Giáo trình Lắp ráp hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS) (Nghề: Cơ điện tử): Phần 1 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

Chia sẻ: Bánh Bèo Xinh Gái | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:53

Thêm vào BST

Báo xấu

54
lượt xem 8
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

(NB) Giáo trình Lắp ráp hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS) (Nghề: Cơ điện tử): Phần 1 cung cấp cho người học những kiến thức như: Giới thiệu tổng quan về hệ thống sản xuất có cấu trúc mô dun; cảm biến trên MPS; các cơ cấu chấp hành trên MPS. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Lắp ráp hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS) (Nghề: Cơ điện tử): Phần 1 - Trường CĐ Nghề Kỹ thuật Công nghệ

1 TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm.
2 LỜI GIỚI THIỆU Để thực hiện biên soạn giáo trình đào tạo nghề Cơ điện tử ở trình độ Cao Đẳng và Trung Cấp, giáo trình Lắp ráp Hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS) là một trong những giáo trình mô đun đào tạo chuyên ngành được biên soạn theo nội dung chương trình chi tiết mô đun Lắp ráp Hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS). Nội dung biên soạn ngắn gọn, dễ hiểu, tích hợp kiến thức và kỹ năng chặt chẽ với nhau, lôgíc. Ngày nay, với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học công nghệ trong hầu hết mọi lĩnh vực nói chung, và lĩnh vực Cơ điện tử nói riêng. Chính vì vậy, việc hiểu biết và nắm bắt kiến thức về Hệ thống sản xuất linh hoạt,… là một nhu cầu kiến thức cần thiết cho cán bộ kỹ thuật Cơ điện tử, tự động hoá,… Nội dung giáo trình được bố cục bao gồm 9 bài với nội dung như sau: Bài 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống sản xuất có cấu trúc mô dun Bài 2: Cảm biến trên MPS Bài 3: Các cơ cấu chấp hành trên MPS Bài 4: Hệ thống điều khiển và giám sát MPS Bài 5: Các mô dun của hệ thống MPS Bài 6: Thực tập các mô đun Trong giáo trình này tác giả đã sử dụng nhiều tài liệu tham khảo và biên soạn theo một trật tự logic nhất định. Tuy nhiên, tùy theo điều kiện cơ sở vật chất và trang thiết bị tại trường có thể sử dụng cho phù hợp. Mặc dù đã cố gắng tổ chức biên soạn để đáp ứng được mục tiêu đào tạo nhưng không tránh được những khiếm khuyết. Rất mong nhận được đóng góp ý kiến của quý thầy, cô giáo, bạn đọc để nhóm biên soạn sẽ hiệu chỉnh hoàn thiện hơn.Các ý kiến đóng góp xin gửi về Khoa Điện tử điện lạnh Trường Cao đẳng nghề Kỹ thuật Công nghệ. Hà Nội, ngày tháng năm 2019 BAN CHỦ NHIỆM BIÊN SOẠN GIÁO TRÌNH NGHỀ: CƠ ĐIỆN TỬ TRƯỜNG CAO ĐẲNG NGHỀ KỸ THUẬT CÔNG NGHỆ
3 MỤC LỤC TRANG LỜI GIỚI THIỆU .............................................................................................. 2 BÀI 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẢN XUẤT CÓ CẤU TRÚC MÔ ĐUN ............................................................................................. 11 1. Giới thiệu về cảm biến trên MPS. ............................................................... 11 1.1 Phân loại................................................................................................. 11 1.2 Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 15 1.2.1. Cảm biến tuyến tính và quay.............................................................. 15 1.2.2. Cảm biến tiếp cận ............................................................................ 16 1.2.3. Cảm biến quang ............................................................................... 16 2. Giới thiệu về cơ cấu chấp hành trên MPS.................................................. 17 2.1. Phân loại ................................................................................................ 17 2.2. Nguyên lý hoạt động .............................................................................. 17 2.2.1. Cơ cấu chấp hành điện ....................................................................... 17 2.2.2. Cơ cấu chấp hành điện cơ ................................................................ 18 2.2.3. Cơ cấu chấp hành điện từ ................................................................ 18 3. Giới thiệu về hệ thống điều khiển của MPS................................................ 19 4. Giới thiệu phần mềm trên MPS................................................................... 20 4.1 Chức năng của phần mềm STEP 7......................................................... 21 4.2 Các bước thực hiện để viết một chương trình điều khiển. ..................... 21 4.3 Hệ lệnh của phần mềm step7 ................................................................. 21 BÀI 2: CẢM BIẾN TRÊN MPS ..................................................................... 23 1.Giới thiệu các loại cảm biến ......................................................................... 23 1.1.Cảm biến tiệm cận điện cảm (Inductive Proximity Sensor) .................. 23 1.2. Cấu trúc của cảm biến tiệm cận điện cảm ............................................. 24 1.3. Cảm biến tiệm cận điện dung (Capacitive Proximity Sensor) .............. 24 2.Nguyên lý hoạt động của cảm biến .............................................................. 25 2.1. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện cảm ......................... 25 2.2. Nguyên lý hoạt động của cảm biến tiệm cận điện dung ....................... 26
