Hình 3.1: Sơ đồ hệ thống phân loại Qrcode
Hình 3.2: Bản vẽ cơ khí hệ thống phân loại sản phẩm Qrcode • Chú thích:
Hệ thống phân loại sản phẩm Qrcode Hệ thống cảm biến Cảm biến tiệm cận Hệ thống truyền động Băng tải
Bộ điều khiển trung tâm Bộ điều khiển PLC Hệ thống chấp hành Tay gắp khí nén, Động cơ Hệ thống giám sát Wincc
1. Bộ phận tay gắp sản phẩm 4. Cảm biến tiệm cận 7. Động cơ băng tải 2. Bộ phận camera 5. Thùng đựng 8. Nguồn Switch 3. Băng tải 6. PLC S7-1200 9. Sản phẩm mẫu ❖ Nguyên lý hoạt động của hệ thống
Khi cấp nguồn cho hệ thống và cấp khí nén cho tay gắp robot, ấn Reset hệ thống trở về trạng thái ban đầu. Ấn nút START hệ thống bắt đầu hoạt động. Động cơ chạy ổn định, khi cảm biến tiệm cận ở đầu băng tải phát hiện đã có sản phẩm, băng tải bắt đầu chạy. Khi sản phẩm vào khu vực phân loại, cảm biến tiệm cận gắn ở cuối băng tải sẽ phát hiện được sản phẩm tới khu vực phân loại, băng tải dừng lại. Tại khu vực phân loại bố trí webcam để nhận dạng mã QR code trên sản phẩm.
Hệ thống hoạt động ở hai chế độ:
- Ở chế độ manual người dùng thao tác điều khiển cơ cấu tay máy thông qua nút nhấn trên giao diện wincc.
- Ở chế độ auto, khi nhận dạng được mã QR trên sản phẩm chương trình nhận dạng tự động gửi tín hiệu phân loại đến PLC để điều khiển cơ cấu phân loại (tay gắp robot). Các trạng thái vận hành của hệ thống được giám sát trên giao diện Wincc.
Khi nhấn stop hệ thống dừng hoạt động.
3.1.2 Tính tay gắp khí nén
Một tay gắp khí nén gồm ba bậc tự do ( quay, tịnh tiến, tịnh tiến) được sử dụng để phân loại các sản phẩm có mã Qrcode khác nhau ( Hình 3.1).
Hình 3.3: Tay gắp khí nén ❖ Tính toán lực kẹp robot
Dùng hệ thống khí nén trong hệ thống truyền dẫn động robot có nhiều thuận lợi. Vì hầu như các phân xưởng, nhà máy, khu công nghiệp đều có mạng lưới khí nén, cho nên việc dùng hệ thống khí nén làm hệ thống dẫn động cho tay gắp, tay kẹp cho các robot là điều mà rất nhiều đề tài, mô hình về tay máy robot công nghiệp đã và đang sử dụng, bởi vì ưu điểm của hệ thống dẫn động khí nén là gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ đảo chiều, ít nhạy với nhiệt độ khi làm việc. Tuy nhiên bên cạnh các ưu điểm mà chúng ta dễ nhận thấy thì hệ thống khí nén cũng có không ít nhược điểm, trước tiên là chất khí chuyển động thường sinh ra các dao động điều này gây nên sự không chính xác cho các tay gắp robot, khi làm việc hệ thống khí nén rất ồn. Chính bởi sự phổ biến của các đề tài, các tài liệu, mô hình đồ án về robot trước đó nhóm đã lựa chọn thiết kế tay kẹp robot của mình bằng hệ thống dẫn động khí nén.
- Tính toán lực kẹp robot:
Phôi có kích thước 50 mm × 50 mm × 50 mm. Với thể tích phôi: V= 5 × 5 × 5 = 125 cm3 .
Chúng ta có khối lượng riêng của nhựa là: 2 (g/ cm3).
Từ đó chúng ta tính được khối lượng thật của phôi: mp = 125× 2= 250 (g) = 0,25 (kg)
Hình 3.4: Các lực tác động khi kẹp phôi Yêu kỹ thuật của tay kẹp cần thiết kế:
- Khối lượng phôi cần kẹp: m= 0,25 kg.
- Kiểu kẹp: Song song, hai má kẹp tác động cùng một lúc.
- Hệ số ma sát: μ= 0,4 là hệ số ma sát trượt giữa thép và nhựa teflon. • Tính toán lựa chọn tay kẹp
Theo định luật II Newton, ta có:
P
⃗⃗ + F⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗ ms =ma⃗ .
Chiếu lên phương thẳng đứng có chiều dương hướng xuống: P - 2Fms = 0.
Với:
- P là trọng lượng của phôi, P = m.g.
- g là gia tốc trọng trường, chọn g = 9,8 m/s2.
- N1 là lực kẹp của má động kẹp của xy lanh tay kẹp. - N2 là phản lực của má tĩnh lên phôi.
• Theo định luật III Newton ta có : N1 = N2 = N.
Fms là lực ma sát giữa các má kẹp của tay gắp với phôi, Fms = μ.N. a là gia tốc, a= 0 m/s2..
Hệ số ma sát trượt μ = 0,4. Từ đó chúng ta tính được:
P = 2Fms. mg= 2 μ.N. Từ đó chúng ta tính được lực kẹp của tay kẹp:
N = mg
2μ = 0,25.9,8
2.0,4 = 3,06 (N).
Theo khuyến nghị của công ty chuyên về điều khiển khí nén hàng đầu thế giới SMC biên độ an toàn của a= 4 cho phép tác động xảy ra trong khi vận chuyển bình thường. Do đó lực kẹp cần thiết là: F = a.N = 4.3,06 = 12,24 (N). Do đó phải chọn tay kẹp có lực kẹp: ≥ 12,24 (N). • Lựa chọn tay kẹp khí nén MHZ2-16D Hình 3.5: Tay kẹp khí nén MHZ2-16D • Thông số kỹ thuật
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của tay kẹp khí nén MHZ2-16D
Thương hiệu SMC
Đường kính xylanh 16 mm
Lực kẹp mạnh nhất 30N
Nhiệt độ lưu chất -10 – 60 độ C
Cổng ren cấp khí M5 x 0.8
Tần suất hoạt động 180c.p.m (180 lần đóng mở kẹp mỗi phút)
b) Tính chọn xylanh cho tay gắp robot [4]
Giả sử lựa chọn xylanh để thỏa mãn các thông số đầu vào sau: Hành trình xylanh L=125mm
Tải trong đáp ứng là: 15(N) Khi đó:
- Áp suất khí nén của các máy nén khí thông dụng là:p = 1bar =105 (N/𝑚2) - Tải trọng cần đáp ứng là: 13N - Chọn đường kính xylanh: D ≥ D = √4F pπ = √ 4.13 105π = 0,012 (m) = 12 (mm). Suy ra lựa chọn: - Xylanh có đường kính D là 16 mm. - Hành trình xylanh là 125 mm.
Ta lựa chọn xylanh Airtrac TN 16x125s
• Thông số kỹ thuật
Bảng 3.2: Bảng thông số kỹ thuật xyloanh Airtrac TN16x125s
Đường kính trong piston 16 mm
Đường kính cần 8 mm
Chiều dài hành trình 125 mm
Áp suất hoạt động 0.1~1 MPa (14~145 Psi)
Kích thước cổng M5x0.8
Vận tốc 30~500 mm/s
Lưu chất Khí
Nhiệt độ hoạt động cho phép -20~700C
3.1.3 Tính toán thông số băng tải
Hình 3.7: Băng tải phân loại sản phẩm ❖ Các thông số đầu vào của băng tải:
- Chiều dài băng tải: L = 740 mm - Chiều rộng băng tải: 𝑊 = 100 𝑚𝑚
- Chiều dài hình học của đai: L G = 1,525 mm - Chiều dày đai H = 3 mm
- Thống số hình học của sản phẩm: 50 x 50 x 30 mm ( dài x rộng x cao ) - Khối lượng con lăn: 𝑚𝑅 = 0,057(𝑘𝑔).
Theo thiết kế, hệ thống phân loại từng sản phẩm một. Quãng đường ngắn nhất để sản phẩm từ đầu băng chuyền đến được vị trí phân loại (theo thiết kế) để tay gắp phân loại là ℎ = 630 𝑚𝑚, năng suất tối đa 4 sản phẩm/phút. Trong 1 phút băng tải đi được một quãng đường:
𝑆 = ℎ. 𝑁 = 630.4 = 2520 (𝑚𝑚) (3.2) Vận tốc băng tải là: 𝑣 =𝑆
𝑡 =2520
60 = 42 (𝑚𝑚/𝑠) a) Tính lực kéo tối đa [3]
Khối lượng sản phẩm: m =0,25kg Khối lượng của dây đai:
𝑚đ = 𝐷. 𝐿𝐺. 𝑏 = 2,2.1,525. 0,003 = 0,0101(𝑘𝑔) = 10,1(𝑔) (3.3) Trong đó: D là khối lượng riêng của chất liệu làm đai (đơn vị 𝑘𝑔 𝑚⁄ 2)
Lực kéo có ích:
𝐹𝑈 = 𝜇𝑅. 𝑔. ( 𝑚 + 𝑚đ + 𝑚𝑅) = 0,33.9,8. (0,1 + 0,0101 + 0,5 ) (3.4) = 1,97 (𝑁)
Trong đó: 𝜇𝑅 là hệ số ma sát (0,33)
g là gia tốc trong trường (đơn vị 𝑚 𝑠⁄ 2)
Lực kéo tối đa 𝐹1 = 𝐹𝑈. 𝐶1 trong đó 𝐶1 là hệ số áp dụng cho các tang và con lăn, tra bảng hệ số này theo góc nối ta chọn C1 = 1,6.
Suy ra: 𝐹1 = 𝐹𝑈. 𝐶1 = 1,97. 1,6 = 3,15 (𝑁) (3.5)
3.1.4 Tính chọn động cơ băng tải a) Tính chọn động cơ a) Tính chọn động cơ
Công suất động cơ truyền động băng tải tính theo công thức sau: [2]
𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡
Trong đó:
𝑃𝑐𝑡 là công suất trên trục động cơ
𝑃𝑡 là công suất tính toán trên trục máy công tác
𝜂 là hiệu suất truyền động hệ thống Tính 𝑃𝑡
Vì trong quá trình vận chuyển phôi, tải trọng của băng tải không đổi
⇒ 𝑃𝑡 = 𝑃𝑙𝑣
Trong đó: 𝑃𝑙𝑣là công suất làm việc trên trục máy công tác
Băng tải làm việc theo nguyên lý truyền chuyển động dùng lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý bộ truyền đại dẹt. Xét tại thời điểm băng tải đang vận chuyển phôi có khối lượng lớn nhất, có sơ đồ tác động như sau:
Hình 3.8: Lực tác dụng lên băng tải Trong đó:
𝑃𝑚𝑎𝑥: Trọng lượng của phôi lớn nhất trên băng tải
𝐹𝑐: Lực căng băng tải S: Lực liên kết
Giả sử băng tải trên bị võng đi 1 góc . Ta có phương trình:
{𝑆. sin 𝜃 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 2 𝑆. cos 𝜃 = 𝐹𝑐 ⇒ 𝐹𝑐 = 𝑃𝑚𝑎𝑥 2 tan 𝜃 (3.7) ⇒ 𝐹𝑘 = 𝐹𝑚𝑠 = 𝐹𝑐. 𝜇 = 𝑃𝑚𝑎𝑥. 𝜇 2 tan 𝜃
Trong đó: 𝜇 là hệ số ma sát giữa con lăn và băng tải 𝐹𝑘 là lực khéo 𝐹𝑚𝑠 là lực ma sát băng tải 𝑃𝑙𝑣 = 𝐹𝑘. 𝑣 = 𝑃𝑚𝑎𝑥.𝜇.𝑣 2 tan 𝜃 (3.8) Thay số: 𝑃𝑚𝑎𝑥 = 𝑛. 𝑚𝑚𝑎𝑥. 𝑔 = 1.0,25.10 = 2,5(𝑁)
Hệ số ma sát giữa con lăn và mặt tiếp xúc bằng cao su của băng tải lấy
𝜇 = 0.35
Do tải trọng không thay đổi nên theo công thức nên theo công thức (2.11) trong tập “ thiết kế hệ dẫn động cơ khí tập 1”
Vì băng tải kích thước bé, chịu tải trọng thấp nên góc võng là không đáng kể, có kích thước lớn nhất: 𝜃 = 0,5° Ta có : 𝑃𝑙𝑣 = 𝑃𝑚𝑎𝑥. 𝜇. 𝑣 1000.2 tan 𝜃 = 2,5.0,35.0.042 2 tan 0.5 ≈ 2,1. 10 −3(𝑘𝑊)
Vì băng tải hoạt động không thông qua một bộ bánh đai và một cặp ổ lăn nên
𝜂 = 1. ⇒ 𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡 𝜂 = 𝑃𝑙𝑣 𝜂 = 2,1. 10−3 1 = 2,1. 10 −3(𝑘𝑊) ❖ Tính momen
