2.1.1. Cấu trỳc cơ bản của robot cụng nghiệp
Robot cụng nghiệp thường bao gồm cỏc thành phần chớnh như: cỏnh tay robot, nguồn động lực, dụng cụ gắn lờn khõu chấp hành cuối, cỏc cảm biến, bộ điều khiển, thiết bị dạy học, mỏy tớnh, cỏc phần mềm lập trỡnh. Mối quan hệ giữa cỏc thành phần trong robot như hỡnh 2.1.
NHểM SVTH LỚP ĐH TĐH1 – K525 Các cảm biến Bộ điều khiển và máy tính Nguồn động lực Thiết bị dạy học Các chương trình Dụng cụ thao tác Cánh tay robot
Hỡnh 2.1. Mối quan hệ giữa cỏc thành phần trong robot
Cỏnh tay robot (tay mỏy) là kết cấu cơ khớ gồm cỏc khõu liờn kết với nhau bằng cỏc khớp động để cú thể tạo nờn những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là cỏc động cơ điện (một chiều hoặc xoay chiều), cỏc hệ thống xy lanh khớ nộn, thủy lực để tạo động lực cho tay mỏy hoạt động.
Dụng cụ thao tỏc được gắn trờn khõu cuối của robot, dụng cụ của robot cú thể cú nhiều kiểu khỏc nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc cỏc cụng cụ làm việc như mỏ hàn.
Thiết bị dạy học (Teach – Pendant) dựng để dạy cho robot cỏc thao tỏc cần thiết theo yờu cầu của quỏ trỡnh làm việc, sau đú robot tự lặp lại cỏc động tỏc đó được dạy để làm việc (phương phỏp lập trỡnh kiểu dạy học)
Cỏc phần mềm để lập trỡnh và cỏc chương trỡnh điều khiển robot được cài đặt trờn mỏy tớnh, dựng điều khiển robot thụng qua hệ điều khiển (Controller). Bộ điều khiển cũn được gọi là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nú thường được kết nối với mỏy tớnh. Một mođun điều khiển cú thể cũn cú cỏc cổng Vào - Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khỏc nhau như cỏc cảm biến giỳp robot nhận biết trạng thỏi của bản thõn, xỏc định vị trớ của đối tượng làm việc hoặc cỏc dũ tỡm khỏc.
2.1.2. Kết cấu của tay mỏy
Tay mỏy là thành phần quan trọng, nú quyết định khả năng làm việc của robot. Cỏc kết cấu của nhiều tay mỏy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay người, tuy nhiờn ngày nay, tay mỏy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cỏnh tay robot cú hỡnh dỏng rất khỏc xa cỏnh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay mỏy cần quan tõm đến cỏc thụng số hỡnh - động học, là những thụng số liờn quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường cụng tỏc), số
bậc tự do (thể hiện sự khộo lộo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật nõng, lực kẹp.
Cỏc khõu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ:
* Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong khụng gian Descarde, thụng thường tao nờn cỏc hỡnh khối, cỏc chuyển động này thường ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic).
* Chuyển động quay quanh cỏc trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
Tựy thuộc vào số khõu và sự tổ hợp cỏc chuyển động(R và T) mà tay mỏy cú cỏc kết cấu khỏc nhau với vựng làm việc khỏc nhau. Cỏc kết cấu thường gặp của robot là kiểu tọa độ Đề cỏc, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ gúc (phỏng sinh).
Robot kiểu tọa độ Đề cỏc:
Tay mỏy cú ba chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của cỏc trục hệ tọa độ gốc (cấu hỡnhT. T.T). Trường cụng tỏc cú dạng khối chữ nhật.
Hỡnh 2.2. Robot kiểu tọa độ Đề cỏc
Do kết cấu đơn giản, loại tay mỏy này cú độ cứng vững chắc cao, độ chớnh xỏc cơ khớ dễ đảm bảo vỡ vậy nú thường dựng để hàn trong mặt phẳng.
