Để đọc được các ký hiệu mã vạch hiện nay người ta hay dùng một loại thiết bị gọi là máy quét mã vạch (barcode scanner). Ngoài ra với sự phát triển của công nghệ di động, các mã barcode, QR code,… có thể đọc bằng chính cả các smartphone được hỗ trợ thông qua ứng dụng (nhưng chỉ dùng để đọc với số lượng ít)
2.5.2 Ứng dụng phân biệt sản phẩm bằng mã vạch trong công nghiệp
Trong công nghiệp, với yêu cầu về độ chính xác và năng suất thì đánh dấu và nhận diện sản phẩm bằng mã ln là ưu tiện lựa chọn hàng đâu vì đáp ứng được những điều kiện:
- Độ chính xác: sai sót của con người có thể gây ra vấn đề trong mọi mặt của doanh nghiệp. Máy đọc mã vạch được coi là có độ chính xác cao hơn so với việc nhập dữ liệu bằng tay. Sử dụng máy quét mã vạch, người dùng có thể giảm thiểu đáng kể số lượng sai sót xảy ra.
- Năng suất: khả năng theo dõi dữ liệu nhanh chóng và chính xác có thể dẫn đến việc ra quyết định tốt hơn trong từng bộ phận. Do đó, năng suất chung của cơng ty được tăng lên.
- Tiết kiệm thời gian: mã vạch sẽ được nhận diện và đối chiếu trong thời gian rất ngắn có thể chỉ 1/1000 giây.
- Đào tạo nhân viên: tồn bộ q trình đào tạo của một máy đọc mã vạch ít tốn kém và đơn giản hơn cho nhân viên mới .Do đó, thời gian đào tạo giảm đáng kể đối với nhân viên mới.
CHƯƠNG 3. Thiết Kế Hệ Thống 3.1 Yêu cầu khách hàng
Nhu cầu gia công phôi nhôm, mica,.. thành các chi tiết máy phục vụ cho cơng nghiệp với số lượng lớn, chính xác và năng suất cao. Kết hợp dùng mã G-code để điều khiển và có thể dễ dàng thực hiện nạp và chỉnh sửa trên máy tính cá nhân, trên HMI,… Đề tài thực hiện xây dựng và diều khiển máy phay CNC H-frame kết hợp với cơng nghệ qt mã vạch có thể đáp ứng những yêu cầu như trên.
3.2 Thiết kế phần cứng3.2.1 Yêu cầu thiết kế 3.2.1 Yêu cầu thiết kế
Đối với hệ thống phân loại và giám sát sản phẩm, do yêu cầu khắt khe về độ chính xác, độ ổn định, tính tự động của hệ thống cũng như theo dõi hệ thống vận hành hay trục trặc ở thiết bị nào đó. Vì vậy hệ thống này u cầu những chức năng:
a. Vận hành được 2 chế độ Hand và Auto: Hand: cho phép người vận hành theo dõi và điều khiển các thiết bị bằng tay một cách độc lập mà không làm ảnh hưởng tới các thiết bị khác thông qua các nút nhấn và đèn báo. Auto: cho phép hệ thống tự động vận hành theo các quy trình đã lập trình sẵn.
b. Giám sát trên màn hình HMI: mọi trạng thái hoạt động của hệ thống (start, stop, emergency…) và mọi trạng thái của quá trình phân loại (băng tải mất điện, sản phẩm chưa được phân loại…) sẽ được được thông báo và hiển thị trên màn hình HMI ở để người vận hành có thể theo dõi hoạt động của hệ thống và kịp thời xử lý.
3.2.2 Quy trình vận hành
Hệ thống phân loại và giám sát sản phẩm dựa trên mã vạch hoạt động theo quy trình được được mơ tả như Hình 3.2:
Hình 3.19 Quy trình vận hành hệ thống
Từ sơ đờ quy trình vận hành Hình 3.1, hệ thống gia công sản phẩm được chia thành 8 giai đoạn vận hành khác nhau bao gồm tạo file G-code, chọn và gá phơi, chọn và gá dao phay, qt mã, phân tích mã, gửi tín hiệu xuống bộ điều khiển, phay sản phẩm và cuối cùng là giai đoạn kiểm tra khiếm khuyết của sản phẩm.