Do động cơ được gắn vào trục rulo của băng tải lên tốc độ vòng quay bằng với vận tốc của băng tải: 𝑛 = 𝑉 = 42. 10−3(m/s) = 16 (v/p)
T = 9,55. P n =
9,55.2,1. 10−3
16 = 0,013 (N. m) = 0,13 kg. fcm
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, cần phải chọn công suất của động cơ 𝑃𝑑𝑐 ≥ 𝑃𝑐𝑡
Hình 3.9:Động cơ DC giảm tốc có chổi than GA 25 • Thông số sản phẩm
Bảng 3.3: Bảng thông số động cơ DC giảm tốc có chổi than GA 25 Khoảng điện áp sử dụng 6-24Vdc Điện áp chỉ định 12VDC Đường kính động cơ 25mm Đường kính trục 4mm Tốc độ chịu tải 20v/p Tốc độ không tải 25 v/p
Dòng không tải 46mA
Dòng có tải 300mA
Momen 4,2 kg.fcm
Công suất định mức 2.5 W
3.2 Xây dựng thuật toán điều khiển 3.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm 3.2.1 Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm
❖ Hoạt động hệ thống
Bộ điều khiển trung tâm có nhiệm vụ điều khiển toàn bộ hệ thống. Khi cảm biến đầu băng tải phát hiện có sản phẩm, PLC sẽ điều khiển băng tải chạy. Sau đó, khi sản phẩm chạy đến vị trí cảm biến cuối băng tải (cảm biến dừng vật cho camera quét mã),. Tiếp đến, khi đã xác định được mã Qr của sản phẩm, tay gắp
sản phẩm sẽ hoạt động và gắp sản phẩm vào các vị trí đã lập trình sẵn. Từ đây nhóm dự đoán số chân vào ra của hệ thống gồm có: 4 chân vào mang tín hiệu Digital( gồm có: hai nút nhấn start và stop, hai cảm biến tiệm cận ở hai đầu băng tải và 5 chân ra mang tín hiệu Digital ( bốn van điều khiển 4 xylanh và một van điều khiển động cơ).
❖ Bảng địa chỉ STT Tên Địa chỉ Kiểu dữ liệu Chức năng
1 Start %I0.0 Bool Khởi động hệ thống
2 Stop %I0.1 Bool Dừng hệ thống
3 Cảm biến tiện cận 1 %I0.2 Bool
Phát hiện có phôi ở đầu băng tải
4 Cảm biến tiện cận 2 %I0.3 Bool
Phát hiện có phôi ở cuối băng tải
5 Van điện từ K1 %Q0.0 Bool Điều khiển xy lanh quay 6 Van điện từ K2 %Q0.1 Bool Điều khiển xy lanh ra vào 7 Van điện từ K3 %Q0.2 Bool Điều khiển xy lanh lên xuống 8 Van điện từ K4 %Q0.3 Bool
Điều khiển xy lanh tay gắp vật
9 Van điện từ K5 %Q0.4 Bool Điều khiển động cơ ❖ Lựa chọn PLC S7 1200 CPU 1212C AC/DC/RL
Hình 3.10: PLC S7-1200 CPU 1212C AD/DC/RL • Thông số kỹ thuật
Bảng 3.4: Thông số PLC S7-1200 CPU 1212CAC/DC/RL
Mã sản phẩm 6ES7212-1BE40-0XB0
Hãng Siemens
Nguồn 120 – 240VAC ở 47-63 Hz
Điện áp điều khiển 24VDC
Ngõ vào
Kích hoạt mức 1 ở cấp điện áp +24VDC (từ 15VDC – 30VDC)
Ngõ ra Relay
Ngõ địa chỉ 8 DI (ngõ vào số 24 VDC) 6DO(ngõ ra số relay 2A)
Khối lượng 0,378 kg
Kích thước 10,30 x 10,70 x 8,50 cm
Bộ nhớ dữ liệu 75kb
3.2.2 Sơ đồ khối
Hình 3.11: Sơ đồ khối hệ thống
- Khối nguồn: Gồm có nguồn cấp điện cho PLC S7-1200 (220VAC) và nguồn switch(24VDC) cấp nguồn cho động cơ và hai cảm biến tiệm cận.
