Đề tài nghiên cứu khoa học: Cánh tay gắp sản phẩm kết hợp xử lý ảnh

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:72

Thêm vào BST

Báo xấu

31
lượt xem 10
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Cánh tay gắp sản phẩm kết hợp xử lý ảnh" nhằm hiểu rõ cơ chế hoạt động và cách sử dụng các thiết bị sử dụng trong mô hình; Lắp đặt tủ điện điều khiển và kết nối thành công các thiết bị với nhau dựa trên các tiêu chuẩn được quy định; Lập ra được lưu đồ và đưa ra được ý tưởng giải thuật đáp ứng đúng các yêu cầu của bài toán được cho trước.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Đề tài nghiên cứu khoa học: Cánh tay gắp sản phẩm kết hợp xử lý ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CÔNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CÁNH TAY GẮP SẢN PHẨM KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH MÃ SỐ: SV2020-14 SKC 0 0 7 3 7 7 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CÁNH TAY GẮP SẢN PHẨM KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH MÃ SỐ : SV2020 - 14 Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Hữu Phú - 16142181 TP Hồ Chí Minh, 07/2020 i
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN CÁNH TAY GẮP SẢN PHẨM KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH MÃ SỐ : SV2020 - 14 Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện – điện tử SV thực hiện: Đỗ Hữu Phú Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16142CL5, Khoa đào chất lượng cao Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4 Ngành học: Điện- Điên tử Người hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm TP Hồ Chí Minh, 07/2020 ii
LỜI CẢM ƠN Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Lê Hoàng Lâm _ Giảng viên bộ môn Kỹ thuật Điện – Điện tử đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu và tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho em để hoàn thành tốt đề tài. Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài. Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16142CL5 đã chia sẻ trao đổi kiến thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài. Cảm ơn đến cha mẹ đã làm chỗ dựa vững chắc, luôn sát cánh kề bên hỗ trợ em, giúp em có thể đi đến được ngày hôm nay. Xin chân thành cảm ơn! Người thực hiện đề tài Nguyễn Hoàng Trường _ 16142236 Đỗ Hữu Phú _ 16142181 iii
MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i MỤC LỤC ......................................................................................................................... iv Danh mục các từ viết tắt .................................................................................................. vi Phụ lục hình ảnh .............................................................................................................. vii Chương 1: Tổng quan ....................................................................................................... 1 1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 1 1.2 Nhiệm vụ ................................................................................................................... 1 1.3 Nội dung .................................................................................................................... 2 1.4 Phạm vi đề tài ........................................................................................................... 2 Chương 2: Cơ sở lý thuyết ................................................................................................ 3 2.1 Tổng quan về PLC ................................................................................................... 3 2.1.1 Giới thiệu về PLC .............................................................................................. 3 2.1.2 Cấu trúc của PLC .............................................................................................. 3 2.1.3 Ưu nhược điểm của PLC ................................................................................... 5 2.1.4 Ứng dụng của PLC ............................................................................................ 6 2.2 Động cơ servo ............................................................................................................ 6 2.2.1 Giới thiệu chung ................................................................................................. 