bị ngoại vi chuẩn cũng nhƣ phối hợp làm việc với các máy CNC, băng tải, robot công nghiệp khác trong các hệ thống sản xuất linh hoạt, tích hợp FMS&CIM
50
Hình 3.1 đƣợc lấy từ tài liệu [8], đây là tài liệu đƣợc cung cấp cùng với Robot công nghiệp Nachi MC 20 – 01. Trong hình chỉ rõ vị trí của cổng I/O trên tủ điều khiển AX.
Chân kết nối tín hiệu đầu vào
Hình 3.2 Các chân I/O
Đây là loại chân I/O thông dụng có rất nhiều trên các máy và thiết bị công nghiệp cho phép robot thuận lợi kết nối trong hệ thống.
Sơ đồ vị trí các chân I/O nhƣ sau:
51
Bảng 3.1 chỉ rõ tác dụng của các chân input của bộ điều khiển AX. Trên cơ sở đó lựa chọn ra các chân còn trống để xử dụng với bộ xử lý ảnh.
Nhƣ đã trình bày ở trên, để bộ điều khiển AX nhận đƣợc tín hiệu điều khiển, chỉ cần yêu cầu tín hiệu điều khiển có chuẩn 24V, dòng tối thiểu 10mA, không đòi hỏi công suất. Do đó, có thể sử dụng ngay bộ nguồn nội sẵn có của bộ điều khiển (DC 24V) cấp cho bộ thu RF để xử lý.
Điều này cho phép đảm bảo chất lƣợng của nguồn tín hiệu theo đúng chuẩn công nghiệp, cũng nhƣ giảm thiểu đƣợc các thiết bị điện tử lắp trên robot, đảm bảo tính gọn gàng và thẩm mỹ của bộ xử lý ảnh. Nếu sử dụng nguồn ngoài cần đặc biệt chú ý: điện áp DC 24V +-10%.
Thông số của nguồn nội cung cấp: Nguồn là 24 V, dòng 0.8A.
Đ ƣa t ín h iệ u đ iề u k h iể n t ừ ng o à i v à o
Điều kiện cài đặt Cài đặt trực tiếp I/O vào task chƣơng trình Vị trí cài đặt Cài đặt vị trí của tín hiệu logic port I/O với port
I/O trên bảng chuyển đổi
Giao tiếp I/O Giao tiếp bằng cổng 50 chân trên tủ điều khiển. Thông số tín hiệu
điện đầu vào
Bật/Tắt bởi dòng DC24V, 10mA
Tín hiệu vào cần thiết để đóng khoảng 150ms hoặc lâu hơn.
Kết nối tiếp xúc với rơ-le( tiếp xúc khô)
Để tránh tiếp xúc hỏng… chọn loại rơ-le tiếp xúc dựa trên thông số và điều kiện. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi kết nối thiết bị mở-cực góp, nên sử dụng một dòng dò khoảng 1mA.
Thống số tín hiệu điện đầu ra
Tiếp xúc rơ-le( tiếp xúc khô) công suất: AC100V hoặc DC30V
chú ý: Nhỏ nhất 5V, 1mA.
52
Hình 3.3 Kết nối với cổng tín hiệu vào và lấy nguồn từ bộ điều khiển
Hình 3.3 mô tả quá trình kết nối thực tế của bộ xử lý ảnh với tủ điều khiển AX. Sự kết nối bao gồm: Lấy nguồn 24V DC cho mạch thu RF, kết nối ổng input của tủ điều khiển với đầu ra output của mạch thu RF.
3.2 Mô h nh hóa và mô phỏng hệ thống bằng phần mềm AX on Desk
Để an toàn hơn trƣớc khi sử dụng, cũng nhƣ việc hƣớng tới phục vụ giảng dạy và nghiên cứu, tác giả thực hiện quá trình mô hình hóa, mô phỏng hoạt động của hệ thống trƣớc khi đƣa vào sử dụng. Quá trình mô hình hóa và mô phỏng hoạt động của hệ thống đƣợc thực hiện trên phần mềm AX on Desk .
Phần mềm AX on Desk đƣợc mua bản quyền cùng với robot công nghiệp Nachi MC20-01 cho phép mô hình hóa và mô phỏng quá trình làm việc của robot công nghiệp. Điều này không những giúp ngƣời vận hành làm quen với hệ thống thực mà còn giúp giảm thiểu sai sót trong quá trình lập trình và hoạt động của robot.
3.2.1 Mô hình hóa không gian làm việc
Phần mềm AX on Desk mặc dù đƣợc trang bị bộ công cụ cho phép thiết kế không gian làm việc ngay trên môi trƣờng làm việc của nó. Tuy nhiên thao tác tƣơng đối phức tạp và không thuận lợi. Do đó tác giả đã thực hiện việc thiết kế không gian làm việc của hệ thống trên một phần mềm CAD chuyên dụng (Solid Work), trƣớc khi upload vào phần mềm AX on Desk.
53
Đây là quá trình xây dựng công phu. Bởi một sai số nhỏ về kích thƣớc, hoặc sai số về vị trí tƣơng quan giữa các chi tiết trong không gian làm việc ảo đƣợc xây dựng sẽ dẫn tới sự va chạm của tay máy robot trong quá trình hoạt động thật.
Quá trình xây dựng không gian làm việc, ngoài việc chế tạo các chi tiết, dụng cụ theo kích thƣớc chuẩn, còn phải tiến hành kê kích, đo đạc mối tƣơng quan giữa các chi tiết và dụng cụ đó.
Kết quả của quá trình xây dựng không gian làm việc cho hệ thống xử lý ảnh cùng robot công nghiệp đƣợc thể hiện qua một số các hình vẽ sau:
Hình 3.4 Hình chiếu cạnh của không gian làm việc
54
Hình 3.6 Hình chiếu trục đo của không gian làm việc
Hình 3.6 là kết quả của việc xây dựng không gian làm việc cho robot bằng phần mềm Solidwork 2014. Không gian làm việc ảo phải đảm bảo chính xác với không gian làm việc trong thực tế. Đặc biệt với các kích thƣớc quan trọng, nhƣ vị trí tƣơng quan của robot với bang tải chƣa phôi, kích thƣớc và vị chí của các khay chứa phôi… Trên thực tế, kinh đổ chƣơng trình điều kiển giả lập vào robot vẫn cần thực hiện quá trình chạy thử từng bƣớc trƣớc khi cho chạy tự động hoàn toàn.
3.2.2 Viết chƣơng tr nh hoạt động cho robot trên phần mềm AX on Desk
Nhiệm vụ của chƣơng trình này là điều khiển tay máy robot công nghiệp