Robot kiểu tọa độ trụ:
Vựng làm việc của robot cú dạng hỡnh trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất chuyển động quay, Cấu hỡnh cú dạng R.T.T. Cú Nhiều robot kiểu tọa độ trụ như: Robot
Versatran của hóng AMF (Hoa Kỳ). Hỡnh 2.3. Robot kiểu tọa độ trụ Robot kiểu tọa độ cầu:
Vựng làm việc của robot cú dạng hỡnh cầu. Độ cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trờn. Loại này thường cú cấu hỡnh R.R.R hoặc R.R.T
Hỡnh 2.4. Robot kiểu tọa độ cầu
Robot kiểu tọa độ gúc ( Hệ tọa độ phỏng sinh): Đõy là kiểu robot được dựng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiờn là cỏc chuyển động quay, trục quay thứ nhất vuụng gúc với hai trục kia. Cỏc chuyển động định hướng khỏc cũng là cỏc chuyển động quay. Vựng làm việc của tay mỏy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả cỏc khõu đều nằm trong một mặt phẳng thẳng đứng nờn cỏc tớnh toỏn cơ bản là bài toỏn phẳng. Ưu điểm nổi bật của cỏc loại robot hoạt động theo
hệ tọa độ gúc là gọn nhẹ, tức là cú vựng làm việc tương đối lớn so với kớch cỡ của bản thõn robot, độ linh hoạt cao.
Cỏc robot hoạt động theo hệ tọa độ gúc như: Robot PUMA của hóng Unimation- Nnokia (Hoa Kỳ – Phần Lan), Irb – 6, Irb – 60(Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản).
Hỡnh 2.5. Robot hoạt động theo hệ tọa độ gúc
Robot kiểu SCARA
Hỡnh 2.6. Robot kiểu SCARA
Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi ( Nhật Bản)là một kiểu robot mới nhằm đỏp ứng sự đa dạng của cỏc quỏ trỡnh sản xuất. Tờn gọi SCARA là viết tắt của “Seiective Compliant Articulated Robot Arm” tay mỏy mềm dẻo tựy ý. Ba khớp đầu tiờn của kiểu Robot này cú cấu hỡnh R.R.T, cỏc trục khớp đều theo phương thẳng đứng.Sơ đồ của robot SCARA như ( hỡnh 2.6)
2.1.3. Xõy dựng hệ thống toạ độ cho robot cụng nghiệp
Robot cụng nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu mỏy cú thể lập trỡnh được, cú khả năng làm việc một cỏch tự động khụng cần sự trợ giỳp của con người.Và giữa cỏc tay mỏy cú thể hợp tỏc được với nhau.
Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rói và phỏt triển trong cỏc ngành kỹ thuật. Dưới sự điều khiển của mỏy tớnh cho phộp Robot cú thể cú nhiều ứng dụng hơn nữa.
Hệ tọa độ của robot (Coordinate Frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khõu (Links) liờn kết với nhau qua cỏc khớp (joints), tạo thành một xớch động học xuất phỏt từ một khõu cơ bản (base) đứng yờn. Hệ tọa độ gắn với khõu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn). Cỏc hệ tọa độ trung gian khỏc gắn với khõu động gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, cỏc tọa độ suy rộng xỏc định cấu hỡnh của robot bằng cỏc chuyển dịch dài hoặc cỏc chuyển dịch gúc của cỏc khớp tịnh tiến hoặc khớp quay . Cỏc tọa độ suy rộng cũn được gọi là biến khớp.