6 2.2.2 Phân loại và cấu tạo ........................................................................................... 6 2.2.3 Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 7 2.2.4 Ưu nhược điểm ................................................................................................... 8 2.2.5 Ứng dụng ............................................................................................................ 8 2.3 Giới thiệu thiết bị trong mô hình ............................................................................ 9 2.3.1 Bộ điều khiển driver amplifier MR – J4 – B ................................................... 9 2.3.2 Các chức năng của bộ driver amplifier MR-J4-W2(3)B .............................. 13 2.4 Giới thiệu về động cơ servo sử dụng trong mô hình ........................................... 14 2.5 Tổng quan về ảnh số và Camera Cognex ............................................................. 18 2.5.1 Ảnh số là gì? ..................................................................................................... 18 2.5.2 Cognex Corporation và In-sight Micro 1100 ................................................ 18 2.6 Cáp kết nối .............................................................................................................. 19 2.6.1 Cáp SSCNET III/H .......................................................................................... 19 2.6.2 Cáp Ethernet .................................................................................................... 19 Chương 3: Thiết kế, thi công hệ thống và mô phỏng ................................................... 21 iv
3.1 Yêu cầu hệ thống .................................................................................................... 21 3.2 Thiết kế hệ thống .................................................................................................... 21 3.2.1 Phần cơ khí .......................................................................................................... 21 3.2.2 Phần điện .......................................................................................................... 25 3.2.3 Thi công hệ thống............................................................................................. 31 3.3 Mô phỏng động học trên Matlab .......................................................................... 32 Chương 4 Mô tả bài toán ................................................................................................ 33 4.1 Mô tả hệ thống ........................................................................................................ 33 4.2 Mô tả hoạt động của mô hình ............................................................................... 33 4.3 Tính toán phương trình động học ........................................................................ 34 4.3.1 Tính động học thuận ........................................................................................ 34 4.3.2 Tính động học nghịch ...................................................................................... 37 4.4 Các giải thuật được áp dụng ................................................................................. 39 4.4.1 Giải thuật chạy nội suy đồng thời 6 trục ....................................................... 39 4.4.2 Giải thuật dời khung ảnh ................................................................................ 40 4.4.3 Bài toán gắp vật đang chuyển động ............................................................... 42 4.4.4 Bài toán xếp chồng 3 vật trên băng tải chuyển động .................................... 44 4.4.5 Bài toán xếp xen kẽ nhiều vật liên tục và có thứ tự trên băng tải chuyển động ............................................................................................................................ 47 4.5 Các chức năng được sử dụng trong ISM-1100 .................................................... 53 4.5.1 In-Sight Pattern Match ................................................................................... 54 4.5.2 Optical Character Recognition max (OCRmax) .......................................... 56 4.5.3 CalibrateGrid ................................................................................................... 