5. Dự kiến kết quả
2.4.Truyền động trong robot Harmo
2.4.1. Hệ thống khớ nộn trong robot Harmo.
Hỡnh 2.15. Sơ đồ mạch điều khiển khớ nộn trong robot Harmo
Giải thớch cỏc phần tử trong sơ đồ mạch điều khiển khớ nộn(Hỡnh 2.15):
Bảng 2.2. Cỏc phần tử trong sơ đồ mạch điều khiển khớ nộn trong robot Harmo
STT Ký hiệu Phần tử
1 Van đảo chiều 5 cửa, 2 vị trớ, điều khiển bằng điện
từ, vị trớ mặc định đƣợc thực hiện bởi lũ xo.
2 Van đảo chiều 5 cửa, 2 vị trớ, cả hai vị trớ đều đƣợc
điều khiển bằng điện từ. 3
Van đảo chiều 4 cửa, 2 vị trớ, một vị trớ điều khiển bằng điện từ, một vị trớ mặc định đƣợc thực hiện bởi lũ xo.
51
lũ xo.
5 Xy lanh tỏc động 2 chiều với piston tỏc động một
đầu cần.
6 Van tiết lƣu điều chỉnh đƣợc.
7 Bộ điều ỏp
8 Mỏy nộn khớ
- Nguyờn lý hoạt động của mạch khớ nộn:
Mỏy nộn khớ tạo ra nguồn năng lƣợng khớ nộn cho hệ thống. Khớ nộn đƣợc cung cấp từ mỏy nộn khớ đến bộ điều ỏp, tại đõy khớ nộn đƣợc giữ ở ỏp suất phự hợp để bảo đảm an toàn và hệ thống hoạt động bỡnh thƣờng. Van tiết lƣu trong hệ thống đƣợc điều chỉnh trực tiếp bằng tay tới khi đạt đƣợc tốc độ thớch hợp của piston. Van đảo chiều hoạt động nhờ cỏc nam chõm điện từ và lũ xo, do đú việc điều khiển cỏc van này đƣợc thực hiện thụng qua bộ điều khiển PLC.
+ Hoạt động của bậc tự do tịnh tiến dọc trục Xo:
Khớ nộn từ bộ điều ỏp đƣợc đƣa tới van đảo chiều 5 cửa 2 vị trớ. Khi chƣa cú tớn hiệu cung cấp từ PLC tới van, khớ nộn đƣợc cung cấp vào van đảo chiều qua cửa B đi ra qua cửa E, qua van tiết lƣu vào buồng bờn phải của xylanh đẩy piston chuyển động lựi về vị trớ mặc định của robot. Đồng thời khụng khớ từ buồng bờn trỏi của xylanh bị đẩy tới cửa D của van đảo chiều và thoỏt ra ngoài qua cửa A. Khi PLC cung cấp tớn hiệu điều khiển tới cuộn dõy điện từ của van, nam chõm điện sẽ tỏc động vào con trƣợt của van đảo chiều làm con trƣợt dịch chuyển đúng cửa A, mở cửa C. Lỳc này khớ nộn vào van đảo chiều qua cửa B, đi ra qua cửa D qua van tiết lƣu vào buồng bờn trỏi của xylanh đẩy piston tịnh tiến ra, trong buồng bờn phải của xylanh khớ nộn bị đẩy qua van tiết lƣu vào cửa E của van đảo
52
chiều và thoỏt ra ngoài qua cửa C.
+ Hoạt động của bậc tự do tịnh tiến dọc trục Yo.
Bậc tự do tịnh tiến dọc trục Yo cũng đƣợc điều khiển bằng van đảo chiều 5 cửa 2 vị trớ nờn cú hoạt động giống bậc tự do tịnh tiến dọc trục Xo với vị trớ an toàn đƣợc xỏc định khi tay kẹp robot ở vị trớ cao nhất.
+ Hoạt động của bàn tay kẹp.