- Webcam: được kết nối với máy tính dùng để quét và nhận diện mã Qrcode.
- Cảm biến: hai cảm biến tiệm cận ở đầu và cuối băng tải dùng để phát hiện có sản phẩm được đưa vào băng tải và sản phẩm khi ở bị trí tay gắp
- PLC S7-1200: dùng để điều khiển toàn bộ hệ thống
- Động cơ băng tải: dùng để điều khiển băng tải chạy khi phát hiện có sản phẩm vào và dừng băng tải khi tay gắp khí nén thực hiện phân loại
- Pc: máy tính dùng để giám sát hệ thống khi ở chế độ auto và điều khiển hệ thống khi ở chế độ manual, bên cạnh đó còn dùng để kết nối với webcam.
- Tay gắp khí nén: được làm bằng bốn loại xylanh gồm có: một xylanh quay, hai xylanh tịnh tiến, và một tay kẹp khí nén. Có nhiệm vụ gắp và nhả vật vào vị trí đã cho trước.
3.3 Thiết kế hệ thống điện – điện tử 3.3.1 Nguồn cấp điện DC 24V-10A 3.3.1 Nguồn cấp điện DC 24V-10A
Hình 3.12: Nguồn cấp điện DC 24V-10A • Thông số kỹ thuật
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật nguồn cấp điện DC 24V-10A
Điện áp ngõ vào 110/220VAC
Điện áp ngõ ra DC 24V
Dòng ngõ ra 10A
Nhiệt độ làm việc 0 - 80°C
Kích thước 198 x 98 x 42 mm
3.3.2 Lựa chọn cảm biến
Trong đề tài để phát hiện phôi và tay gắp robot di chuyển đến đúng vị trí, tọa độ của phôi thì nhóm đã lựa chọn cảm biến E3F-DS30C4.
Cảm biến vật cản E3F-DS30C4 30cm NPN là loại cảm biến có khả năng phát và thu tia hồng ngoại với khoảng cách xa, ít bị nhiễu do ánh sáng bên ngoài do được thiết kế với kính chống nhiễu. Ngoài ra, được thiết kế với khả năng có thể điều chỉnh được khoảng cách phát hiện bằng một biến trở ở cuối phần thân của cảm biến, tín hiệu ngõ ra NPN thường hở.
Hình 3.13: Cảm biến tiệm cận E3F DS30C4 • Thông số kỹ thuật
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cân E3F DS30C4
Điện áp làm việc 6 - 36VDC
Dòng kích ngõ ra 20mA
Khoảng cách phát hiện 10 – 30 cm( có thể điều chỉnh được qua biến trở)
Kết nối( 3 dây )
Dây màu nâu: 5VDC
Dây màu xanh dương: GND
Dây màu đen: Tín hiệu PNP thường mở
Nhiệt độ hoạt động -40 – 70 độ C
Kích thước 18 x 70 (mm)
Chiều dài dây 70cm
3.3.3 Lựa chọn camera
Đối với một hệ thống xử ảnh thì camera được xem như là con mắt của hệ thống. Để cho hệ thống nhận diện được đúng màu sắc nhận dạng sản phẩm và độ phân giải ảnh đúng yêu cầu đề ra thì em đã chọn Webcam Dahua Z2+ trong đề tài nghiên cứu này.
Hình 3.14: Webcam Dahua Z2+ • Thông số kỹ thuật
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật webcam dahua Z2+
Kích thước( dài x rộng x cao) 79 x 31 x 38,5 (mm).
Độ phân giải 720p HD
Tỉ lệ khung hình 30 fps
Độ phân giải hình ảnh 10MP
Màu sắc Đen
3.3.4 Nút nhấn
Nút nhấn nhả LA38-203 thường được sử dụng nhiều trong các thiết kế tủ điện điều khiển công nghiệp. Nó có chức năng nhấn giữ để đóng tín hiệu hoặc nguồn và có mục đích điều khiển các thiết bị kiểm soát bằng tay. Ở đề tài này