4 3.Cách thức kết nối cảm biến .......................................................................... 28 BÀI 3: CÁC CƠ CẤU CHẤP HÀNH TRÊN MPS ........................................ 31 1. Giới thiệu các cơ cấu chấp hành ................................................................. 31 2. Hệ thống khí nén ......................................................................................... 32 2.1. Xilanh .................................................................................................... 32 2.1.1.Xilanh tác động đơn ............................................................................ 32 2.1.2.Xilanh tác động kép............................................................................. 33 2.2. Động cơ khí nén .................................................................................... 37 2.2.1. Động cơ kiểu bánh rang ..................................................................... 37 2.2.2. Động cơ kiểu Pittông .......................................................................... 38 2.2.3. Động cơ kiểu cánh gạt ........................................................................ 38 2.2.4. Động cơ tuabin. .................................................................................. 39 3. Hệ thống thủy lực ........................................................................................ 39 3.1 Xilanh thủy lực ...................................................................................... 39 3.1.1.Xy lanh tác động đơn .......................................................................... 39 3.1.2.Xy lanh tác động kép........................................................................... 40 3.1.3.Xy lanh quay ....................................................................................... 41 3.2 Động cơ thủy lực ................................................................................... 42 3.2.1 Bơm bánh răng .................................................................................... 42 3.2.2. Bơm trục vít ........................................................................................ 44 3.2.3. Bơm cánh gạt ..................................................................................... 45 3.2.4. Bơm pittông........................................................................................ 46 4. Động cơ DC................................................................................................. 49 BÀI 4: HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MPS ............................ 54 1.Giới thiệu PLC ............................................................................................. 54 2.Giới thiệu WINCC ....................................................................................... 57 2.1.Cấu hình (hardware) ............................................................................... 57 2.2.Cài đặt Mô phỏng Tags (Tags Simulator) .............................................. 58 2.3.Gỡ bỏ WinCC (Deinstalltation): ............................................................ 58 3.Kỹ thuật lập trình hệ thống giám sát WINCC .............................................. 59
5 3.1.Tạo dự án "Project" mới: ........................................................................ 59 3.2.Chọn PLC hoặc Drivers từ Tag Management .......................................... 60 3.3. Giao diện I/O ......................................................................................... 61 BÀI 5: CÁC MÔ ĐUN CỦA HỆ THỐNG MPS............................................ 63 1. Mô đun cấp phôi .......................................................................................... 63 1.1.Chức năng .............................................................................................. 63 1.2.Trạm phân phối bao gồm các module .................................................... 64 1.3.Vai trò một số module chính của trạm phân phối .................................. 64 2. Mô đun kiểm tra .......................................................................................... 65 2.1.Chức năng .............................................................................................. 65 2.2.Trạm kiểm tra bao gồm các module ...................................................... 65 2.3.Vai trò một số module chính của trạm kiểm tra .................................... 65 3. Mô đun gia công .......................................................................................... 