3.2.3 Lựa chọn thiết bị
Từ quy trình phay sản phẩm trình bày ở mục 3.2.1, các thiết bị cần thiết sử dụng trong hệ thống sẽ được liệt kê như ở Bảng 3.1.
Từng thiết bị cụ thể được chọn sử dụng trong hệ thống sẽ được liệt kê ở mục này, PLC sẽ lựa chọn cuối cùng để phù hợp với yêu cầu và thiết bị đã chọn.
Bảng 3.3 Danh sách thiết bị cần lựa chọn cho hệ thống.
Loại thiết bị Giai đoạn sử dụng Số lượng
Vitme Cơ cấu 3 trục X,Y,Z 3
Thiết bị đóng cắt Cấp hoặc ngắt điện 9 Cảm biến vị trí Xác định điểm Home 9
Relay trung gian Điều khiển 4
Máy đọc mã vạch Quét mã vạch 1
HMI Điều khiển 1
Động cơ servo Cơ cấu 3 trục X,Y,Z 3
Driver Điều khiển động cơ
trục X, Y 1
Điều khiển động cơ
trục Z 1
Động cơ Spindle Cơ cấu phay vật thể 1
Biến tần Điều khiển 1
PLC Điều khiển 1
Module ngõ vào Điều khiển 1
Module ngõ vào Điều khiển 1
Module analog Điều khiển 1
a. Vitme: Vitme được sử dụng trong nhiều hệ thống máy phay nói riêng và máy CNC nói chung là bỏi vì độ tin cậy, khả năng chịu tải tốt, giá thành rẻ. Khơng khó để thay thế, bảo trì, thơng dụng trên thị trường. Độ chính xác tới hàng micromet rất phù hợp với động cơ servo vốn đứng đầu trong danh sách các loại động cơ chính xác.
Hiện nay, vitme trên thị trường có rất nhiều loại tùy theo cơng dụng của chúng mà giá thành, chất lượng cũng như độ chính xác khác nhau. Với quy mô của một đồ án tốt nghiệp, đề tài sử dụng 3 loại vitme, cụ thể như sau:
Vitme CKR3310A – 350LH cho trục X có hình dáng thực tế như Hình 3.3:
Thơng số kỹ thuật của vitme CKR3310A – 350LH được mô tả ở Bảng 3.2: Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật vitme CKR3310A – 350LH
Chiều dài 482mm Chiều rộng 70.4mm Chiều cao 70.4mm Kích thước lỗ 5mm Hình vẽ 2D vitme
Hình 3.21 Bản vẽ cơ khí vitme CKR3310A – 350LH
Vitme CKR4610A – 390LH cho trục Y có hình dáng thực tế như sau
Hình 3.22 Trục Y
Bảng 3.5 Thơng số kỹ thuật vitme CKR4610A – 390LH Chiều dài 547mm Chiều rộng 92.8mm Chiều cao 92.8mm Kích thước lỗ 5mm Hình vẽ 2D vitme Hình 3.23 Bản vẽ 2D vitme CKR4610A – 390LH
Vitme CKR4610A – 240L cho trục Z có hình dáng thực tế như sau:
Hình 3.24Trục Z
Thơng số kỹ thuật của vitme CKR4610A – 240L được mô tả ở Bảng 3.4:
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật vitme CKR4610A – 240L
Chiều rộng 92.8mm Chiều cao 92.8mm Kích thước lỗ 5mm Hình vẽ 2D vitme
Hình 3.25 Bản vẽ 2D vitme CKR4610A – 240L
b. Thiết bị đóng cắt: nhằm bảo vệ các thiết bị điện trong quá trình điều khiển tránh khỏi các nguyên nhân ngắn mạch, chập điện, … Thiết bị đóng cắt được sử dụng trong đề tài được thể hiện qua Hình 3.9 :
Hình 3.26 Thiết bị đóng cắt Thơng số kỹ thuật 2 CB tổng: Đóng ngắt mạch bằng tay. Khả năng ngắt dòng ngắn mạch: 10kA. Dịng điện định mức: 20A. Thơng số kỹ thuật 5 CB nhỏ: Đóng ngắt mạch bằng tay. Khả năng ngắt dòng ngắn mạch: 2.5kA. Dòng điện định mức: 5A.
