- 2.3.3 Phương trình động học ngược 2
4.2 Lựa chọn bộ điều khiển PLC cho robot 39
4.2.1 Phân tích các loại PLC
Hiện nay trên thị trường có rất nhiều hãng sản xuất ra hệ thống điều khiển PLC gồm các hãng như : Siemen, Omron, Misubishi, Alenbratlay….và gồm các chủng loại rất phong phú rất phù hợp với nhu cầu của thị trường, ví dụ như PLC Siemen có PLC logo, PLC S7-200,PLC S7-300; PLC Misubishi có các họ Fx,Fx0,Fxon…..
Với PLC logo ưu điểm của chúng là số đầu ra vào ít, rẻ rất phù hợp cho những mô hình nhỏ, cần chi phí ít.
Với PLC S7-300, một lợi thế đầu tiên đó là chương trình này chúng em được học và trực tiếp nghiên cứu tại trường nên sự hiểu biết về chúng có thể sâu hơn và rộng hơn. Hơn nữa bộ PLC S7-300 là bộ ra đời với những cấu hình cao, nhiều đầu vào ra thích hợp cho những đề tài lớn.Tuy nhiên giá thành của chúng lại rất đắt.
Với PLC S7-200 là thế hệ trước của S7-300 nên cấu hình có phần kém hơn chính vì vậy giá thành của chúng cũng vì thế rẻ hơn .
Do trên thực tế tại các khu công nghiệp người ta vẫn sử dụng rất nhiều hệ thống điều khiển PLC S7-200, và hệ thống này cần chi phí không quá cao như PLC S7- 300 và một lí do nữa là chúng em muốn thể hiện tính tìm tòi nghiên cứu những lĩnh vực mà chúng em chưa được học ở trường nên chúng em quyết định sử dụng bộ điều khiển bằng PLC s7 -200 cho đề tài của mình.
4.2.2 Lựa chọn bộ điều khiển PLC S7-2004.2.2.1 Các loại PLC S7_200 (Siemens) 4.2.2.1 Các loại PLC S7_200 (Siemens)
Các loại PLC thông thường :CPU 222,CPU224,CPU224XP(có hai cổng giao tiếp),CPU 226 (có hai cổng giao tiếp),CPU 226XM.
Do hệ thống cần điều khiển sử dụng 14 đầu vào số và 5 đầu ra số nên chúng em lựa chọn bộ PLC 224XP là phù hợp về mặt kĩ thuật và kinh tế.
4.2.2.2 Giới thiều về CPU 224XP
Nguồn cung cấp: Là loại cấp điện áp 220 VAC
Modul vào ra số:
- Ngõ vào : Tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC(15VDC-30VDC) - Ngõ ra : Ngõ ra rơle
Ưu điểm của loại này là ngõ ra rơle do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện áp(có thể sử dụng ngõ ra 0V,24V,220V…)
Tuy nhiên nhược điểm của nó:do ngõ ra rơle nên thời gian đáp ứng của rơle không được nhanh cho ứng dụng điều rộng xung hoặc output tốc độ cao…
Hình 4.1: Sơ đồ cấu trúc modul vào ra CPU224XP
Hình 4.3: Cấu trúc bên trong ngõ ra rơle
Các vùng nhớ của CPU 224 XP
- I: Input ,các ngõ vào số - Q: Output,các ngõ ra số
- M: Internal memory ,vùng nhớ nội - V: Variable memory ,vùng nhớ biến - AIW: Analog Input ngõ vào analog - AQW: Analog Output ngõ ra analog - T :Timer
- C: Counter
- AC: Con trỏ điện chỉ -
Giới hạn vùng nhớ của CPU 224 XP
VB 0-10239 IB 0-15 QB 0-15 MB 0-31 SMB 0-549 AC 0-3
4.2.2.3 Một số tập lệnh cơ bản
a. Nhóm lệnh về bit
: tiếp điểm thường mở.