58 Chương 5 Kết quả nghiên cứu và đánh giá ................................................................... 59 5.1 Kết quả nghiên cứu ................................................................................................ 59 5.2 Đánh giá .................................................................................................................. 59 Chương 6 Kết luận và hướng phát triển ....................................................................... 60 6.1 Kết luận ................................................................................................................... 60 6.2 Hướng phát triển .................................................................................................... 60 Tài liệu tham khảo ........................................................................................................... 61 v
Danh mục các từ viết tắt AC (Alternating Current) DC (Direct current) FPS (Frames per second) ISM (In-Sight Micro) PLC (Programmable Logic Controller) POE (Power over ethernet) PWM (Pulse-width modulation) RAM (Random Access Memory) ROM (Read-Only Memory) vi
Phụ lục hình ảnh Hình 2.1 Cấu trúc PLC ........................................................................................................ 3 Hình 2.2 Ứng dụng servo trong việc lắp ráp linh kiện điện tử ............................................ 8 Hình 2.3 Ứng dụng servo trong ngành sản xuất khuôn mẫu ............................................... 9 Hình 2.4 Bộ điều khiển MR – J4 – B .................................................................................. 9 Hình 2.5 Hình ảnh cấu tạo bên trong bộ driver amplifier MR-J4_B ................................ 10 Hình 2.6 Giải thích thông số động cơ servo ...................................................................... 14 Hình 2.7 Các sản phẩm của Cognex Corparation ............................................................. 18 Hình 2.8 Cáp SSCNET III/H ............................................................................................. 19 Hình 2.9 Chuẩn màu dây cáp ethernet............................................................................... 19 Hình 2.10 Cáp ethernet kết nối camera ............................................................................. 20 Hình 2.11 Kết nối thiết bị có sử dụng công nghệ POE ..................................................... 20 Hình 3.1 Sơ đồ bố trí mô hình ........................................................................................... 21 Hình 3.2 Sơ đồ bố trí mô hình ........................................................................................... 22 Hình 3.3 Thông số robot .................................................................................................... 22 Hình 3.4 Thông số robot .................................................................................................... 23 Hình 3.5 Thông số khung và băng tải................................................................................ 23 Hình 3.6 Bản vẽ đế và khớp nối 1 ..................................................................................... 24 Hình 3.7 Bản vẽ khớp nối 2 và 3 ....................................................................................... 24 Hình 3.8 Bản vẽ khớp nối 4,5 và 6 .................................................................................... 24 Hình 3.9 Bản vẽ robot hoàn chỉnh ..................................................................................... 25 Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống .......................................................................................... 25 Hình 3.11 Driver amplifier J4 ........................................................................................... 29 Hình 3.12 Camera ISM-1100 ............................................................................................ 29 Hình 3.13 Nam châm điện ................................................................................................. 30 Hinh 3.14 HMI GT1155HS-QSBD ................................................................................... 30 Hinh 3.15 Sơ đồ điều khiển tổng quát ............................................................................... 30 Hình 3.16 Thi công phần cơ khí ....................................................................................... 