Bàn tay kẹp đƣợc điều khiển vị trớ nằm ngang hay thẳng đứng bằng van đảo chiều 5 cửa, 2 vị trớ, cả 2 vị trớ đều đƣợc điều khiển bằng điện từ. Khi PLC cấp tớn hiệu điều khiển vào cuộn dõy số 1, cửa a bị đúng, khớ nộn đƣợc cung cấp vào van đảo chiều qua cửa b đi ra qua cửa d vào buồng bờn trờn của xylanh, đẩy piston đi xuống làm quay bàn tay kẹp nằm ngang, khớ nộn từ buồng dƣới của xylanh đi qua van tiết lƣu vào van đảo chiều qua cửa e và thoỏt ra ngoài qua cửa c. Ngƣợc lại, khi PLC cấp tớn hiệu tới cuộn dõy số 2, cửa c bị đúng lại, khớ nộn đƣợc cung cấp vào van đảo chiều qua cửa b đi ra qua cửa e vào buồng dƣới của xylanh, đẩy piston đi lờn làm cho bàn tay kẹp quay tới vị trớ thẳng đứng, khớ nộn từ buồng bờn trờn của xylanh đi qua van tiết lƣu vào van đảo chiều qua cửa d và thoỏt ra ngoài qua cửa a.
Hoạt động kẹp – nhả của bàn tay kẹp đƣợc điều khiển thụng qua van đảo chiều 4 cửa 2 vị trớ, một vị trớ điều khiển bằng điện từ, vị trớ mặc định đƣợc thực hiện bằng lũ xo. Khi khụng cú tớn hiệu từ PLC, van ở vị trớ mặc định, nối thụng xylanh với khụng khớ bờn ngoài, lũ xo trong xy lanh đẩy piston về trạng thỏi nhả kẹp, khớ nộn trong xylanh bị đẩy qua cửa d vào van đảo chiều, ra ngoài qua cửa b của van. Khi cú tớn hiệu từ PLC cấp cho cuộn dõy điện từ, cửa b, d đúng lại, cửa a, c mở ra, dũng khớ nộn đƣợc cấp vào van đảo chiều qua cửa a ra khỏi van cửa c vào buồng xylanh, đẩy piston tịnh tiến ra kẹp chặt chi tiết.
2.4.2. Hệ thống điện điều khiển robot Harmo.
- Trục Zo trong robot Harmo đƣợc điều khiển bằng động cơ điện ba pha. Động cơ này cú nhiệm vụ điều khiển một số yếu tố sau:
53 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
+ Làm cho cơ cấu chuyển động theo trục Zo nhờ cơ cấu Bỏnh răng – Thanh răng. + Động cơ đƣợc điều khiển với 02 tốc độ: một tốc độ nhanh để cụng tỏc, một tốc độ chậm đƣợc dựng để giảm tốc trƣớc khi phanh dừng.
Cỏc động cơ đặt cữ:
Cỏc động cơ đặt cữ cho cỏc bậc tự do điều khiển bằng khớ nộn gồm cỏc động cơ DC2, DC3,DC4.
Động cơ DC2: Đặt cữ cho khoảng cỏch làm việc của tay kẹp gắp chi tiết ở gần hay ở xa theo phƣơng Xo.
Động cơ DC3: Đặt cữ cho bậc tự do lờn xuống theo phƣơng Yo.
Động cơ DC4: Đặt cữ làm việc chớnh xỏc cho khoảng hành trỡnh đi ra lấy và thả sản phẩm theo phƣơng Xo.
- Điều khiển động động cơ đặt cữ
Thực hiện trờn Remote thụng qua cỏc nỳt bấm: Chức năng cỏc phớm nhƣ sau:
+ Phớm M1 và M2: Điều khiển động cơ DC2 di chuyển cữ hành trỡnh ra, vào theo phƣơng Xo.
+ Phớm M3 và M4: Điều khiển động cơ DC4 di chuyển tay mỏy ra, vào theo phƣơng Xo.
+ Phớm M5 và M6: Điều khiển động cơ DC3 di chuyển cữ hành trỡnh lờn, xuống theo phƣơng Yo.
Hỡnh 2.16. Cấu tạo cỏc phớm trờn REMOTE
2.5. Bộ biến tần (INVERTER)
Biến tần (INVERTER) đƣợc sử dụng để điều khiển vận tốc và chiều chuyển động của động cơ. Để lựa chọn một Inverter điều khiển động cơ phải căn cứ vào cỏc thụng số kỹ thuật của động cơ nhƣ cụng suất, dải tần làm việc…Động cơ đang sử dụng trờn Robot là động cơ liền giảm tốc cú cỏc thụng số sau:
54
- Cụng suất 0,2 KW; - Nguồn điện 1 pha 220V; - Dải tần số: 0 – 50 Hz;
-Tỷ số truyền hộp giảm tốc: 1/10.