68 3.1.Chức năng .............................................................................................. 68 3.2.Trạm gia công bao gồm các module ...................................................... 68 3.3.Vai trò một số module chính của trạm gia công .................................... 68 4. Mô đun vận hành ......................................................................................... 70 4.1. Trạm bắt tay (HANDLING STATION) ............................................... 70 4.1.1.Chức năng ........................................................................................... 71 4.1.2.Trạm Handling bao gồm các module .................................................. 71 4.1.3.Vai trò một số module chính của trạm Handling ................................ 71 4.2. Trạm Đệm (BUFFER STATION) ........................................................ 72 4.2.1. Chức năng .......................................................................................... 72 4.2.2.Trạm Handling bao gồm các module .................................................. 72 4.2.3.Vai trò một số module chính của trạm Buffer .................................... 72 5. Mô đun robot ............................................................................................... 73 5.1. Chức năng ............................................................................................. 74 5.2.Trạm Robot bao gồm các module .......................................................... 74 5.3.Vai trò một số module chính của trạm Robot ........................................ 74 6. Mô đun lắp ráp ............................................................................................ 76
6 6.1. Chức năng ............................................................................................. 76 6.2.Trạm Robot bao gồm các module .......................................................... 76 6.3.Vai trò một số module chính của trạm Robot ........................................ 77 7. Mô đun Dập ................................................................................................. 78 7.1.Chức năng .............................................................................................. 78 7.2.Cấu tạo, hoạt động trạm dập .................................................................. 78 8. Mô đun phân loại ......................................................................................... 79 8.1. Chức năng ............................................................................................. 79 8.2.Trạm phân loại bao gồm những module ................................................ 79 8.3.Vai trò một số module chính của trạm phân loại ................................... 80 BÀI 6: THỰC TẬP CÁC MÔ ĐUN ............................................................... 83 1. Vận hành các trạm phân phối, kiểm tra, quá trình của hệ thống MPS ....... 83 1.1. Vận hành trạm phân phối ...................................................................... 83 1.1.1.Hoạt động: ........................................................................................... 83 1.1.2.Bảng địa chỉ......................................................................................... 84 1.2.Vận hành trạm kiểm tra .......................................................................... 86 1.2.1.Họat động ............................................................................................ 86 1.2.2.Bảng địa chỉ......................................................................................... 87 1.3. Vận hành trạm gia công ........................................................................ 89 1.3.1.Quy trình họat động: ........................................................................... 89 1.3.2.Bảng địa chỉ......................................................................................... 90 2. Vận hành các trạm bắt tay, đệm của hệ thống MPS .................................. 92 2.1. Vận hành trạm bắt tay ........................................................................... 92 2.1.1.Quy trình họat động: ........................................................................... 92 2.1.2.Bảng địa chỉ......................................................................................... 93 2.2. Vận hành trạm đệm ............................................................................... 95 2.2.1.Quy trình họat động ............................................................................ 95 2.2.2.Bảng địa chỉ......................................................................................... 96 3. Vận hành trạm rô bốt hệ thống MPS ........................................................... 97 3.1.Quy trình họat động: .............................................................................. 97