31 Hình 3.17 Thi công phần điện .......................................................................................... 31 Hinh 3.18 Giao diện GUI .................................................................................................. 32 Hình 4.1 Thông số cơ cấu robot ........................................................................................ 35 Hình 4.2 Gán tọa độ cho các khớp .................................................................................... 35 Hình 4.3 Khớp xoay .......................................................................................................... 37 Hình 4.4 Độ dài cơ cấu robot ............................................................................................ 37 Hình 4.5 Hình vẽ tính động học nghịch ............................................................................ 37 Hình 4.6 Lưu đồ nội suy .................................................................................................... 40 Hình 4.7 Hình vẽ tìm Ox theo gốc tọa độ robot ................................................................ 41 Hình 4.8 Hình vẽ tìm Oy theo gốc tọa độ robot ................................................................ 41 Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật gắp vật chuyển động .............................................................. 43 Hình 4.10 Biểu đồ vận tốc, thời gian................................................................................. 43 Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật xếp chồng ............................................................................. 45 Hình 4.12 Biểu đồ vận tốc theo thời gian .......................................................................... 45 Hình 4.13 Lưu đồ tổng quat xếp vật xen kẽ ...................................................................... 49 vii
Hình 4.14 Biểu đồ vận tôc, thời gian................................................................................. 51 Hình 4.15 Giao diện EasyBuilder ...................................................................................... 53 Hình 4.16 Giao diện Spreedsheet ...................................................................................... 54 Hình 4.17 Thông số cài đặt TrainPatMaxPattern .............................................................. 55 Hình 4.18 Vật mẫu............................................................................................................. 55 Hình 4.19 Thông số cài đặt FindPatmaxPattern ................................................................ 55 Hình 4.20 Ảnh lấy vùng và fix segmentation .................................................................... 56 Hình 4.21 Ảnh train chữ thành công và lưu vô database .................................................. 56 Hình 4.22 Thông số cài đặt segmentation ......................................................................... 57 Hình 4.23 Thông số cài đặt OCRMax ............................................................................... 57 Hình 4.24 Lưới hiệu chuẩn ................................................................................................ 58 Hình 4.25 Xác định gốc tọa độ của lưới ............................................................................ 58 viii
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 1. Thông tin chung: - Tên đề tài: Cánh tay gắp sản phẩm kết hợp xử lý ảnh - Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Hữu Phú Mã số SV: 16142181 - Lớp: 16142Cl5 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa 1 Nguyễn Hoàng Trường 16142236 16142CL5 Đào tạo Chất lượng cao - Người hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm 2. Mục tiêu đề tài: Xây dụng được mô hình robot gắp, sắp xếp sản phẩm trên băng tải. 3. Tính mới và sáng tạo: Đề tài giải quyết được bài toán di động, gắp vật đang chuyển động. 4. Kết quả nghiên cứu: Hoàn thành mô hình cánh tay robot kết hợp với camera công nghiệp và gắp thả vật trên băng tải; nghiên cứu được nhiều thuật toán với tính ứng dụng khác nhau. 5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài: Mô hình ứng dụng được vào các lĩnh vực tự động hóa trong công nghiêp như: lắp ráp chi tiết, sắp xếp sản phẩm,…Ngoài ra, mô hình còn có thể áp dụng vào việc giảng dạy ở bậc Cao đẳng và Đại học, giúp cho sinh viên tiếp cận gần hơn các máy móc công nghiệp và có một cái nhìn tổng quát hơn về mô hình robot 6 bậc nói riêng và tự động hóa trong công nghiệp nói chung. 6. Công bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Không có Ngày tháng năm SV chịu trách nhiệm chính thực hiện đề tài (kí, họ và tên) Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài Ngày tháng năm Người hướng dẫn (kí, họ và tên) ix