Động cơ đƣợc tớch hợp hệ thống phanh điện từ để phanh dừng động cơ đỳng vị trớ cần thiết. Dựa vào cỏc thụng số kỹ thuật của động cơ, ta chọn bộ biến tần Inverter của hóng LS cú model: 3G3MV – A2007 với cỏc thụng số nhƣ sau:
Hỡnh 2.17. INVERTER 3G3MV
Bảng 2.3. Cỏc thụng số kỹ thuật của Bộ biến tần 3G3MV – A2007
Input AC1PH 200 – 230V 56/60Hz 3.9A
Output AC3PH 230V 0 -400 Hz 3 A 1.1KVA
INVERTER model 3G3MV – A2007 cú cỏc đầu nối dõy tiờu chuẩn sử dụng nhƣ hỡnh sau:
55
Hỡnh 2.18. Sơ đồ cỏc đầu dõy tiờu chuẩn của INVERTER 3G3MV – A2007
Sơ đồ nối dõy trờn Robot đƣợc thực hiện nhƣ sau: - 2 đầu nối nguồn vào 1 pha – 220V
(R/L1; S/L2) .
- 3 đầu điện ỏp ra 3 pha – 220V (U/T1; V/T2;W/T3). - Hai đầu B1; B2 nối với điện trở phanh.
- Cỏc đầu vào đa chức năng S1;S2;S3;S4;S5;S6;S7 và đầu vào chung logic. Cỏc đầu vào đa chức năng này sẽ nhận đƣợc cỏc tớn hiệu điều khiển chiều quay và tốc độ của động cơ, cụ thể:
56 (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Hỡnh 2.19. Sơ đồ nối dõy INVERTER điều khiển động cơ
Chỳng ta sử dụng một số đầu vào đa chức năng để làm tớn hiệu điều khiển: - S1: Tớn hiệu điều khiển động cơ quay ngƣợc (Revert)
- S2: Tớn hiệu điều khiển động cơ quay thuận (Forward).
- S7 : Tớn hiệu điều khiển động cơ quay tốc độ chậm (Slow speed) (Tớn hiệu đặt tần số đầu ra thấp).
- Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MA (thƣờng mở). - Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MB (thƣờng đúng).
- Đầu ra chung tiếp điểm đa chức năng MC (chung cho MA và MB).
- Phanh động cơ (Brake) sử dụng điện ỏp 220 VAC đƣợc điều khiển thụng qua một rơle 24VDC. Rơle này đƣợc nối với đầu ra tiếp điểm đa chức năng. Phanh động cơ cú trạng thỏi hoạt động nhƣ sau:
- Khi khụng cú điện ỏp vào thỡ phanh động cơ ở trạng thỏi phanh (dừng động cơ).
- Khi cú điện ỏp vào thỡ phanh động cơ ở trạng thỏi nhả phanh (cho phộp động cơ chạy).
57
2.6. Kiểm nghiệm khối lƣợng kẹp của vật kẹp.
Lực tỏc động vào Piston phụ thuộc vào ỏp suất khớ nộn, đƣờng kớnh trong của xylanh và ma sỏt ở cỏc bộ phận tiếp xỳc (Cụng thức 11.15 trang 23 Giỏo trỡnh Robot cụng nghiệp 2006 của GS.TSKH Nguyễn Thiện Phỳc), ta cú:
FL = A.P (2.7)
Trong đú:
FL: Lực piston lý thuyết
A: Diện tớch hữu ớch của Piston P: Áp suất làm việc.
A =
(2.8)
Hỡnh 2.20. Sơ đồ kiểm nghiệm khối lượng của vật kẹp
Theo sơ đồ (Hỡnh 2.19) ta thấy Robot hoạt động bỡnh thƣờng khi nú thỏa món điều kiện sau:
2Q ≥ P (2.9)
Mặt khỏc, ta cú:
Lực ma sỏt Q giữa mỏ kẹp và vật kẹp đƣợc xỏc định theo cụng thức sau: Q=f.FL (2.10) Trong đú:
f: Hệ số ma sỏt (Mỏ kẹp cú gắn cỏc miếng đệm cao su nờn ứng với vật liệu là cao su thỡ f=0,4) Vậy nờn: Q = f.A.p = (2.11) ỉ12 FL A p ỉ12 FL A p Q Q P
58
Theo thực tế thỡ Pmax= 0,5MPa; đƣờng kớnh của piston ỉ12; khối lƣợng vật kẹp tối đa là mmax = 4,5 Kg.