Hỡnh 2.7. Cỏc tọa độ suy rộng của robot
Cỏc hệ tọa độ gắn trờn cỏc khõu của robot phải tuõn theo quy tắc bàn tay phải: Dựng tay phải, nắm hai ngún tay ỳt và ỏp ỳt vào lũng bàn tay, xũe 3 ngún; cỏi, trỏ và giữa theo 3 phương vuụng gúc, nếu chọn ngún cỏi là phương và chiều của trục z, thỡ ngún trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngún giữa sẽ biểu thị phương, chiều của trục y
Hỡnh 2.8. Quy tắc bàn tay phải
2.2. Tổng quan về PLC 2.2.1. Giới thiệu về PLC 2.2.1. Giới thiệu về PLC
PLC là viết tắt của Programmable Logic Control cú nghĩa là bộ điều khiển logic khả trỡnh. Được hỡnh thành từ nhúm cỏc kỹ sư General Motor năm 1968 với ý tưởng ban đầu là thiết kế bộ điều khiển thỏa món cỏc yờu cầu sau :
Lập trỡnh dễ dàng, ngụn ngữ lập trỡnh dễ hiểu.
Dễ dàng sửa chữa thay thế.
Ổn định trong mụi trường cụng nghiệp.
Giỏ cả cạnh tranh.
Thiết bị điều khiển logic khả trỡnh là thiết bị cho phộp điều khiển linh hoạt cỏc thuật toỏn điều khiển số thụng qua một ngụn ngữ lập trỡnh, thay cho việc thể hiện thuật toỏn đú bằng mạch số .
Như vậy với chương trỡnh điều khiển của mỡnh thỡ PLC đó trở thành bộ điều khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toỏn và đặc biệt là dễ trao đổi thụng tin với mụi trường xung quanh ( với PLC khỏc hoặc với mỏy tớnh ). Toàn bộ chương trỡnh điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng cỏc khối chương trỡnh ( khối OB , FC hoặc FB ) và thực hiện lặp theo chu kỳ vũng quột.
Hỡnh 2.9 : Tổng quỏt khối PLC
Để cú thể thực hiện được một chương trỡnh điều khiển thỡ PLC phải cú tỡnh năng như một mỏy tớnh, nghĩa là phải cú một bộ vi xử lý ( CPU ), một hệ điều hành, bộ nhớ để lưu chương trỡnh điều khiển, dữ liệu và cỏc cổng vào ra để giao tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thụng tin với mụi trường xung quanh. Bờn cạnh đú để phục vụ bài toỏn điều khiển số PLC cần cú thờm cỏc khối chức năng đặc biệt khỏc như bộ đếm Counter, bộ thời gian Timer … và những khối hàm chuyờn dụng.
Ta cú sơ đồ khối như sau :
Hỡnh 2.10 : Sơ đồ khối của PLC
Một hệ thống điều khiển PLC cú cấu trỳc như sau :
2.2.2. Phõn loại
PLC được phõn loại theo 3 cỏch :
Hóng sản xuất: gồm cỏc nhón hiệu như SIEMEN, OMRON,
MITSUBISHI … Version: PLC SIEMEN cú cỏc họ PLC : S7-200 , S7-300 , S7-400 , LOGO … PLC MITSUBISHI cú cỏc họ : Fx , Fx0 , FxON … Kiểu ngừ ra của PLC : Kiểu Rơle : Kiểu Transito : Kiểu Tri-ắc : Hỡnh 2.12 : Cỏc kiểu ngừ ra của PLC NHểM SVTH LỚP ĐH TĐH1 – K535
2.2.3.Cỏc bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng 2.2.3.1. Cỏc bộ điều khiển
Ta cú cỏc bộ điều khiển PLC, Vi Xử Lý, Mỏy tớnh.
2.2.3.2. Phạm vi ứng dụng
a. Mỏy Tớnh
Dựng trong những chương trỡnh phức tạp đũi hỏi độ chớnh xỏc cao.
Cú giao diện thõn thiện.
Tốc độ xử lý cao.
Cú thể lưu trữ với dung lượng lớn.
b. Vi Xử Lý :
Dựng trong những chương trỡnh độ phức tạp khụng cao(vỡ chỉ xử lý 8 bit)
Giao diện khụng thõn thiện với người sử dụng.
Tốc độ tớnh toỏn khụng cao.
Khụng lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng ớt.
c. PLC
Độ phức tạp và tốc độ xử lý khụng cao.
Giao diện khụng thõn thiện với sử dụng.
Khụng lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng ớt.