Chương 1: Tổng quan 1.1 Đặt vấn đề Thế giới đã bước vào cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư được xây dựng dựa trên cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 3 đã xuất hiện từ giữa thế kỉ 20. Đây là cuộc Cách mạng chưa từng có trong lịch sử nhân loại, nó diễn biến rất nhanh, từng bước làm chủ các ngành công nghiệp trên thế giới, đẩy mạnh các quá trình tự động hóa trong sản xuất công nghiệp. Ngành công nghiệp tự động hóa tập trung nghiên cứu, thiết kế, vận hành các hệ thống tự động, các dây chuyền sản xuất tại các nhà máy; thiết kế và chế tạo robot trong việc lắp ráp sản phẩm, nâng cao năng suất làm việc. Bên cạnh việc nhắm đến nâng cao hiệu suất làm việc, cắt giảm chi phí nhân công, một số ngành công nghiệp còn đòi hỏi độ chính xác cao mà con người không thể đáp ứng. Các hệ thống điều khiển tự động trước đây như động cơ 3 pha, động cơ bước, pit- tông, … hay các bộ điều khiển như các con chip, vi xử lý hiệu năng thấp, … sai số từ cơ khí và thêm cả thời gian xử lý thấp dẫn tới việc điều khiển thực tế sai khác với lý thuyết được tính trước, không đáp ứng đủ các yêu cầu ở tại. Từ đó, hệ thống điều khiển tự động hiện đại đã phát triển thêm các thiết bị như động cơ servo, camera, cơ cấu cánh tay robot công nghiệp, … được sử dụng trong các công việc đòi hỏi sự linh hoạt, không gian làm việc rộng, tốc độ cao mà vẫn đảm bảo được độ chính xác đến mức yêu cầu. Các bộ điều khiển cũng ngày càng được cải thiện thời gian đáp ứng, phương pháp giao tiếp với các thiết bị ngoại vi được nâng cao và phương pháp lập trình theo các loại ngôn ngữ cơ bản cũng được cải thiện mang đến cho người dùng cái nhìn trực quan, dễ dàng lập trình và quản lý. Tự động hóa là nền tảng, giúp các ngành công nghiệp phát triển mạnh mẽ. Bên cạnh việc tự động hóa trong các quy trình sản xuất, bất cứ quy trình nào cũng cần phải đáp ứng được tốc độ và độ chính xác. Từ các yêu cầu trong lĩnh vực ngành tự động hóa trong giải đoạn thế giới đang phát triển mạnh mẽ và qua việc tìm hiểu các tiêu chí như đã nêu trên, nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề tài “CÁNH TAY ROBOT 6 TRỤC KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH”. Cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, giúp nâng cao hiệu quả hoạt động, tiết kiệm không gian làm việc, giảm thiểu chi phí vận hành, hạn chế sai sót và mang lại môi trường làm việc an toàn, giúp con người thực hiện những công việc có mức độ nguy hiểm và rủi ro cao. 1.2 Nhiệm vụ - Xây dựng được mô hình theo yêu cầu thiết kế ban đầu được đặt ra. - Hiểu rõ cơ chế hoạt động và cách sử dụng các thiết bị sử dụng trong mô hình. - Lắp đặt tủ điện điều khiển và kết nối thành công các thiết bị với nhau dựa trên các tiêu chuẩn được quy định. - Lập ra được lưu đồ và đưa ra được ý tưởng giải thuật đáp ứng đúng các yêu cầu của bài toán được cho trước. 1
1.3 Nội dung Với mục tiêu đã đề ra, nhóm chúng em xây dựng bố cục đồ án khái quát như sau: Chương 1: Tổng quan Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương 3: Thiết kế, thi công và mô phỏng Chương 4: Mô tả và xử lý bài toán Chương 5: Kết quả nghiên cứu và đánh giá Chương 6: Kết luận và hướng phát triển 1.4 Phạm vi đề tài Đề tài xoay quanh tập trung việc điều khiển cánh tay robot chạy đúng vị trí, kết hợp với camera để nhận biết được vật và đuổi theo. Bên cạnh đó còn mở rộng thêm điều khiển cánh tay robot xếp vật trên băng tải chuyển động và dạy robot chạy theo được quỹ đạo cho trước. Giới hạn đề tài: không gian làm việc hạn chế, phạm vi nhận biết vật nhỏ, cơ khí không ổn định nên bị giới hạn tốc độ. 2