: tiếp điểm thường đóng.
: cuộn coil, đầu ra.
NOT
S R
: đảo trạng thái bit. : Set bit. : Reset bit. : Vi phân cạnh lên. : Vi phân cạnh xuống. Ví dụ:
Nếu ngõ vào I0.0 = 1: Ngõ ra Q0.0 = 1
b.Timer: TON, TOF, TONR
TON: Delay On. TOF: Delay Off.
TONR: Delay On có nhớ
TON:
IN: BOLL: cho phép Timer.
PT: Int: giá trị đặt cho Timer(VW, IW, QW, MW, SW, SMW, LW, AIW, T, C, AC, Constant, *VD, *LD, *AC) Txxx: Số hiệu Timer.
Các số hiệu Timer trong S7_200 như sau:
Khi ngõ vào I0.0 = 1 Timer T37 được kích, nếu sau 10x100ms = 1s I0.0 vẫn giữ trạng thái thì Bit T37 vẫn lên 1 (Khi đó Q0.0 lên 1).
Nếu I0.0 = 1 không đủ thời gian 1s thì bit T37 sẽ không lên 1.
TOF:
IN: BOOL: cho phép Timer.
PT: Int: giá trị đặt cho Timer(VW, IW, QW, MW, SW, SMW, LW, AIW, T, C, AC, Constant, *VD, *LD, *AC)
Khi ngõ vào I0.0 = 1 thì bit T33 lên 1 (Ngõ ra Q0.0 lên 1 )
Khi I0.0 xuống 0, thời gian Timer bắt đầu tinh, đủ thời gian 1s = 100x10ms thì bit T33 sẽ tắt (Q0.0 tắt)
Nếu I0.0 xuống 0 trong khoảng thời gian chưa đủ 1s đã lên 1 lại thì bit T33 vẫn giữ nguyên trạng thái.
TONR:
IN: BOOL: cho phép Timer.
PT: Int: giá trị đặt cho Timer(VW, IW, QW, MW, SW, SMW, LW, AIW, T, C, AC, Constant, *VD, *LD, *AC)
Ngõ vào I0.0 có tác dụng kích thời gian cho Timer, khi ngõ I0.0 = 1 thời gian Timer được tính, khi I0.0 = 0 thời gian không bị Reset về 0. Khi đủ thời gian thì bit T1 lên 1. Thời gian Timer chỉ bị Reset khi có tín hiệu Reset Timer (tín hiệu từ ngõ I0.1)
c. Lệnh RS và SR
Lệnh SR:
Cấu trúc:
Ngõ vào: S1, R: Kiểu Bool (I,Q,M,T,C,V,S,SM,L) Ngõ ra: OUT: Kiểu Bool (I,Q,M,T,C,V,S,SM,L)
R S1 OUT
0 1 1
1 0 0
Lệnh RS:
Ngõ vào: S, R1: Kiểu Bool (I,Q,M,T,C,V,S,SM,L) Ngõ ra: OUT: Kiểu Bool (I,Q,M,T,C,V,S,SM,L) Cấu trúc:
Sự ra đời của hệ thống PLC đã làm thay đổi hẳn hệ thống điều khiển,giúp cho hệ thống thông minh và nhỏ gọn hơn,sẵn sàng đáp ứng mọi công nghệ theo yêu cầu.Chính vì vậy khi phân tích và lực chọn bộ điều khiển cho đề tài ,sử dụng PLC là một sự lựa chọn tối ưu.
S R1 OUT
0 0 Giữ nguyên trạng thái
0 1 0
1 0 1
CHƯƠNG 5
CẢM BIẾN TRONG ROBOT
Các thiết bị cảm biến trang bị cho robot để thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ.
Theo phạm vi ứng dụng các loại cảm biến dùng trong kĩ thuật robot có thể phân làm 2 loại:
- Cảm biến nội tín hiệu đảm bảo tín hiệu về thông tin vị trí vận tốc lực tác động trong các hoạt động bên trong của robot. Các thông tin này là tín hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động của robot.