Mụi trường làm việc khắc nghiệt.
2.2.4. Cỏc lĩnh vực ứng dụng của PLC
PLC được ứng dụng khỏ rộng rói trong cỏc ngành: cụng nghiệp, mỏy nụng nghiệp, thiết bị y tế, ụ tụ ( xe hơi, cần cẩu ) …
2.2.5. Cỏc ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC
Khụng cần đấu dõy cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dựng Rơle.
Cú độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trỡnh ( phần
mềm) điều khiển.
Chiếm vị trớ khụng gian nhỏ trong hệ thống .
Nhiều chức năng điều khiển.
Cụng suất tiờu thụ nhỏ.
Khụng cần quan tõm nhiều đến vấn đề lắp đặt.
Cú khả năng mở rộng số lượng đầu vào/ra khi nối thờm cỏc khối vào/ra
chức năng.
Tạo khả năng mở ra cỏc lĩnh vực ứng dụng mới.
Giỏ thành khụng cao.
Nhờ những ưu điểm đú nờn ngày nay PLC được ứng dụng rộng rói trong cỏc hệ thống điều khiển tự động , cho phộp nõng cao chất lượng sản xuất, năng suất và sự đồng nhất sản phẩm, tăng hiệu suất và giảm năng lượng tiờu tốn, tăng mức an toàn, tiện nghi và thoải mỏi trong lao động. Đồng thời nõng cao tớnh thị trường của sản phẩm .
2.2.6. Giới thiệu cỏc ngụn ngữ lập trỡnh
Yờu cầu về ngụn ngữ lập trỡnh của PLC : dễ hiểu , dễ sử dụng trong lập
trỡnh điều khiển.
Do đú cần cú ngụn ngữ lập trỡnh bậc cao nhưng tiện ớch hơn những ngụn ngữ bậc cao thụng thường ( hợp ngữ hay C/C++ … ).
Hai loại ngụn ngữ thụng dụng nhất của PLC : - Liệt kờ cỏc lệnh STL ( Statement List )
- Kiểu bậc thang LAD ( Lader Diagram )
Trong đú, STL và LAD dễ dàng chuyển sang nhau.
Tập lệnh : PLC cú riờng tập lệnh phục vụ cho yờu cầu lập trỡnh điều khiển.Tập lệnh cú thể chia làm :
- Cỏc lệnh Logic
- Cỏc lệnh tỏc vụ cơ bản : SET, RESET …
- Cỏc lệnh làm việc với cỏc khối chức năng : Bộ định thời, bộ đếm …
PLC của cỏc hóng khỏc nhau thỡ từ khúa cỏc lệnh cú thể khỏc nhau nhưng tương tự nhau về hoạt động.
2.2.7. Cơ chế hoạt động
Khi chương trỡnh vừa lập được chuyển vào PLC ( Dowload ) thỡ chương trỡnh được lưu giữ trong vựng nhớ riờng ( Bộ nhớ chương trỡnh ) trong CPU và CPU cú thanh ghi đếm lệnh : Chứa địa chỉ lệnh sắp thực hiện.
Khi CPU đặt sang chế độ RUN :
Bộ đếm lệnh chỉ đếm lệnh đầu tiờn .
Bộ xử lý giải mó và thi hành lệnh.
Trạng thỏi cổng vào được ghi vào bộ đệm cổng vào ( thuộc RAM ).
CPU sẽ quột bộ nhớ RAM và ghi trạng thỏi cổng vào bộ nhớ tạm.
Bộ đếm lệnh sẽ tự động tăng lờn 1 để chỉ lệnh kế tiếp.
Hoạt động này sẽ tiếp tục theo thứ tự trờn cho đến khi kết thỳc ( gặp lệnh
END).
Bộ đếm chương trỡnh ( đếm lệnh ) trở về giỏ trị 0 , chương trỡnh được thực
hiện lại từ đầu ( thành chu kỡ ).