Chương 2: Cơ sở lý thuyết 2.1 Tổng quan về PLC 2.1.1 Giới thiệu về PLC PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình nào đó. Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự, sự kiện. Ngôn ngữ lập trình có thể là Ladder hay State logic. PLC ra đời để thay thế những hệ thống điều khiển cũ sử dụng nhiều relay, tiếp điểm, nút nhấn để thực hiện nhiệm vụ, trong khi đó PLC sử dụng các tiếp điểm ảo giúp người thiết kế có thể dễ dàng thay đổi, lập trình và hiệu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong thực tế. Cùng với sự phát triển của máy móc tự động hóa thì PLC dần dần được tích hợp thêm nhiều tính năng khác nhằm giúp nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị cũng như khả năng kết nối nhiều hệ thống với nhau. Những tính năng mở rộng phổ biến hiện nay của PLC như khả năng đọc và xuất tín hiệu analog. Tích hợp khả năng đọc xung tốc độ cao từ cảm biến đo vòng quay encoder. Kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi bằng truyền thông như màn hình cảm ứng HMI, máy tính, camera, … 2.1.2 Cấu trúc của PLC PLC hoạt động theo nguyên lý nhận biết tín hiệu đầu vào, mạch điều khiển sẽ hoạt động liên tục tuần hoàn theo chương trình mà người dùng lập trình sẵn và xuất các kết quả hay các tín hiệu ngõ ra đến ngõ ra của PLC. Hình 2.1 Cấu trúc PLC Tất cả các PLC đều có các thành phần chính là: - Bộ xử lý trung tâm: được gọi là CPU (Central Procesing Unit) chứa các chương trình ứng dụng và các tín hiệu nhập xuất. Nó được kết nối trực tiếp đến các thiết bị I/O và các thiết bị truyền thông. Khi có tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển hay dữ liệu đầu vào), 3
CPU sẽ xử lý và gửi tín hiệu đầu ra (tín hiệu điều khiển hay dữ liệu đầu ra) đến thiết bị xuất tương ứng. - Bộ nhớ chương trình: có nhiều loại bộ nhớ khác nhau dùng để lưu trữ trạng thái hoạt động của hệ thống và dữ liệu của người dùng. Tùy vào yêu cầu của người dùng có thể chọn các loại bộ nhớ khác nhau: + Bộ nhớ chỉ đọc ROM: là một bộ nhớ không khả biến (không bị mất dữ liệu khi mất nguồn điện), nó chỉ có thể lập trình một lần. Do đó không thích hợp cho việc điều khiển liên tục thay đổi. ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác. + Bộ nhớ ghi đọc RAM: là một bộ nhớ được sử dụng phổ biến trong việc lưu trữ dữ liệu và chương trình người sử dụng. Tuy nhiên, số lần nạp chương trình vào RAM bị hạn chế và RAM sẽ bị mất dữ liệu khi nguồn điện bị mất. Điều này có thể giải quyết bằng cách gắn thêm vào RAM nguồn điện dự phòng bằng cách dùng pin. Ngày nay, trong kỹ thuật phát triển PLC, người ta dùng CMOSRAM nhờ vào sự tiêu tốn năng lượng khá thấp nên tuổi thọ pin được kéo dài. Ngoài ra, pin dự phòng có thể chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin sẽ được nạp sạc khi cấp nguồn cho PLC. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được EPROM: là một nhớ lưu trữ dữ liệu giống như ROM, tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xóa đi bằng cách phóng tia tử ngoại vào một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó người dùng mới có thể viết lại chương trình trong bộ nhớ. + Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện EEPROM: là một bộ nhớ kết hợp cả 2 ưu điểm linh động của RAM và tính khả biến của EPROM. Nội dung trên EEPROM có thể lập trình và bị xóa bằng điện, tuy nhiên chỉ được một số lần nhất định. Để đảm bảo cho PLC hoạt động thì phải cần có bộ nhớ để lưu trữ chương trình, đôi khi cần phải mở rộng thêm bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác như: + Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/ nhập được gọi là RAM xuất nhập. + Vùng đệm tạm thời lưu trữ các trạng thái của các chức năng bên trong như timer, counter, relay nội, … - Hệ thống các ngõ vào/ ra: mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ thuộc vào khả năng của PLC có thể đọc được nhiều loại dữ liệu khác nhau từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến hay các thiết bị nhập bằng tay. Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút nhấn, bàn phím, công tắc chuyển mạch, …. Mặt khác, để đo hay kiểm tra được chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng, khoảng cách, …PLC phải nhận biết được các tín hiệu trả về từ cảm biến như cảm biến chuyển động, cảm biến áp suất, cảm biến mực nước, cảm biến khoảng cách, … Các tín hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Một số loại PLC tích hợp 4