Do đú:
Q =
Q = 22,608 (N)
Vậy: 2Q = 45,216(N) (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khối lƣợng vật kẹp tối đa là 4,5 Kg, nờn trọng lƣợng P của vật là: P = m.g = 4,5. 9,8 = 44,1 (N)
Vậy P < 2 Q, do đú Robot hoạt động bỡnh thƣờng khi kẹp vật cú khối lƣợng mmax = 4,5 Kg.
2.7. Tớnh toỏn vận tốc và gia tốc bậc tự do tịnh tiến theo trục Zo. 2.7.1. Tớnh vận tốc 2.7.1. Tớnh vận tốc
Vận tốc dài của cỏnh tay mỏy chớnh là vận tốc chuyển động của bỏnh răng. Vận tốc này đƣợc xỏc định theo cụng thức sau:
(m/s) (2.12)
Trong đú:
V: Vận tốc dài của cỏnh tay mỏy.
D: Đƣờng kớnh vũng chia bỏnh răng (D=60mm) nra BR: Tốc độ ra của bỏnh răng.
Do trờn trục Zo cú gắn thờm hộp giảm tốc với tỷ số truyền 1: 10 nờn ta cú: nra BR = (2.13) Mặt khỏc, ta cú: (2.14) Với: f: Tần số của động cơ (Hz)
59 p: Số cặp cực của động cơ (p=2) Thế (2.13) vào (2.12), ta đƣợc nra BR = (2.15) Thay nra BR vào cụng thức (2.11), ta đƣợc: (2.16) = 0,00942 f
Nhƣ vậy: Ứng với mỗi tần số của động cơ, ta sẽ nhận đƣợc một giỏ trị của vận tốc theo mối quan hệ: V = 0,00942 f.
2.7.2. Tớnh gia tốc
Theo định luật II Newton, gia tốc của cỏnh tay mỏy đƣợc xỏc định nhƣ sau:
(2.17) Trong đú:
F: Lực kộo của bỏnh răng.
m: Khối lƣợng của cỏnh tay mỏy (Theo thụng số đầu vào: m = 100Kg) Mặt khỏc, lực kộo của bỏnh răng cú mối liờn hệ với cụng suất của động cơ nhƣ sau:
P = F.V (2.18) Với:
P: Cụng suất của động cơ (P = 0,2 KW) V: Vận tốc của tay mỏy
Từ (2.14) và (2.15), ta cú:
(2.19)
60
Vậy: Gia tốc của cỏnh tay mỏy tỷ lệ nghịch với tần số f của động cơ theo mối quan hệ: a = 212,314/f.
61
Kết luận chƣơng 2.
Robot Harmo là một cơ cấu 4 khõu, 4 khớp đƣợc liờn kết với nhau và cú 4 bậc tự do khỏc nhau với phƣơng trỡnh động học:
T4 = 1 0 0 0 cos sin 0 cos 0 1 0 sin cos 0 sin 1 4 4 4 4 3 2 4 4 4 4 d a d d a Bậc tự do tịnh tiến theo trục Zo đƣợc điều khiển bằng động cơ điện 3pha, với hành trỡnh làm việc 1,6m. Điều khiển hành trỡnh của cỏnh tay robot qua bộ đếm Encorder và PLC. Bậc tự do tịnh tiến theo trục Xo và Yo đƣợc điều khiển bằng hệ thống xylanh tỏc động hai chiều với piston một đầu cần”. Hành trỡnh di chuyển của piston đƣợc giới hạn bởi cữ hành trỡnh điều khiển điện. Vựng khụng gian làm việc của Robot cũng đƣợc điều khiển bởi động cơ điện và đƣợc điều khiển trực tiếp bởi bộ điều khiển Remote control độc lập với PLC.
.Bậc tự do quay thực hiện nhiệm vụ quay bàn kẹp quanh trục Zo để đƣa bàn kẹp tới 2 vị trớ song song với phƣơng ngang và phƣơng thẳng đứng. Bậc tự do này đƣợc dẫn động nhờ cơ cấu piston xylanh khớ nộn tỏc động hai chiều cú đƣờng kớnh 36, dài 80 mm, một bàn kẹp gắn hai mỏ kẹp đồng trục và ngƣợc chiều nhau, cỏch nhau một khoảng lớn hơn kớch thƣớc chi tiết cần kẹp, mỗi mỏ kẹp là một xylanh khớ nộn tỏc dụng theo chiều kẹp chặt chi tiết, chiều nhả kẹp đƣợc thực hiện bởi lực đàn hồi của lũ xo.