c. Cảm biến vị trí: có tác dụng hỗ trợ driver và motion CPU biết điểm Home ở đâu, và dừng lại khi chạm vào stroke limit. Với yêu cầu đặt ra, đề tài sử dụng loại cảm biến Omron E2S. Hình ảnh thực tế như Hình 3.10:
Hình 3.27 Cảm biến Thơng số kỹ thuật: Nguồn cung cấp: 12-24VDC. Khoảng cách phát hiện: 1.6mm, 2.5mm. Tần số đáp ứng: 1kHz. Loại cảm biến: NPN NC.
d. Relay trung gian: Relay trung gian có chức năng đóng ngắt các tiếp điểm
thường đóng, thường mở, cách ly về điện. Khi có dịng điện chạy qua relay, dịng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng hoặc mở các tiếp điểm điện và như thế sẽ làm thay đổi trạng thái của relay. Hình ảnh thực tế được thể hiện như Hình 3.11:
Hình 3.28 Relay Trung gian
Thơng số kỹ thuật:
Điện áp điều khiển: 24VDC.
Điện áp chuyển mạch: 250VAC hoặc 30VDC. Dòng điện cuộn hút: 7.5mA.
Nhiệt độ làm việc: 20oC – 55oC. e. Máy đọc mã vạch
Thị trường hiện nay 2 loại máy quét mã vạch (CCD và Laser), yêu cầu của hệ thống là có thể đạt được tốc độ xử lý tối ưu và có thể đọc được tất cả các dạng xoay ngang dọc chéo của mã vạch 1D nên chỉ có máy quét mã vạch loại Laser là đáp ứng tốt các nhu cầu đó.
Trên thị trường hiện nay cũng có rất nhiều thương hiệu máy quét mã vạch sử dụng đầu đọc Laser với chất lượng tốt có thể dùng trong hệ thống phân loại sản phẩm dùng mã vạch như máy quét mã vạch Cognex Dataman 8050 mơ tả ở Hình 3.12:
Hình 3.29 Máy qt mã vạch Cognex Dataman 8050
Thông số kỹ thuật máy quét mã vạch Cognex Dataman 8050được mô tả như ở Bảng 3.5
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của máy quét mã vạch Cognex 152Q
Phân giải ảnh 752x480 Cảm biến 1/3”CMOS
Máy quét Laser
Tín hiệu đầu ra Đèn LED, tiếng bíp Tùy chọn chiếu sáng LED red
Kết nối Mô-đun nối tiếp: RS-232, USB
Mô-đun Ethernet: TCP/ IP, FTP, giao thức công nghiệp: Ethernet / IP, PROFINET, giao thức MC, Modbus TCP
Trạm gốc thông minh: RS-232, USB, Ethernet, giao thức công nghiệp
Nguồn năng lượng Serial/USB: 5V – 26V DC, tối đa 2.5W Trọng lượng 300 g
Kích thước 43.1 mm x 22.4 mm x 150 mm Nhiệt độ hoạt động 0 – 45°C
Nhiệt độ lưu trữ -10 – 60°C
Độ ẩm tối đa <95% (không ngưng tụ) Chuẩn bảo vệ IP65
f. HMI: là một trong những thiết bị khơng thể thiếu cho q trình điều khiển máy phay hoạt động một cách trơn tru, thơng qua HMI người dùng có thể xem và chỉnh sửa đoạn chương trình đã tải lên một cách thuật tiện thơng qua quá trình cài đặt từ trước. Trong giới hạn nghiên cứu của đề tài, đề tài sử dụng màn hình HMI GOT 2000 GT2512- STBA để có thể chỉnh sửa và hiển thị G-code.
Hình ảnh cụ thể của màn hình GOT 2000 dùng trong đề tài được thể hiện như Hình 3.13
Thơng số kỹ thuật của màn hình được thể hiện qua Bảng 3.6
Bảng 3.8 Thơng số kỹ thuật màn hình HMI GOT 2000 GT2512-STBA
Ng̀n điện cung cấp 220VDC
Màn hình 12.1 Inch
Ứng dụng GT-designer 3
Kết nối USB, CClink, CClink IE
Mã thiết bị GT2512-STBA
g. Động cơ servo: trong một máy phay, cơ cấu khơng thể thiếu chính là bộ truyền động, trong đề tài này sử dụng bộ servo HF KP với 2 loại động cơ bao gờm 200w và 400w. Hình ảnh cụ thể của các động cơ như Hình 3.14:
Hình 3.31 Động cơ Servo Mitsubishi
Thơng số động cơ được thể hiện qua Bảng 3.7
Bảng 3.9 Thông số động cơ
Tên động cơ HF-KP23; HF-KP4365
Nguồn cấp 3 pha AC
Công suất 200w; 400w
Tốc độ 3000rpm
Số xung encoder 4000 xung/vòng
h. Driver: để động cơ servo hoạt động ổn định khơng bị q tải thì cơ cấu khơng thể thiếu trong q trình điều khiển chính lả driver. Để thoả mãn các yêu cấu trên. Đề tài sử dụng loại driver MR J3W 44B.
Driver MR J3W 44B là loại driver đơi, có thể cùng lúc điều khiển 2 động cơ servo. Thơng số kỹ thuật được thể hiện ở Bảng 3.8:
Bảng 3.10 Thông số driver
Công suất ngõ ra 400W
Điện áp ngõ ra 3-phase 170 VAC Điện áp ngõ vào động lực 1-phase 220 VAC Điện áp ngõ vào điều khiển 1-phase 220 VAC Hình ảnh driver thực tế được thể hiện Hình 3.15
Hình 3.32 Hình ảnh driver thực tế
i. Động cơ Spindle: phải chọn loại động cơ phù hợp với cơ cấu, phù hợp với cơ khí và vật liệu cần phay (nhơm), cơng suất của động cơ phải đủ mạnh để q trình vận hành khơng bị phát nóng, đủ mạnh để có thể phay một cách trơn tru. Vì vậy trong đề tài đã dử dụng động cơ spindle. Hình ảnh cụ thể của động cơ được thể hiện như Hình 3.16:
Thơng số kỹ thuật:
Ng̀n đầu vào: 220V Công suất: 800W
Vận tốc tối đa: 24000rpm Dịng điện định mức: 5A
Hình 3.33 Động cơ Spindle
j.Biến tần: Biến tần dùng để điều khiển một hệ thống phay, thì điều khiển trục chính là khơng thể thiếu, để điều khiển trục chính một cách trơn tru một máy phay cần có một bộ biến tần có cơng suất phải lớn hơn cơng suất của động cơ, phải có bộ điều khiển
Analog để có thể điều chỉnh hợp lý tốc độ và cơng suất của trục chính. Trong đề tài sử dụng biến tần E700 của thương hiệu Mitsubishi. Hình ảnh thực tế của biến tần được thể hiện như Hình 3.17:
Hình 3.34 Biến tần E700
Thông số kỹ thuật được thể hiện qua Bảng 3.9:
Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật biến tần E700
Công suất 1.5kW
Khả năng chịu quá tải 150% trong 60s, 200% trong 3s.
Tần số ngõ ra 0.2 đến 400 Hz
Ngõ vào analog 2 cổng
Tín hiệu ngõ vào analog 0 – 10V, 0 – 5V, 4 – 20mA
Ngõ vào digital 7 cổng
Tín hiệu ngõ vào digital 24Vdc, điều khiển Run/Stop, Forward ,Reverse, Multi speed, Fault reset… Ngõ ra digital 5 cổng. Báo trạng thái hoạt động của biến
tần, báo lỗi, có thể cài đặt các cổng theo từng ứng dụng cụ thể.