ngõ vào/ ra nhận và xuất cả tín hiệu số hoặc tương tự nhưng một số loại cần phải kết nối mở rộng với các module vào/ ra. - Các cổng truyền thông: có nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để kết nối PLC với các module, thiết bị ngoại vi hay PLC khác. Chúng được mô tả dựa trên các giao thức nhất định. Dựa trên các giao thức này, các mạng truyền thông trong công nghiệp được phân thành nhiều loại phổ biến được như giao thức nối tiếp, HART, DeviceNet, ControlNet, Modbus, Profibus, … - Đèn báo trạng thái: trên mỗi PLC thường được thiết kế đèn báo nguồn, báo trạng thái CPU, báo lỗi, báo trạng thái tín hiệu ngõ vào/ ra, … 2.1.3 Ưu nhược điểm của PLC Sự ra đời của hệ thống PLC đã làm thay đổi hệ thống điều khiển dùng relay cũng như các khái niệm thiết kế về chúng. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC có những ưu điểm vượt trội sau: - Giảm số lượng dây nối. - Công suất tiêu thụ thấp. - Khả năng lập trình mở, ngôn ngữ lập trình dễ học. - Gọn nhẹ, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống. - Số lượng tiếp điểm nội trong chương trình sử dụng không hạn chế. - Thời gian xử lý chương trình nhanh, tăng cao tốc độ sản xuất. - Được thiết kế tương thích với chuẩn công nghiệp, có khả năng kết nối với các thiết bị khác như: máy tính, module mở rộng, … tạo thành mạng công nghiệp hoặc kết nối với Internet dễ dàng. - Được thiết kế để làm việc trong môi trường công nghiệp, có khả năng chống nhiễu, chịu ẩm, … - Các phần mềm hỗ trợ lập trình, giám sát được thiết kế trực quan, chuyên nghiệp, dễ tiếp cận. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển sử dụng PLC còn tồn tại một số nhược điểm sau: - Giá thành cao, một số hãng chiếm độc quyền về bản quyền phần mềm, không hỗ trợ miễn phí cho người dùng. - Việc sử dụng PLC đòi hỏi người dùng phải có trình độ chuyên môn nhất định. - Các mạch điện được tích hợp với nhau, gây khó khăn cho việc sửa chữa. 5
2.1.4 Ứng dụng của PLC - PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: dây chuyền sản xuất, dây chuyền lắp ráp, kiểm tra quá trình sản suất, giám sát năng lượng, điều khiển hệ thống tự động, … - Trong hệ thống quản lý từ xa Scada, đặc biệt là hệ thống điều khiển phân tán DCS, PLC được sử dụng để thu thập khác tín hiệu I/O điều khiển từ xa. 2.2 Động cơ servo 2.2.1 Giới thiệu chung Động cơ là một bộ phận quan trọng, chiếm hơn 80% năng lượng trên thế giới. Tùy vào nhu cầu sử dụng mà động cơ được chế tạo và phân thành rất nhiều loại. Trong kỹ thuật điều khiển, khi các yêu cầu về độ chính xác vị trí, tốc độ hay moment được đề cao, các động cơ thông thường không thể đáp ứng nên cơ cấu servo (hay động cơ servo) đã được nghiên cứu và phát triển. Cũng như các loại động cơ điện khác, động cơ servo cũng là một máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Nhưng sự khác biệt lớn nhất là độ chính xác và thời gian đáp ứng nhanh. Ngoài ra, động cơ servo ngày nay được cải tiến để có thể vận hành trong các chế độ tốc độ chậm với moment cao hay tốc độ cao và dừng đột ngột, … 2.2.2 Phân loại và cấu tạo Động cơ servo được phân loại dựa trên các đặc đính sau: - Dựa vào kiểu chuyển động: + Động cơ servo quay theo vị trí: Các servo quay theo vị trí có thể xoay trục trong khoảng một nửa vòng tròn. Ngoài ra, nó có tính năng bảo vệ cảm biến quay khỏi vượt quá vòng quay. Động cơ vị trí chủ yếu được sử dụng ở tay chân, cánh tay robot, … + Động cơ servo quay liên tục: Các servo liên tục có cấu tạo tương tự như servo vị trí. Nhưng, nó có thể di chuyển theo cả chiều thuận và chiều ngược kim đồng hồ. Những loại servo này được sử dụng trong các hệ thống radar và robot, … + Động cơ servo quay tuyến tính: Động cơ servo tuyến tính cũng giống như servo vị trí, nhưng có thêm các bánh răng để điều chỉnh đầu ra từ quay vòng tròn sang quay qua lại (trái phải). Những loại servo này được sử dụng trong các máy bay mô hình cao cấp và rất hiếm thấy trên thị trường. - Dựa vào tín hiệu hoạt động: + Động cơ servo tín hiệu tương tự: được xem là một dạng động cơ servo tiêu chuẩn, nó điều chỉnh tốc độ thông qua việc gửi và ngắt xung hay còn gọi là phương pháp điều chế độ rộng xung PWM. Phạm vi của tín hiệu từ 4,8V đến 6V. Tốc độ nhận xung khoảng 50 xung/ giây. Một trong những nhược điểm chính của động servo tương tự là có độ trễ trong 6