Với kết cấu nhƣ vậy, robot Harmo đƣợc sử dụng để thực hiện nhiệm vụ gắp sản phẩm ra từ khuụn đỳc trong cỏc thiết bị ộp nhựa. Khối lƣợng lớn nhất của chi tiết nhựa là 4,5Kg. Quỏ trỡnh thực hiện này đƣợc điều khiển nhờ hệ thống lập trỡnh PLC và hoạt động hoàn toàn tự động, tin cậy. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
62
CHƢƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PLC; LẬP TRèNH PLC CHO Rễ BỐT HARMO TRONG QUÁ TRèNH CẤP PHễI TỰ ĐỘNG.
3.1. Hệ thống điều khiển PLC
3.1.1. Cỏc bộ phận cơ bản của hệ thống điều khiển PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic cú khả năng lập trỡnh, cho phộp thực hiện linh hoạt cỏc thuật toỏn điều khiển logic thụng qua ngụn ngữ lập trỡnh sơ đồ thang hoặc Statement (STL).
Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC đƣợc xem nhƣ là trỏi tim của hệ thống. Với một chƣơng trỡnh ứng dụng (đó được lưu trữ bờn trong bộ nhớ của PLC) thỡ PLC liờn tục kiểm tra trạng thỏi của hệ thống, bao gồm: kiểm tra tớn hiệu phản hồi từ cỏc thiết bị nhập, đƣa vào chƣơng trỡnh logic để xử lý tớn hiệu và đƣa ra cỏc tớn hiệu điều khiển để điều khiển cỏc thiết bị ngoại vi.
Hiện nay, trờn thị trƣờng phổ biến cú một số loại PLC nhƣ Siemens, Omron, Mitsubishi, Schneider, GE Fanuc. Mỗi hóng cú một phần mềm lập trỡnh khỏc nhau nhƣng nhỡn chung một hệ thống PLC thƣờng cú 5 bộ phận cơ bản:
Hỡnh 3.1. Mụ hỡnh cấu tạo của PLC.
- Bộ xử lý tớn hiệu trung tõm hay CPU (Central Processor): Là bộ xử lý tớn hiệu cú thể bao gồm một hay nhiều bộ vi xử lý tiờu chuẩn hoặc cỏc bộ vi xử lý hỗ
63
trợ cựng với cỏc mạch tớch hợp để thực hiện cỏc phộp tớnh lụgớc, điều khiển và ghi nhớ. Bộ xử lý thu thập cỏc tớn hiệu vào và thực hiện xử lý cỏc tớn hiệu đú theo chƣơng trỡnh logic đó đƣợc lập trỡnh trƣớc. Phần lớn cỏc PLC sử dụng cỏc mạch logic chuyờn dụng trờn cơ sở bộ vi xử lý và cỏc mạch tớch hợp tạo nờn đơn vị xử lý trung tõm CPU.
- Bộ nhớ: Là nơi lƣu giữ toàn bộ chƣơng trỡnh điều khiển đƣợc sử dụng cho cỏc hoạt động điều khiển và cỏc trạng thỏi nhớ trung gian trong quỏ trỡnh thực hiện, bộ nhớ chịu sự kiểm soỏt của bộ vi xử lý. Thụng tin chứa trong bộ nhớ sẽ xỏc định việc cỏc đầu vào, đầu ra đƣợc xử lý nhƣ thế nào. Bộ nhớ bao gồm cỏc tế bào nhớ đƣợc gọi là cỏc bớt. Mỗi bớt cú 2 trạng thỏi 0 hoặc 1. Đơn vị thụng dụng của bộ nhớ là Kb, 1Kb=1024 byte, một byte cú 8 bớt . Cỏc PLC thƣờng cú bộ nhớ từ 1Kb đến 64Kb, tựy thuộc vào từng Model.
- Mụ đun vào/ra: Là mođun kết nối giữa cỏc thiết bị ngoại vi với bộ vi xử lý. Hệ thống này thƣờng dựng cỏc mạch cỏch ly (Tranzitor hoặc Rơle) để ghộp nối