- Cảm biến ngoại tín hiệu cung cấp thông tin về đối tác và môi trường làm việc, phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quan, thực hiện di chuyển thao tác trong không gian hoạt động.
Dưới đây, chúng em sẽ giới thiệu những cảm biến sử dụng trong robot.
5.1 Cảm biến từ tiệm cận
Cảm biến từ tiệm cận được sử dụng chủ yếu để cảm biến các vật thể có tính kim loại.
5.1.1Nguyên lý hoạt động của cảm biến từ tiệm cận
Bộ tạo dao động sẽ phát ra tần số cao. Khi vật thể bằng kim loại được đưa vào vùng tác dụng của cảm biến, dòng điện xoáy xuất hiện trong vật thể, nó làm suy giảm năng lượng của bộ tạo dao động. Điều đó dẫn đến sự thay đổi dòng điện tiêu thụ của cảm biến. Như vậy, hai trạng thái: suy giảm và không suy giảm dòng điện tiêu thụ của cảm biến dẫn đến chuyển trạng thái “có” hay “không” bằng mức xung điện áp ra. Cấu tạo của nó gồm 4 thành phần chính được thể hiện trong hình 5.1
Tấm kim loại Bề mặt tích cực Lõi ferit Mạch dao động Trigơ schmitt Khuếch đại và chuyển mạch
Hình 5.1.Cấu trúc của cảm biến từ tiệm cận 5.1.2 Cảm biến từ tiệm cận sử dụng trong đề tài :CS1-J, CS1-F
Specification
Model CS1-J
Working voltage AC: 5V-240V, DC:5V-240V
Working current AC: 5-40mA, DC:5-50mA
Response time 1ms
Reset time 0.5ms
Frequency 3-250Hz
Working temperature -10℃~+60℃
Non-repeating vibration 30G
Repeating vibration Max.7G(10-55Hz),±300Hz Resonance 5300
Cable 2M
Protection level IP67
Hình 5.2: Cảm biến từ tiệm cận CS1-J
5.2 Công tắc hành trình điện cơ
5.2.1 Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ.
Hình 5.3: Nguyên lý hoạt động của công tắc hành trình điện cơ
Hình 5.4.Ví dụ về nguyên tắc hoạt động theo hành trình của công tắc hành trình điện cơ
5.2.2.Công tắc hành trình sử dụng trong đề tài: kW12
Thông số:5A125VAC 3A250VAC
5.3 Cảm biến hồng ngoại
5.3.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại
Nhiệm vụ:Dùng để phát hiện có hay không có vật trong tay gắp robot,sau đó phát ra tín hiệu báo về bộ điều khiển.
Thành phần:
- Dùng cặp led thu phát hồng ngoại
- Bộ khuêch đại thuật toán(so sánh với tín hiệu từ sensor tạo ra tín hiệu báo cho PLC biết)
Nguyên lý hoạt động : LED thu bình thường có điện trở rất lớn cỡ 10K,nhưng khi có ánh sáng led phát chiếu vào thì điện trở giảm xuống cỡ 100ohm.Nhờ nguyên lý này ta có mạch phát hiện vật như sau:
Hình 5. 5 : Cặp thu phát hồng ngoại
Phần phát phát ra ánh sáng hồng ngoại và phần thu hấp thụ ánh sáng hồng ngoại vì ánh sáng hồng ngoại có đặc điểm là ít bị nhiễu so với các loại ánh sáng khác. Hai bộ phận phát và thu hoạt động với cùng tần số. Khi có vật trong tay gắp thì giữa phần phát và phần thu ánh sáng hồng ngoại bị che bộ phận thu sẽ hoạt động với tần số khác với tần số phát như thế sẽ tạo một xung tác động tới bộ phận xử lí.