việc phản ứng với các lệnh nhỏ, nó làm cho động cơ quay không đủ nhanh và moment xoắn tạo ra không đủ. + Động cơ servo tín hiệu số: Động cơ servo sử dụng bộ vi xử lý nhỏ, nhận tín hiệu và hoạt động ở các xung điện áp tần số cao. Động cơ servo có thể nhận xung với tốc độ 300 xung/ giây nên có thể phản ứng mượt mà, moment xoắn ổn định và tốc độ động cơ servo cao hơn. - Dựa vào loại nguồn cấp: Động cơ servo được phân thành 2 loại chính là động cơ dc servo và ac servo để đa dạng trong việc ứng dụng vào các công việc khi cần sử dụng đến nó. + Động cơ DC servo: động cơ sử dụng nguồn điện áp một chiều để điều khiển, thông thường là nguồn 12V hoặc 24V. Động cơ DC servo có thể phản ứng moment xoắn nhanh vì do cấu tạo là nam châm vĩnh cửu nên moment xoắn và thông lượng được tách rời. Do đó, một sự thay đổi nhỏ trong điện áp hoặc dòng điện phần ứng có thể mang lại sự thay đổi lớn về vị trí hoặc tốc độ của rotor. + Động cơ AC servo: động cơ sử dụng nguồn điện áp xoay chiều để điều khiển, có thể dùng nguồn xoay chiều 220V hoặc 380V để điều khiển. Hầu hết các động cơ AC servo là loại cảm ứng lồng sóc 2 pha, tiêu thụ năng lượng ít, sử dụng cho các ứng dụng năng lượng thấp. Còn động cơ loại cảm ứng lồng sóc 3 pha hiện được sử dụng trong hệ thống cần công suất lớn. 2.2.3 Nguyên lý hoạt động Cấu tạo chung của động cơ servo bao gồm các thành phần cơ bản sau: - Stator: là phần đứng yên, làm nhiệm vụ dẫn từ trong động cơ. Stator được cấu tạo từ nhiều lá thép kỹ thuật được dập rãnh và ép chặt lại với nhau để tạo thành rãnh quấn dây. Các lá thép này được phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dòng điện xoáy (dòng fuco) gây ra. Ngoài ra, còn có vỏ máy và nắp máy. - Rotor: là phần chuyển động, bao gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép dạng hình trụ được làm bằng những lá thép kỹ thuật điện, dập thành đĩa và được ép chặt lại, trên mặt có những đường rãnh để đặt các thanh dẫn hoặc dây quấn. Lõi thép được ghép chặt với trục quay và đặt trên hai ổ đỡ của stator. Dây quấn có 2 loại là rotor lồng sóc và rotor dây quấn. - Ổ trục: có 2 phần gồm ổ trục trước và ổ trục sau để cố định rotor, sử dụng cho chuyển động của trục. - Bộ mã hóa: có tích hợp cảm biến tiệm cận để xác định tốc độ quay và vị trí của động cơ. Nguyên lý hoạt động: cấp dòng điện xoay chiều qua dây quấn quanh stator để tạo ra từ trường quay. Từ trường này sẽ quét qua các thanh dẫn của rotor, làm xuất hiện xuất điện động cảm ứng, tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn. Những thanh dẫn nằm trong từ trường sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ. Các lực điện từ này sẽ tạo ra moment quay với trục rotor, làm rotor quay theo chiều của từ trường. Phần lớn các motor điện hoạt động theo 7
nguyên lý điện từ như trên, tuy nhiên có nhiều loại motor hoạt động dựa theo nguyên lý khác như lực tĩnh điện hay hiệu ứng điện áp. 2.2.4 Ưu nhược điểm - Ưu điểm: là hệ thống hồi tiếp vòng kín, chính vì vậy động cơ servo DC rất dễ điều khiển, dễ sử dụng. Bên cạnh đó động cơ còn giúp kiểm soát tốc độ chính xác, đảm bảo quá trình vận hành được ổn định. - Nhược điểm: + Không làm việc ở chế độ mạch điều khiển mở nên phụ thuộc vào hệ thống hồi tiếp. + Chi phí đầu tư cao, bảo dưỡng tốn kém hơn so với các loại động cơ khác. + Yêu cầu người dùng có kiến thức chuyên môn nhất định. 2.2.5 Ứng dụng - Ứng dụng trong ngành điện – điện tử: máy lắp linh kiện điện tử, phun keo nhiệt trên các con chip trên bảng mạch với tốc độ và độ chính xác cao. Thường sử dụng AC servo để đáp ứng các yêu cầu này. Hình 2.2 Ứng dụng servo trong việc lắp ráp linh kiện điện tử - Ứng dụng trong ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống, thiết bị y tế: nhu cầu về quy trình không chỉ đảm bảo về an toàn mà còn phải đạt đủ các tiêu chuẩn về chất lượng nên động cơ servo đang được xem là một giải pháp trong lĩnh vực này. - Ứng dụng trong ngành sản xuất khuôn mẫu, gia công phôi: cơ khí chiếm tầm quan trọng cực kỳ cao trong bất kỳ cơ cấu nào nên yêu cầu về cơ khí ngày càng được đề cao về sự chính xác. Vì thế, các động cơ servo với độ phân giải bộ mã hóa lớn, được ứng dụng trong các quy trình khuôn mẫu cần độ chính xác đến hàng micrometer. 8
Hình 2.3 Ứng dụng servo trong ngành sản xuất khuôn mẫu 2.3 Giới thiệu thiết bị trong mô hình 2.3.1 Bộ điều khiển driver amplifier MR – J4 – B Hình 2.4 Bộ điều khiển MR – J4 – B 9
Hình 2.5 Hình ảnh cấu tạo bên trong bộ driver amplifier MR-J4_B Chức năng các chân của bộ driver amplifier MR-J4-B Tên chân Chức năng CN1A Kết nối với cáp SSCNET III. Được sử dụng để kết nối với bộ điều khiển hoặc chân CN1B của bộ driver amplifier của trục trước. CN1B Kết nối với cáp SSCNET III. Được sử dụng để kết nối với chân CN1A của bộ driver amplifier của trục sau. 10