PLC thực hiện chương trỡnh theo một chu trỡnh vũng quột.Vũng lặp này kết thỳc thỡ tiếp đến vũng lặp khỏc.Thời gian thực hiện chương trỡnh phụ thuộc vào độ lớn của chương trỡnh điều khiển.
2.2.8. Phương phỏp xử lý tớn hiệu 2.2.8.1. Phương phỏp cập nhật liờn tục
Đọc trạng thỏi cỏc cổng vào sẽ được xử lớ.
Cổng ra chỉ được kớch sau khi đó kiểm tra logic.
Trạng thỏi ngừ ra được chốt và được duy trỡ cho đến lần cập nhật kế tiếp.
2.2.8.2. Phương phỏp xử lý một khối
Khi số lượng cổng vào/ra lớn thỡ CPU kiểm tra riờng biệt từng cổng vào rồi xử lý tất cả cỏc lệnh cú liờn quan đến cổng vào đú. Vậy thời gian một vũng quột sẽ tăng khi số ngừ vào tăng.
2.3. Giới thiệu chung về họ PLC S7-200 2.3.1. Cỏc tớnh năng của PLC S7-200 2.3.1. Cỏc tớnh năng của PLC S7-200
Hệ thống điều khiển kiểu Module nhỏ gọn cho cỏc ứng dụng trong phạm
vi hẹp.
Cú nhiều loại CPU.
Cú nhiều Module mở rộng.
Cú thể mở rộng đến 7 Module.
Bus nối tớch hợp trong Module ở mặt sau.
Cú thể nối mạng với cổng giao tiếp RS 485 hay Profibus hoặc MPI Card
nối thẳng.
Mỏy tớnh trung tõm cú thể truy cập đến cỏc Module.
Khụng quy định rónh cắm.
Phần mềm điều khiển riờng.
Tớch hợp CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module.
Micro PLC với nhiều chức năng tớch hợp.
2.3.2. Cỏc module mở rộng của PLC S7-200
PLC S7-200 cú cấu trỳc cơ bản như sau :
Hỡnh 2.13: Cấu trỳc cơ bản của PLC CPU 214
PLC S7-200 tớch hợp sẵn CPU, I/O nguồn cung cấp vào một Module. Cú nhiều loại CPU 212, 214, 221, 222, 224, 224XP, 226 … những CPU này chỉ khỏc nhau về dung lượng bộ nhớ chương trỡnh, bộ nhớ giữ liệu, số lượng cỏc ngừ vào và ngừ ra, số lượng module ghộp nối.
* Cỏc Module mở rộng External Module:
Module ngừ vào Digital : 24VDC, 120/230V AC
Module ngừ ra Digital : 24VDC, ngắt điện từ.
Module ngừ vào Analog : Áp dũng, điện trở, cặp nhiệt .
Module ngừ ra Analog : Áp, dũng.
* Module liờn lạc , xử lý Communication Processor: * Phụ kiện cú Bus nối dữ liệu Bus Connector
* Cỏc đốn bỏo trờn CPU : cho phộp thụng bỏo cỏc trạng thỏi hiện hành của PLC SF ( đốn đỏ ) : khi sỏng sẽ thụng bào hệ thống PLC đang bị hỏng.
Run ( đốn xanh ) : khi sỏng sẽ thụng bỏo PLC đang làm việc và chương trỡnh đó được nạp vào mỏy.
STOP ( đốn vàng ) : khi sỏng sẽ thụng bỏo PLC đang ở chế độ dừng. Dừng chương trỡnh đang thực hiện lại.
Ix.x ( đốn xanh ) : thụng bỏo trạng thỏi tức thời của cổng vào PLC ( x.x = 0.0 ữ
1.5 ). Đốn này bỏo hiệu trạng thỏi của tớn hiệu theo giỏ trị Logic của cổng.
Qy.y ( đốn xanh ) : thụng bỏo trạng thỏi tức thời của cổng ra PLC ( y.y = 0.0 ữ
1.1 ). Đốn này bỏo hiệu trạng thỏi của tớn hiệu theo giỏ trị Logic của cổng .