5.3.2 Cảm biến sử dụng trong đề tài
5.3.3 Mạch cảm biến
Hình 5.6: Sơ đồ nguyên lý mạch cảm biến
Nguồn luôn luôn được cấp để nuôi LED phát hồng ngoại. Đặt LED thu đối điện với LED phát sao cho nó nhận được tín hiệu của LED phát, khi đó: Nếu có vật đặt giữa tức là LED thu không thu được tín hiệu hồng ngoại từ bên phát, làm cho điện trở của LED thu tăng lên rất lớn. Còn nếu chúng nhận được tín hiệu của nhau thì làm cho điện trở của LED giảm xuống rất nhỏ.
Bình thường, khi không có vật ở giữa 2 LED thu- phát thì chân B của Transistor C2383 được nối xuống âm nguồn do điện trở LED thu nhỏ xấp xỉ 0, làm Transistor này bị khoá, khi ấy đầu ra ở cực E (đầu ra cảm biến) sẽ không có áp, do đó đầu cảm
biến nối vào PLC thì đầu vào PLC này sẽ được hiểu là mức thấp. Khi có vật che khuất tín hiệu của LED thu, làm cho Transistor C2383 được phân cực và mở dẫn, lúc này đầu ra cảm biến (cực E Transistor) được nối tắt với nguồn qua Transistor, và tín hiệu ra sẽ là mức 1(+24V).
Như vậy, khi có vật thì đầu ra cảm biến sẽ có tín hiệu mức cao. Còn ngược lại, khi không có vật thì đầu ra cảm biến sẽ có tín hiệu mức thấp.
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những thay đổi từ môi trường bên ngoài và biến đổi thành các tín hiệu điện để điều khiển các thiết bị khác. Và cảm biến là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống điều khiển.Một hệ thống điều khiển có thế hoạt động được chính là do bộ cảm biến hoạt động đưa tín hiệu về bộ điều khiển.Để biết bộ điều khiển hoạt động ra sao chúng em sẽ đi thiết kế và chế tạo bộ điều khiển ở chương tiếp theo.
CHƯƠNG 6
CHẾ TẠO, LẮP RÁP VÀ HOÀN THIỆN MÔ HÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT 3 BẬC TỰ DO
Ở các chương trước chúng em đã xây dựng được mô hình động học của robot 3 bậc tự do, từ đó chúng em cũng đã lựa chọn được nguồn dẫn động cho từng khâu của robot ,các cảm biến và lựa chọn được bộ điều khiển để điều khiển robot. Đó chính là
cơ sở để chúng em thiết kế, chế tạo mô hình và hệ thống điều khiển cánh tay máy 3 bậc tự do. Nội dung đó chúng em sẽ trình bày trong chương này. Chương 6 bao gồm 2 nội dung chính: chế tạo mô hình cơ khí và thiết kế modul điều khiển robot. Nội dung của
từng phần được chúng em cụ thể dưới đây.
6.1 Chế tạo mô hình cơ khí
Khâu quay 1: Sử dụng động cơ bước như đã chọn ở chương 3 là động cơ
C6244-9212K dùng để truyền động quay trục đứng là thân của tay máy. Trục đứng thân tay máy này sử dụng ống Inox với chiều cao là 50cm, dày 0.8mm, đường kính 63mm. Hình ảnh theo thiết kế:
Trục đứng này sẽ chịu toàn bộ lực của phần cánh tay. Phần dưới của trục được hàn một trục Inox được đạt xuyên tâm để bắt bánh đai phục vụ cho việc truyền lực quay từ động cơ sang làm quay trục, quay toàn bộ tay máy.
Trục ngang phần đầu của cánh tay: Trục này được hàn vuông góc với trục đứng thân tay máy. Trục ngang này sử dụng ống Inox với chiều dài là 40cm, dày 0.5mm, đường kính 38mm. Phía đầu trục được hàn 1 thanh kẹp để đính ổ đỡ cho trục thứ 3 là khâu tịnh tiến, vì khâu thứ 2 này quay. Hình ảnh thiết kế:
Khâu quay 2: Để truyền động quay thì khâu thứ 2 này chúng em sử dụng 1 xy-
lanh khí nén đẩy khâu thứ 3 quay trên ổ bi được đỡ bởi thanh kẹp đầu trục ngang của khâu 1. Khâu thứ 2 này sẽ quay cả khâu thứ 3(tịnh tiến) và khâu tác động cuối cùng tay gắp quanh một trục Inox được hàn chết với khâu thứ 2, và trục này được đỡ bởi 2 ổ bi được đính trên khâu thứ 1. Chuyển động quay được truyền bởi lực đẩy của xy-lanh, một đầu xy-lanh được bắt vào trục đứng thân của tay máy, đầu còn lại được bắt vào
thân của ống Inox khâu tứ 3 (tịnh tiến). Góc quay của khâu 2 chúng em đặt là 00 -900.
Khâu tịnh tiến 3: chúng em sử dụng xy-lanh khí nén để truyền động tịnh tiến
cho khâu thứ 3 của tay máy. Khâu này gồm 2 ống Inox lồng khít vào nhau sao cho ống phía ngoài sẽ dùng để gắn chặt xy-lanh lên nó, còn ống thứ 2 được bắt chặt vào cần xy- lanh. Ống ngoài dài 23cm, dày 0.2mm, đường kính 25mm. Ống trong dài 22cmm, dày 0.2mm, đường kính 23mm. Phía cuối của ống bên thong có khoét lỗ để đưa ống dẫn khí của khâu tác động cuối qua. Hình ảnh thiết kế:
Như vậy khoảng tịnh tiến của khâu thứ 3 này phụ thuộc vào chiều dài của cần pittong xy-lanh, ở đây xy-lanh đã chọn có chiều dài cần là 10cm.
Khâu tác động cuối cùng (tay gắp vật): bản thân tay gắp là 1 xy-lanh khí nén
được thiết kế sao cho khi cần xy-lanh đi ra thì tay gắp sẽ kẹp lại, còn khi cần xy-lanh đi vào thì tay gắp sẽ mở ra. Cơ cấu kẹp được thiết kế bằng nhôm để giản khối lượng cho tay máy cũng như lực tác động của khâu thứ 3 và khâu cuối lên xy-lanh đẩy của khâu 2.
6.2 Thiết kế modul điều khiển
6.2.1 Modul mạch điều khiển động cơ bước6.2.1.1 Khối mạch tạo xung 6.2.1.1 Khối mạch tạo xung
a.NE555
Như chúng ta đã biết,động cơ bước làm việc được là nhờ có bộ chuyển mạch điện tử đưa các tín hiệu điều khiển vào stato theo một thứ tự với một tần số nhất định. Chính vì vậy, ta cần phải tạo xung để điều khiển động cơ bước. Ở đây sử dụng NE555 để tạo xung.
Các giá trị đặc trưng của NE555:
NE555 có thể tạo ra xung với tần số cực đại lên tới hơn 500kHZ. Điện áp nguồn từ 4.5 – 18V.
Điện áp đầu ra mức cao từ 2,75 – 3,3V với điều kiện: VCC = +5V, I0(Source) = 100mA..
Chức năng:
Mạch tạo xung sử dụng NE555 như hình vẽ có thể tạo ra xung vuông với các giá trị: +Vcc R A R B C ton 0,69.(RA RB ).C toff R 0,1u F 15 4 7 65553 2 8
0,69.RB .C
Điện áp ở ngõ ra chân 3 có dạng hình vuông với chu kỳ là:
Tần số của tín hiệu xung vuông này là: f 1 T 1 0,69.(RA 2.RB ).C
b.Rơle điều khiển đóng ngắt cấp xung
Rơle là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Rơle là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực.