II. cảm biến
1. Giới thiệu chung
Cảm biến - sensor xuất phát từ chữ sense theo nghĩa la tinh là cảm nhận. Cảm biến đợc định nghĩa nh là một thiết bị dùng để đo lờng biến đổi các đại lợng vật lý và các đại lợng không điện, cần đo thành các đại lợng điện có thể đo đợc (nh dòng điện,điện thế điện dung,trở kháng…). Nó chính là một thành phần quan trọng nhất trong một thiết bị đo hay trong một hệ điều khiển tự động. Cảm biến đôi khi chỉ là các trang bị đơn giản dạng nh công tắc mini, các công tắc hành trình, các thanh lỡng kim (bimetal). Giờ đây không có một lĩnh vực nào mà trong đó lại không có sự có mặt của cảm biến. Chúng có mặt trong những hệ thống tự động phức tạp, nguời máy, kiểm tra chất lợng sản phẩm, tiết kiệm năng lợng, chống ô nhiễm môi trờng. Cảm biến cũng đợc ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh
76
vực khác nh giao thông vận tải, hàng tiêu dùng, bảo quản thực phẩm, ô tô, trò chơi điện tử…
Đối với ngời sử dụng, việc nắm đợc nguyên lý cấu tạo và các đặc tính cơ bản của cảm biến là điều kiện tiên quyết để đảm bảo sự vận hành tốt của hệ thống tự động. Trong các hệ thống vật lý, các đại lợng điều khiển rất đa dạng, do vậy các loại cảm biến cũng rất phong phú.
Trong Robot công nghiệp, 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 trờng, đối tợng mà Robot phục vụ. Theo phạm vi ứng dụng có nhiều loại cảm biến đợc sử dụng trong Robot nhng ta có thể phân ra thành từng loại cụ thể nh sau. - Cảm biến nội tín hiệu (internal sensor) đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động trong các bộ phận quan trọng của Robot. Các thông tin này là những tín hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động rô bốt.
- Cảm biến ngoại tín hiệu (external sensor) cung cấp thông tin về đối tác và môi trờng làm việc phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc thao tác trong không gian làm việc. Để làm đợc việc đó, cần có các loại cảm biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “ Xúc giác” và cảm biến “ thị giác” ... Để thực hiện nhiệm vụ các loại cảm biến nội tín hiệu và ngoại tín hiệu nói trên, có thể dùng nhiều kiểu cảm biến thông dụng hoặc chuyên dụng. Các kiểu cảm biến thông dụng không chỉ dùng cho kỹ thuật Robot mà còn dùng nhiều trong các thiết bị kỹ thuật khác. Có nhiều tài liệu kỹ thuật về các kiểu cảm biến này.
Tuỳ theo các dạng tín hiệu cần nhận biết mà phân thành các kiểu cảm biến khác nhau: Cảm biến lực, vận tốc, gia tốc, vị trí, áp suất, lu lợng, nhiệt độ...
Tuỳ theo cách thức nhận tín hiệu lại phân ra các kiểu khác nhau. Ví dụ: cũng là cảm biến vị trí nhng có kiểu cảm ứng, kiểu điện dung, kiểu điện trở, kiểu điện quang... Dới đây là một số loại cảm biến thông dụng thờng thấy trên các Robot.
77
1.1. Cảm biến tín hiệu gần:
Trong kỹ thuật ngời máy thờng dùng các cảm biến tín hiệu gần để xác định sự có mặt của đối tợng trong phạm vi không gian ngay sát vị trí thao tác để kẹp vật hoặc di chuyển vòng qua chớng ngại vật...
Trong Robot thờng sử dụng một số cảm biến chủ yếu sau đây:
- Cảm biến từ cảm: Hoạt động dựa trên nguyên tắc thay đổi độ từ cảm khi thay đổi cự ly giữa các vật thể kim loại và cảm biến.
Cấu tạo của cảm biến tự cảm này gồm một cuộn cảm đặt sau nam châm vĩnh cửu nằm trong thân vỏ với phần cách điện và đầu nối. Khi đặt cảm biến gắn với vật thể nhiễm từ thì các đờng sức từ sẽ thay đổi và khi có chuyển động tơng đối của chúng trong từ trờng thì dòng điện cảm trong cuộn dây sẽ thay đổi cờng độ, biên độ và tần số tỷ lệ với mức thay đổi từ trờng.
Nh vậy, để nhận đợc tín hiệu ra từ cảm biến loại này cần có sự chuyển động tơng đối giữa cảm biến và đối tợng. Thông thờng trong kỹ thuật Robot, khi dùng cảm biến tín hiệu gần chỉ cần tín hiệu ngỡng không liên tục. Có thể nhận đợc tín hiệu này bằng cách tích phân tín hiệu ra.
- Cảm biến Hall: Hoạt động dựa trên nguyên tắc của hiệu ứng Hall. Nh
trong vật lý đã biết hiệu ứng Hall liên hệ giữa điện thế hai đầu dây dẫn (hoặc bán dẫn) với từ trờng. Nếu sử dụng cảm biến Hall này cùng với một nam châm vĩnh cữu, chúng sẽ nhận biết đợc sự có mặt của các vật thể nhiễm từ đặt sát bên cạnh.
- Cảm biến điện dung: Khác với các loại cảm biến từ cảm biến từ cảm và
cảm biến Hall là chỉ có thể nhận dạng các vật thể nhiễm từ, cảm biến điện dung phát hiện đợc tất cả các loại vật liệu rắn cũng nh lỏng. Cảm biến này hoạt động theo nguyên tắc nhận biết các vật thể qua sự biến đổi của điện dung phụ thuộc vào khoảng cách tới vật đó. Có nhiều phơng pháp nhận biết tín hiệu gần bằng các cảm biến điện dung. Đơn giản nhất là dùng bản tụ của cảm biến có thể dùng khi điện dung vợt qua một giá trị ngỡng nào đó. Dao động chuyển thành tín hiệu điện ở đầu ra. Cách phức tạp hơn là dùng phân từ điện dung luôn luôn có dao động hình sin.
78
Khi điện dung thay đổi sẽ xuất hiện lệch pha. Đo lệch pha này tỷ lệ với điện dung cần nhận biết.
Cảm biến siêu âm: Các loại cảm biến giới thiệu ở trên đều phụ thuộc vào
vật liệu của vật thể đợc đo. Mức độ phụ thuộc này có thể giảm đi nhiều khi dùng cảm biến siêu âm.
1.2. Cảm biến tín hiệu xa.
Trong kỹ thuật ngòi máy cũng thờng trang bị các cảm biến tín hiệu xa để xác định khoảng cách từ chỗ lắp đặt cảm biến đến đối tợng. Khoảng cách có thể đo đợc theo thời gian phát đi và nhận lại của tín hiệu dùng để dẫn đờng cho ngời máy, giúp nó xác định các vị trí, hình thể của đối tợng và tìm cách tránh các chớng ngại vật. Dới đây giới thiệu một vài phơng pháp nhận tín hiệu xa.
- Đo tam giác là phơng pháp đơn giản đo tín hiệu xa. Đối tợng đo đợc chiếu sáng bằng một chùm tia của nguồn sáng, chùm tia này tác động vào bề mặt của đối tợng và phản xạ vào đầu thu. Nh vậy có thể xác định khoảng cách D từ quan hệ kích thớc của tam giác đó, hình 20.
- Đo khoảng cách theo thời gian truyền tín hiệu:
+ Cách thứ nhất là xung ánh sáng chiếu tới và phản lại cùng dọc theo một đ- ờng. Khi đó khoảng cách đến bề mặt đối tợng đợc tính theo công thức: D= c xT/2, với T là thời gian truyền tín hiệu, c tốc độ ánh sáng. Hệ thống dùng xung lade có thể thu đợc đồng thời tín hiệu hai chiều tỷ lệ với khoảng cách, nên tạo ra ảnh của đối tợng.
+ Cách thứ hai là dùng tín hiệu tia lade:
Trong cách thứ hai thay tín hiệu xung ánh sáng bằng tia lade liên tục và khoảng cách đợc tính toán qua độ lệch pha giữa tia tới và tia phản hồi.
Giả thiết các tia lade với bớc λđợc tách thành hai tia: một tia hớng về thiết bị đo pha (P) đặt cách khoảng L, còn tia kia chiếu vào bề mặt đối tợng đặt cánh khoảng D. Nh vậy quãng đờng tổng cộng chiếu tới và phản hồi từ bề mặt đối tợng D’= L + 2D. D= 0 thì D’= L và lúc đó hai tia tới thiết bị đo pha cùng một lúc. Hai
79
tia này sẽ càng lệch pha nhau (hình ...) nếu D càng tăng lên. Trong trờng hợp này ta có:
D’= L θ λ
360 với θ - Độ lệch pha .
Để tách biệt đợc hai tia, tức là để hai sóng không trùng nhau thì .
θ< 360 hoặc 2D < λ
Từ hai biểu thức trên suy ra:
D=
2 360
λ θ
Vậy có thể xác định khoảng cách qua độ lêch pha (θ) nếu đã biết bớc sóng (λ)
+ Một phơng pháp điển hình khác để đo khoảng cách theo thời gian truyền tín hiệu là phơng pháp siêu âm. ý tởng cơ bản của phơng pháp này cũng tơng tự nh trong phơng pháp dùng tín hiệu xung lade.
Tín hiệu siêu âm đợc truyền đi trong một khoảng thời gian ngắn và vận tốc truyền âm trong môi trờng coi nh đã biết. Qua việc tính toán quãng thời gian giữa tín hiệu truyền tới và tín hiệu phản hồi sẽ đánh giá đợc khoảng cách đến bề mặt đối tợng đo.
2. Các loại cảm biến trong Robot Hamo
Các cảm biến đợc sử dụng trong Robot HARMO là các cảm biến điện từ. Với nguyên lý hoạt động: Khi cảm biến đối diện với các vật có từ tính sẽ gây ra hiện tợng thông mạch và trên đờng tín hiệu ra có một điện áp ở mức 24V, và đa về bộ điều khiển dới dạng xung điện này. Sau khi nhận đợc tín hiệu từ các cảm biến bộ điều khiển sẽ có tín hiệu điều khiển tơng ứng với các hoạt động của Robot.
Trên trục X của Robot sử dụng 2 cảm biến Cb1 và Cb2 nhận biết vị trí Home và vị trí xa nhất của Robot.
Trên trục Y của Robot sử dụng 2 công tắc từ loại PS 3250 để nhận biết vị trí Home và vị trí xa nhất của tay máy.
80
Trên trục Z cũng sử dụng 2 cảm biến Cb3 và Cb4 nhận biết vị trí trên và vị trí dới của bàn kẹp.
Tại khớp cổ tay ta bố trí 2 cảm biến Cb5 và Cb6 nhận biết vị trí Horizontal và vertical của bàn kẹp.
Tại má kẹp bố trí công tắc giới hạn hành trình S nhận biết Robot đã kẹp đợc chi tiết hay cha.
Mỗi cảm biến đợc sử dụng có 3 dây. Hai dây cung cấp nguồn (Brown và Blue) điện áp 24V, dây còn lại (Black) ở mức 0V là dây tín hiệu. Khi cảm biến đối diện với các vật có từ tính ở một khoảng cách nhất định, mạch điện áp đóng với điện áp 24V. Và ở đầu dây tín hiệu sẽ có điện áp 24V. Riêng công tắc từ chỉ có 2 đầu dây, một đầu nối với nguồn có điện áp 24V và một đầu nối với bộ điều khiển. Khi công tắc đối diện với các vật có từ tính thì nó sẽ đóng mạch và đầu dây nối với bộ điều khiển sẽ có điện áp bằng với điện áp của nguồn cung cấp.
Sau đây là sơ đồ cấu trúc của cảm biến điện từ.
Main circuit Blue Black 0V Brown Lo ad 24V
Hình 4–15: Sơ đồ cấu trúc cảm biến điện từ.
81
Hình 4-16. Các công tắc và cảm biến trên tay kẹp
III. Bộ biến tần Inverter.
Động cơ điện ba pha trong hệ thống này cần điều khiển một số các yếu tố nh sau:
+ Chiều của động cơ, bao gồm: chiều thuận (là chiều làm cho cơ cấu chuyển động theo chiều dơng trục X), và chiều nghịch (là chiều làm cho cơ cấu chuyển động theo chiều âm trục X).
+ Tốc độ của động cơ, ở đây chỉ yêu cầu điều khiển hai tốc độ: một tốc độ nhanh để công tác, một tốc độ chậm đợc dùng trớc khi phanh dừng động cơ.
Động cơ ba pha đợc điều chỉnh tốc độ quay bằng cách thay đổi tần số dòng điện đầu vào. ứng với một tần số của dòng điện vào sẽ có một tốc độ của động cơ. Chiều quay của động cơ đợc điều chỉnh bằng cách thay đổi các đầu nối dây của động cơ với nguồn.
Trớc đây việc thay đổi và điều khiển tốc độ của động cơ điện xoay chiều ba pha là một vấn đề khó khăn nhng đến nay với khoa học công nghệ phát triển thì điều đó không còn là vấn đề nữa.
Để điều khiển động cơ một cách dễ dàng, ta sử
dụng một thiết bị có tên gọi là INVERTER hay còn gọi là bộ biến tần. Lựa chọn một bộ INVERTER phù hợp cần
phải căn cứ vào các thông số kỹ thuật của động cơ nh:
82
công suất, dải tần làm việc, điện áp định mức, ….Động cơ đang sử dụng có các thông số kỹ thuật nh sau:
GEARED MOTOR (MITSUBISHI)
0,2KW 3 phase Volt 200 200 220 Hz 50 60 60 AMP 1.3 1.15 1.15 RPM 150 180 180 GEAR RATIO 1:10
Trong motor đợc tích hợp hệ thống phanh hãm để dừng động cơ đúng vị trí cần thiết.
Dựa vào các thông số kỹ thuật của động cơ nhận thấy: động cơ sử dụng nguồn điện 3 pha 220V, cờng độ dòng điện sử dụng: 1,15ữ1,3A, công suất động cơ 0,2Kw. Sau khi tính toán, tìm hiểu các loại biến tần ba pha, chọn INVERTER của hãng OMRON (một hãng rất phong phú về các thiết bị điều khiển) có model: 3G3MV-A2007 với các thông số:
Input : AC3PH 200-230V 50/60Hz 3.9A
Output: AC3PH 0-230V 0-400Hz 3A 1.1KVA
INVERTER model 3G3MV-A2007 có các đầu nối dây tiêu chuẩn sử dụng nh sơ đồ:
83
Hình 5-4: Các đầu dây tiêu chuẩn của INVERTER
Trong số đó chúng ta chỉ sử dụng một số đầu nối phục vụ cho mục đích của chúng ta nh sau:
+ 3 đầu nối nguồn vào 3pha - 220V (R/L1,S/L2,T/L3)
+ 3 đầu điện áp ra 3pha - 220V (U/T1,V/T2,W/T3) nối với động cơ
+ Hai đầu B1, B2 nối với điện trở phanh. + Các đầu vào đa chức năng S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 và đầu vào chung logic trình tự
84
SC. Các đầu vào đa chức năng này sẽ đợc đặt làm các đầu điều khiển chiều quay và tốc độ.
Hình 5-5: Sơ đồ nối dây INVERTER điều khiển động cơ
ở đây chúng ta chỉ sử dụng một số đầu vào đa chức năng để làm tín hiệu điều khiển:
- S1 làm tín hiệu quay ngợc (Revert) - S2 làm tín hiệu quay thuận (Forward)
- S7 làm tín hiệu tốc độ chậm (Slow speed) (tín hiệu này phải đợc kết hợp với S1 hoặc S2)
+ Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MA (thờng mở) + Đầu ra tiếp điểm đa chức năng MB (thờng đóng)
+ Đầu ra chung tiếp điểm đa chức năng MC (chung cho MA và MB)
Phanh động cơ (Brake) sử dụng điện 220VAC đợc điều khiển thông qua một rơle 24VDC. Rơle này đợc nối với đầu ra tiếp điểm đa chức năng nh sơ đồ hình 3-11
Phanh động cơ có trạng thái hoạt động nh sau:
85
+ Khi không có điện áp vào thì phanh động cơ ở trạng thái phanh (dừng động cơ).
+ Khi có điện áp vào thì phanh động cơ ở trạng thái nhả phanh (cho phép động cơ chạy).
f) Tổng kết các tín hiệu điều khiển.
+ 3 tín hiệu điều khiển INVERTER kí hiệu : S1, S2, S7 + 1 tín hiệu điều khiển pitton trục Y kí hiệu : PY
+ 1 tín hiệu điều khiển pitton trục Z kí hiệu : PZ
+ 2 tín hiệu điều khiển pitton quay kí hiệu : P(Up), P(Dn) + 1 tín hiệu điều khiển pitton kẹp kí hiệu : Pk
Nh vậy tổng cộng có 8 tín hiệu điều khiển.
Iv. Điều khiển PLC
Giới thiệu chung.
Sự tiến bộ của khoa học công nghệ trong những năm gần đây đã dẫn đến sự phát triển thiết bị điều khiển logic khả lập trình_PLC, và tạo ra một cuộc cách mạng trong lĩnh vực kỹ thuật điều khiển.
PLC ( Programmable Logical Controller ) là bộ điều khiển logic khả lập trình, nó cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic, thông qua ngôn ngữ lập trình. ở đây ngời dùng có thể lập trình một cách linh động để điều khiển các thiết bị ra nh mong muốn, dựa trên tác động của tín hiệu vào. Sau khi chơng trình đợc lập xong ta có thể lu vào bộ nhớ của PLC và PLC có nhiệm vụ thực hiện chơng trình đó một cách tự động khi có tín hiệu đầu vào thích ứng.
PLC là một thiết bị điều khiển đặc biệt dựa trên bộ vi xử lý (microprocessor) sử dụng bộ nhớ lập trình đợc để lu trữ và thực hiện các chức năng nh phép tính logic, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình.