Động cơ bƣớc là một loại động cơ điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thƣờng. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dƣới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết.
1.7.1 Cấu tạo
Động cơ bƣớc có thể đƣợc coi là tổng hợp của hai loại động cơ: động cơ một chiều không tiếp xúc và động cơ đồng bộ giảm tốc công suất nhỏ. Động cơ bƣớc gồm có 2 phần là stator và rotor.
Stator: gồm có hai phần chính là lõi thép và dây quấn Stator. Lõi thép làm bằng các lá thép kỹ thuật điện dập theo khuôn rồi ghép lại dạng hình trụ rỗng, mặt trong có phay rãnh. Trong rãnh là dây quấn máy điện có thể là dây quấn 2 pha , 3 pha .4 pha hoặc 5 pha. Dây quấn Stator đƣợc chia thành nhiều pha dây quấn, mỗi pha có một tổ bối dây, mỗi tổ bối dây có W số vòng dây và đƣợc lồng vào cực từ của Stator.
Rotor: Rotor đƣợc làm bằng vật liệu dẫn từ (sắt non) hoặc nam châm vĩnh cửu. Rotor thƣờng có nhiều cực từ (N-S) xếp xen kẽ với nhau. Loại động cơ bƣớc từ trở biến thiên rotor thƣờng có nhiều răng. Mỗi răng là một cực từ.
Hình 1.18 Cấu tạo động cơ bƣớc.
1.7.2 Nguyên lý hoạt động
Động cơ bƣớc có cơ chế quay khách các động cơ bình thƣờng. Động cơ bƣớc quay theo tƣờng bƣớc nên có độ chính xác về vị trí rất cao. Nhờ các bộ thay đổi mạch
Tổng số góc quay của roto tƣơng ứng với số lần thay đổi mạch, chiều và tốc độ quay của roto phụ thuộc nhiều vào thứ tự chuyển đổi và tần số chuyển đổi.
Hình 1.19 Điều khiển động cơ bƣớc bằng xung 1.8 Cảm biến quang điê ̣n 1.8 Cảm biến quang điê ̣n
Khối cảm biến trong băng chuyền có nhiê ̣m vu ̣ cung cấp các tín hiê ̣u về vi ̣ trí của băng chuyền cho PLC để điều khiển độn g cơ servo và độ ng cơ bƣớc nhằm đƣa băng chuyền đến đúng vi ̣ trí cài đă ̣t tƣ̀ màn hình điều khiển.
1.8.1 Đặc điểm
● Có sẵn bộ khuếch đại rất nhỏ, ngõ ra NPN collector hở ● Có nhiều sự lựa chọn cho vị trí lắp đặt
● Có thể chọn Light ON / Dark ON ● Tần số đáp ứng tốc độ cao : 2kHz
● Dải nguồn cấp rộng : 5 - 24VDC (Dễ dàng kết nối với nhiều loại IC, Relay, Bộ điều khiển có thể lập trình, v.v.)
● Cấu trúc chống bụi : Bảo vệ bởi cửa sổ của bộ phát/Bộ thu ● Chỉ thị trạng thái LED Đỏ
1.8.2 Thông số kỹ thuật
Bảng 2.5 Thông số kỹ thuâ ̣t cảm biến quang
Loại Cảm biến quang điện
Model BS5-K2M
Khoảng cách phát hiện Cố định 5mm
Loại phát hiện Thu phát (không điều biến)
Đối tƣợng phát hiện Các vật mờ đục 0.8 x 1mm
Độ trễ 0.05mm
Nguồn cấp 5 - 24VDC ± 10% (Dao động P-P : Max. 10%)
Dòng điện tiêu thu ̣ Max. 30mA (ở 26.4VDC)
Ngõ ra điều khiển Ngõ ra NPN collector hở Điện áp tải : Max. 30VDC,
Điện áp dƣ : Max. 1.2V
Chế đô ̣ hoa ̣t đô ̣ng Có thể chọn chế độ Light ON / Dark ON bởi đầu nối
điều khiển
Chỉ thị hoạt động LED Đỏ
Thời gian đáp ƣ́ng Ánh sáng thu : Max. 20µs, Ánh sáng ngắt : Max.
100µs
Tần số đáp ƣ́ng 2kHz (Hãy xem dải đo của tần số đáp ứng)
Kết nối Loại giắc cắm
Ánh sáng phát cơ sở LED hồng ngoại (940nm)
Ánh sáng thu cơ sở Photo transistor
Va cha ̣m 500m/s² (50G) trên mỗi phƣơng X, Y, Z trong 3 lần1.
Chấn đô ̣ng 5mm biên độ tần số 10 ~ 55Hz trên mỗi phƣơng X,
Y, Z trong 2 giờ
Độ bền nhiễu ±240V nhiễu sóng vuông (độ rộng xung : 1µs) bởi
nhiễu do máy móc
Độ bền điện môi 1,000VAC 50/60Hz trong 1 phút
Điê ̣n trở cách ly Min. 20MΩ (ở 250VDC mega)
Độ sáng môi trƣờng Đèn huỳnh quang : Max. 1000ℓx
Nhiê ̣t đô ̣ môi trƣờng -20 ~ +55°C (ở trạng thái không đông), Lƣu trữ : -25
~ +85°C
Cấu trúc bảo về IP50 (Tiêu chuẩn IEC)
Vâ ̣t liê ̣u PBT
1.8.3 Sơ đồ ngõ ra điều khiển
Hình 1.20 Sơ đồ điều khiển ngõ ra
Có ZD (Zener Diode) thu hút đột biến điện ở mạch ngõ ra, kết nối diode thu hút đột biến điện ở cả hai đầu nối tải để bảo vệ thiết bị khi kết nối tải cảm ứng lớn.
Nếu có đột biến điện ở đƣờng dây nguồn, kết nối ZD (30 đến 35V) hoặc Tụ điện (0.1 đến 1µF/400 đến 600V) để loại bỏ sự đột biến điện.
Chọn chế độ hoạt động : Kết nối đầu nối điều khiển (C) vào đầu nối +V(+) để hoạt động chế độ Light ON. Chế độ Dark ON có hiệu lực với trạng thái không kết nối. Hãy kết nối một tụ điện (0.1 ~ 1µF/50V) giữa đầu nối +V(+) và 0V cho trạng thái ổn định trong trƣờng hợp chế độ Light ON.
Hình 1.21 Sơ đồ kết nối
CHƢƠNG 2: CẤU TRÚC PHẦN CỨNG CỦA HỆ THỐNG 2.1 Giới thiệu về băng chuyền 2.1 Giới thiệu về băng chuyền
Trong ngành công nghiệp sản xuất hiện nay băng truyền đƣợc sử dụng rất rộng dãi, các dây chuyền đóng bao bì, dây chuyền chai lo.. tuy nhiên trong sản xuất mạch in băng chuyền đƣợc sử dụng với hai mục đích cụ thể:
Kết hợp hoặc tách sản phẩm mạch in trong sản xuất mạch in nhằm đạt hiệu và năng suất cao trong sản xuất mạch in.
Có thể kết hợp với máy kiểm tra mạch in tự động để phân loại các mạch in bị lỗi hoặc không bị lỗi và đƣa các mạch in lỗi về phân vùng sửa chữa hoặc loại bỏ.
Sơ đồ nguyên lý vận hành các chức năng của dây chuyền:
Hình 2.1 Nguyên lý ghép dòng mạch in
PCB
Sản phẩm
Máy kiểm
tra lỗi Máy hàn linh kiện PCB
Máy kiểm
tra lỗi Máy hàn linh kiện
Hình 2.2 Nguyên lý kiểm tra lỗi mạch in
2.2 Sơ đồ khối phần cứng hệ thống dây chuyền phân loại mạch in
Trong công nghiệp sản xuất mạch in điện tử hiện nay băng chuyền đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển và phân loại mạch in PCB. Băng chuyền hoạt động kết hợp với các thành phần khác của dây chuyền sản xuất mạch in nhƣ: Thiết bị đếm số lƣợng mạch in, máy kiểm tra lỗi mạch in hay máy hàn linh kiện. Khi có tín hiệu báo lỗi từ máy kiểm tra lỗi báo hiệu mạch in bị lỗi thì băng chuyền di chuyển mạch in đến vị trí loại bỏ hoặc quay lại quá trình đầu. Nếu máy báo không có lỗi thì mạch in đƣợc chuyển đến bƣớc tiếp theo để lắp ráp hoặc tieps tục quá trình.