Chế độ điều khiển Forward/Reveres, Multi speed, PID control, truyền thông…
Chức năng bảo vệ Khi quá tải, ngắn mạch khi đang hoạt động.
k. PLC: Với một máy CNC thì u cầu quan trọng là phải có 1 bộ điều khiển nhanh, chính xác. Với dịng PLC R. đã thoả mãn được các yêu cầu trên. Từ đó đề tài chọn PLC R08CPU: PLC R08CPU có các thơng số như sau:
Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật PLC R08CPU
Phương pháp điều khiển Chương trình lưu trữ hoạt động theo chu kỳ Chế độ điều khiển I / O Chế độ làm mới (I/O truy cập trực tiếp)
Ngơn ngữ lập trình Sơ đờ bậc thang (LD)
Kiểu thực thi chương trình Ban đầu, quét, quét cố định, ngắt, chờ
Số điểm I / O [X / Y] (điểm) 4096
Quét liên tục (mili giây) 0.2…2000
Dung lượng chương trình (bước) 80K
Bộ nhớ chương trình (byte) 320K Bộ nhớ thiết bị / nhãn * 6 (byte) 1188K Bộ nhớ dữ liệu (byte) 5M Lệnh LD (ns) 0.98 Lệnh MOV (ns) 1.96 Lệnh E + (phép cộng dấu phẩy động) (ns) 9.8
Hình ảnh thực tế của PLC R08CPU được thể hiện qua Hình 3.18:
Hình 3.35 PLC R08CPU
l. CPU motion: Đối với dòng motion CPU. Yêu cầu đặt ra là phải chọn dịng motion CPU có tốc độ xử lý nhanh, chính xác, có thể liên kết với các phần cứng khác để đạt được hiệu quả tốt nhất. Chính vì lý do đó, đề tài chọn R16MTCPU làm motion CPU để thực hiện. Thông số kỹ thuật của module R16MTCPU được thể hiện qua Bảng 3.11:
Bảng 3.13 Thơng số kỹ thuật R16MTCPU
Số trục có thể điều khiển 16 trục
Chu kỳ hoạt động 0.444ms/ 3 to 8 axes
Chế độ điều khiển Điều khiển PTP (Điểm đến điểm), Điều khiển tốc độ, Điều khiển chuyển đổi vị trí tốc độ, Điều khiển quỹ đạo liên tục, Điều khiển theo dõi vị trí, Điều khiển tốc độ với vị trí dừng cố định, Điều khiển máy, Điều khiển mã G
Ngơn ngữ lập trình Motion SFC
Vị trí Home Data set method
JOG Được cung cấp
M-code Được cung cấp
G-code Được cung cấp
device
Dừng khẩn cấp Tín hiệu từ cảm biến
Tổng số ngõ vào ra tối đa 4096
Hình ảnh thực tế của R16MTCPU Motion CPU được thể hiện qua Hình 3.19:
Hình 3.36 R16MTCPU Motion CPU
m.Module ngõ vào số: Để đáp ứng thu thập tín hiệu từ phần cứng, đề tài sử dụng module RX42C4 với các thông số kỹ thuật được thể hiện qua Bảng 3.12:
Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật RX42C4
Số điểm đầu vào 64 điểm Điện áp đầu vào định mức 24VDC
Đầu vào hiện tại LOẠI 4.0mA. (ở 24VDC) BẬT điện áp / BẬT dòng điện 19V trở lên / 3mA trở lên
TẮT điện áp / TẮT dòng điện 6V trở xuống / 1.0mA hoặc thấp hơn Số điểm I / O bị chiếm dụng 64 điểm
Chức năng ngắt Có sẵn (có thể được đặt trong "Tham số mô-đun")
Cân nặng 0,13kg