Hình 2.3 Sơ đồ điều khiển của băng chuyền
Máy kiểm
tra lỗi Máy hàn linh kiện PCB Băng chuyền Loại Tốt Mạch lỗi Sản phẩm PCB
Trong dây chuyền sản xuất mạch in, PLC Panasonic FP0R là trái tin của hệ thống. PLC thực hiện các nhiệm vụ: gửi tín hiệu điều khiển đến cho cơ cấu chấp hành (các động cơ); nhận tín hiệu từ các cảm biến và driver AC servo; truyền và nhận tín hiệu điều khiển từ các hệ thống băng chuyền ở phía trƣớc và phía sau; nhận tín hiệu từ giao diện điểu khiển ngƣời-máy (HMI - Human-Machine Interface), và gửi lên các thông báo cho ngƣời điều khiển xử lý khi hệ thống không hoạt động bình thƣờng.
Khối vi xử lý trung tâm:
Trong dây chuyền sản xuất mạch in , PLC Panasonic FP 0R là trung tâm của hệ thống đƣợc coi nhƣ bô ̣ não của hê ̣ thống . PLC Panasonic FP 0R có nhiệm vụ là trung tâm giám sát và điều khiển toàn bô ̣ hê ̣ thống, nhâ ̣n dƣ̃ liê ̣u tƣ̀ màn hình điều khiển, cảm biến và xƣ̉ lý dƣ̃ liê ̣u tiếp nhâ ̣n tƣ̀ các khối cảm biến , tín hiều điều khiển và đƣa ra các tín hiệu điều khiển cho động cơ để khiều khiển băng chuyền và gửi tín hiều lên màn hình điều khiển.
Khối cảm biến:
Trong hệ thống sản xuất mạch in sử dụng 8 cảm biến quang điện để định vị chuyển động của băng chuyền và PCB.
Khối cơ cấu chấp hành
Để vận hành băng chuyền sản xuất mạch in hệ thống sử dụng 2 động cơ Secvo và động cơ bƣớc. PLC Panasonic FP0R đƣa ra tín hiệu điều khiển hai động cơ để vận chuyển mạch in PCB.
Khối giao tiếp người máy:
Để tƣơng tác hoạt động giữa con ngƣời và dây chuyền sản xuất mạch in thì ta sử dụng màn hình điều khiển để nhập các tín hiều điều khiển cho PLC Panasonic FP0R và đƣa ra tín hiều điều khiển cho cơ cấu chấp hành hay băng chuyền.
2.3 Nguyên tác hoạt động
Nhằm đem lại sự linh hoạt trong sử dụng và đáp ứng đƣợc yêu cầu sử dụng đa dạng thì chƣơng trình điều khiển đƣợc xây dựng hai chế độ điều khiển khác nhau:
Chế độ bằng tay: Ở chế độ bằng tay cho phép ngƣời sử dụng cài đặt các thông số hoạt động cho băng chuyền ví dụ nhƣ: kích thƣớc của mạch in, tốc độ hoạt động của băng chuyền.
Hình 2.4 Chế độ điều khiển bằng tay
Chế độ tự động: Ở chế độ tự động băng chuyền có thể kết hợp với các thiết bị hay máy móc khác nhƣ máy kiểm tra lỗi, phối hợp với các dây chuyền phía trƣớc và sau để vận chuyển mạch in theo đúng yêu cầu.
Ví dụ: băng chuyền có thể đƣợc kết hợp cùng với máy kiểm lỗi mạch in. Với những mạch in đạt chuẩn, băng chuyền sẽ chuyển mạch in.
Hình 2.5 Chế đô ̣ tƣ̣ đô ̣ng
Máy kiểm
tra lỗi Máy hàn linh kiện PCB Băng chuyền Loại Tốt Mạch lỗi Sản phẩm PCB
Quay động cơ AC, nhận PCB. Di chuyển PCB
Có tín hiệu sẵn sang nhận PCB
Đúng
Di chuyển băng chuyền đến hàng sau. Gửi yêu cầu tới dây chuyền phía
sau. PCB không lỗi
Gửi yêu cầu tới dây chuyền phía sau.
Đúng
Start
Động cơ Servo hoạt động, di chuyển băng chuyền về vị trí mặc định và sẵn sàng nhận PCB Động cơ AC hoạt động nhận PCB Sẵn sàng nhận PCB Đúng sai sai
2.4 Các thành phần trong hệ thống dây chuyền phân loại mạch in
Trong đề tài thiết kế dây chuyền phân loại mạch in PCB em đã sử dụng các vi xử lý nhƣ PLC Panasonic FP0R, driver và động cơ AC servo, driver và động cơ bƣớc, màn hình điều khiển, cảm biến.
2.4.1. PLC Panasonic FP0R [8]
Hình 2.7 PLC FP0R – C32 CT
PLC đƣợc sử dụng trong băng chuyền là loại FP0R-C32CT thuộc dòng FP0R của Panasonic. Đây là dòng PLC nhỏ gọn nhƣng rất mạnh mẽ trong điều khiển chuyển động.
Các thông số kỹ thuật của FP0R-C32CT:
Nguồn cung cấp : DC 24 V Dung lƣợng bộ nhớ : 12K steps Mở rộng tối đa 384 In/Out
High – speed counter – Pulse output – PWM Kết nối qua cổng RS232/485
Phƣơng thức lập trình : biểu tƣợng rơle/vận hành theo chu kỳ Bộ nhớ chƣơng trình : bộ nhớ flash ROM lắp sẵn
Khả năng lập trình : 32 k bƣớc
Số lệnh : cơ bản : 93 , cấp cao : 216 / 218
Tốc độ vận hành : 0.32µ/bƣớc (loại 32k), 0.4 µ/bƣớc (loại 12k) Số điểm bộ nhớ vận hành :
• Rơle : Rơle nội : 4096 điểm (loại 32k):RO đến R255F, 1568 điểm(loại 12k) : RO đến R97F
• Vùng bộ nhớ :
Thanh ghi dữ liệu : 32765 word Thanh ghi chỉ mục : 14 Word
Thanh ghi dữ liệu liên kết : 256 word(loại 32k), 128 Word(loại 12k) Điểm rơle điều khiển chính : 256 điểm
Số nhãn (JMP và LOOP) : 256 nhãn Điểm vi sai : không giới hạn
Số thang bƣớc : 1000 ngắt
Số chƣơng trình con : 100 chƣơng trình con
2.4.2 Driver và động cơ AC servo
Hình 2.8 Động cơ và driver servo sử dụng trong băng chuyền
Động cơ AC servo
Loại : MSMD 04 2 P 1 A. Công suất: 450W.
Nguồn: 110 - 220V.
Tốc độ quay: tối đa 4500 vòng/phút. Encoder: loại 2500P/r (10000 xung).
Driver AC servo
Nhãn: MBDDT2210. Dòng tối đa: 20A.
Nguồn: 110 - 220V 1 pha.
Chức năng: thay đổi hệ số thời gian thực, điều khiển rung.
2.4.3 Driver và động cơ bước
Hình 2.9 Động cơ bƣớc 5 pha AH8K
Thông số kỹ thuật động cơ bước
Nhãn: AH8K – M566
Loại động cơ bƣớc: 5 pha ngũ giác Nguồn: 24V DC
Mô-men giữ tối đa: 8000 kgf-cm Dòng động cơ: 1.4A/pha
Hình 2.10 Driver động cơ bƣớc ngũ giác KR-5MC
Thông số kỹ thuật driver động cơ bước
Nhãn: KR-5MC
Loại điều khiển ngũ giác với dòng điện lƣỡng cực không đổi Nguồn: 20-35V DC/3A
Tần số xung điều khiển (tối đa): 280kpps
2.4.4 Màn hình điều khiển
Màn hình điều khiển sử dụng trong hệ thống băng chuyền thuộc dòng GP-2480 của Autonics. Đây là loại màn hình điều khiển có rất nhiều chức năng khác nhau, với thiết kế nhỏ gọn và rất dễ sử dụng cũng nhƣ giao tiếp với ngƣời sử dụng.
Hình 2.11 Màn hình điều khiển GP-2480
Thông số kỹ thuật của màn hình điều khiển
Model: GP-2480-SBD0 Nguồn: DC 24V
Loại LCD: STN Blue Độ phân giải: 240x80 điểm Màu hiển thị: Xanh, trắng Bộ nhớ đồ họa: 512kB
Số lƣợng màn hình tối đa: 500 trang Giao tiếp: RS232C, RS485
2.4.5 Cảm biến
Hình 2.12 Cảm biến quang sử dụng trong băng chuyền
Trong hệ thống băng chuyền sử dụng 8 cảm biến quang điện để định vị của băng chuyền và kích thƣớc PCB. Các loại cảm biến sử dụng có thông số điện nhƣ sau:
Nguồn nuôi: 12-24V DC
Đối tƣợng phát hiện: Xác định vật mờ đục Khoảng cách phát hiện: 5mm/25-30mm Dòng tiêu thụ: 25mA/30mA
Loại đầu ra: NPN collector hở
Điện áp đầu ra: tối đa 24V DC (max. 50mA/100mA) Yếu tố phát: LED hồng ngoại
Yếu tố thu: Photo Transitor
2.4.6 Khối nguồn
Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho các thành phần của hệ thống băng chuyền. Nguồn cung cấp trong thiết bị băng chuyền là nguồn DC 24V - 2.1A, là chuẩn nguồn đƣợc sử dụng tƣơng đối rộng rãi trong công nghiệp, nhằm cung cấp năng lƣợng cho khối sử lý trung tâm PLC, màn hình cảm ứng, các động cơ và cảm biến.
Trong đó:
ELB: Bật tắt nguồn EPB1, EPB2: Ngắt cứng
PB1_off, PB1_on: Bật tắt nguồn chính FU1: Cầu chì bảo vệ mạch
NF1: Bộ lọc nhiễu (Noise Filter) RY0: Rơ-le đóng/ngắt nguồn chính RY1: Rơ-le đóng/ngắt các động cơ AC PE: Tiếp đất
2.4.7 Sơ đồ kết nối phần cứng
Hình2.14 Sơ đồ lắp đặt khối nguồn
Hình 2.16 Rơ-le 14 chân
Hình 2.18 Sơ đồ kết nối driver secvo
CHƢƠNG 3: PHẦN MỀM VÀ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN HỆ THỐNG 3.1 Điều khiển động cơ bƣớc 3.1 Điều khiển động cơ bƣớc
3.1.1 Sơ đồ điều khiển
.
Hình 3.1 Sơ đồ điều khiển
Trong dây chuyền sản xuất mạch in sử dụng hai động cơ là động cơ bƣớc và động cơ servo nhằm mục đích tạo chuyển động trong băng chuyền. Động cơ bƣớc đƣợc sử dụng để di chuyển vị trí băng chuyền nhằm mục đích vận chuyển mạch in đến các vị trí phân loại khác nhau hay di chuyển đến vị trí tiếp nhận từ băng chuyền phía trƣớc.
3.1.2 Một số hàm điều khiển [8] Các hàm đếm Các hàm đếm
F166_HighSpeedCounter_Set
Khi giá trị đếm đạt đến giá trị đặt trƣớc (s_diTargetValue), thì lối ra (d_Y) sẽ ở trạng thái ON, đồng thời hàm cũng ngừng đếm xung vào. Đầu vào đếm xung đƣợc chọn từ X0 đến X3. Khối xử lý trung tâm PLC Băng chuyền (SERVO, ĐC bƣớc..) Đầu vào PCB Màn hình ĐK Ngƣời ĐK
Hình3.2 Hàm đếm tốc độ cao F166
Các hàm phát xung
F171_PulseOutput_Home, Home return
Khi đầu vào Home input ở mức ON, PLC sẽ ngừng phát xung.
Cấu hình cho kênh 0 của dòng FPΣ: CW: Y0-Y2, CCW:X1-X3, Home input: X2
Hình 3.3 Hàm phát xung
F170_PulseOutput_PWM, PWM output Hàm phát xung PWM với các biến:
n_iPulseOuputChannel: kênh phát xung (0=Y0, 1=Y1)
Hình 3.4 Hàm phát xung PWM F170
Hàm định thời
Hình 3.5 Biểu đồ thời gian hàm Timer
1: Q đƣợc thiết lập trễ trong khoảng thời gian chỉ định trong PT.