7 4. Vận hành trạm lắp ráp, sắp xếp của hệ thống MPS .................................. 107 4.1. Quy trình họat động ............................................................................ 107 4.2.Bảng địa chỉ.......................................................................................... 108 5. Viết chương trình điều khiển PLC cho các trạm của hệ thống MPS ....... 109 5.1. Viết chương trình điều khiển PLC cho trạm cấp phôi ........................ 109 5.1.1. Lưu đồ chương trình cho trạm cấp phôi........................................... 111 5.1.2. Bảng địa chỉ vào/ra........................................................................... 112 5.1.3. Trình tự thực hiện ............................................................................. 112 5.2. Viết chương trình điều khiển PLC cho trạm phân loại ....................... 113 5.2.1. Lưu đồ chương trình cho trạm phân loại ......................................... 113 5.2.2. Bảng địa chỉ vào/ra........................................................................... 115 5.1.3. Trình tự thực hiện ............................................................................. 115 6. Viết chương trình giám sát WINCC cho các trạm MPS .......................... 116 6.1. Khởi động WINCC ............................................................................. 116 6.2. Khai báo giao thức truyền thông giữa WINCC và PLC ..................... 117 6.3. Khởi tạo các TAG trao đổi dữ liệu...................................................... 119 6.4. Viết chương trình giám sát WINCC cho trạm Cấp phôi .................... 123 6.5. Viết chương trình giám sát WINCC cho trạm phân loại .................... 123 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................. 125
8 GIÁO TRÌNH MÔ ĐUN Tên mô đun: Lắp ráp Hệ thống sản xuất linh hoạt (MPS) Mã mô đun: MĐ CĐT 31 Vị trí, tính chất, ý nghĩa và vai trò của mô đun: - Vị trí: Trước khi học mô đun này học sinh phải hoàn thành: các môn học, mô đun cơ sở và học sau MĐ 30 - Tính chất: Là mô đun tích hợp lý thuyết với thực hành. - Ý nghĩa và vai trò của môn học/mô đun: +Ý nghĩa: Mô đun cho ta có cái nhìn thực tế hơn về lĩnh vực điều khiển Hệ thống sản xuất linh hoạt trong công nghiệp. +Vai trò: Mô đun đóng vai trò quan trong sản xuất công nghiệp đặt biệt những nước có nền công nghiệp phát triển và đang phát triển. - Mục tiêu của mô đun: - Về kiến thức: + Mô tả được, nguyên lý, cơ cấu hoạt động của hệ thống sản xuất có cấu trúc modul. + Phân tích được nguyên lý vận hành của các modul cấp phôi, kiểm tra, gia công ,vận hành, lắp ráp, phân loại và các cơ cấu chấp hành của các modul - Về kỹ năng: + Thực hiện được công việc bảo trì, bảo dưỡng các mô đun cấp phôi, kiểm tra, gia công ,vận hành, lắp ráp, phân loại và các cơ cấu chấp hành của các modul - Về thái độ: + Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Nội dung của mô đun: Thời gian (giờ) Số Thực hành, thí Tên các bài trong mô đun Tổng Lý Kiểm TT nghiệm, thảo số thuyết tra luận, bài tập 1 Bài 1: Giới thiệu tổng quan về hệ thống sản xuất có cấu trúc mô 6 4 2 dun
9 1. Giới thiệu về cảm biến trên MPS. 2. Giới thiệu về cơ cấu chấp hành trên MPS. 3. Giới thiệu về hệ thống điều khiển của MPS. 4. Giới thiệu phần mềm trên MPS. 2 Bài 2: Cảm biến trên MPS 5 2 2 1 1.Giới thiệu các loại cảm biến 2.Nguyên lý hoạt động của cảm biến 3.Cách thức kết nối cảm biến 3 Bài 3: Các cơ cấu chấp hành trên 4 2 2 MPS 1. Giới thiệu các cơ cấu chấp hành 2. Hệ thống khí nén 3. Hệ thống thủy lực 4. Động cơ DC 4 Bài 4: Hệ thống điều khiển và 11 4 6 1 giám sát MPS 1.Giới thiệu PLC 2.Giới thiệu WINCC 3.Kỹ thuật lập trình hệ thống giám sát WINCC 5 Bài 5: Các mô dun của hệ thống 10 4 6 MPS 1. Mô đun cấp phôi 2. Mô đun kiểm tra 3. Mô đun gia công 4. Mô đun vận hành
10 5. Mô đun robot 6. Mô đun lắp ráp 7. Mô đun Dập 8. Mô đun phân loại 6 Bài 6: Thực tập các mô đun 50 11 37 2 1. Vận hành các trạm phân phối, kiểm tra, quá trình của hệ thống MPS 2. Vận hành các trạm bắt tay, đệm của hệ thống MPS 3. Vận hành trạm rô bốt hệ thống MPS 4. Vận hành trạm lắp ráp, sắp xếp của hệ thống MPS 5. Viết chương trình điều khiển PLC cho các trạm của hệ thống MPS 6. Viết chương trình giám sát WINCC cho các trạm MPS Thi kết thúc mô đun 4 4 Cộng 90 27 55 8
11 BÀI 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẢN XUẤT CÓ CẤU TRÚC MÔ ĐUN Mã bài: MĐ CĐT 31-01 Giới thiệu: Hệ thống sản xuất linh hoạt MPS bao gồm các trạm ghép nối với nhau và được điều khiển bằng PLC ghép nối theo mạng truyền thông công nghiệp. Trên mỗi trạm được tích hợp các thiết bị cảm biến, cơ cấu chấp hành và thiết bị điều khiển PLC, hệ thống khí nén... Bài học này giới thiệu tổng quan về cảm biến, các cơ cấu chấp hành, phần mềm và các trạm trên hệ thống MPS của hãng FESTO. Mục tiêu: - Trình bày được các mô đun hệ thống điều khiển của MPS. - Ứng dụng hệ thống điều khiển của MPS trong công nghiệp - Chủ động, sáng tạo và an toàn trong quá trình học tập. Nội dung chính: 1. Giới thiệu về cảm biến trên MPS. Cảm biến là một thiết bị mà khi được đặt vào một hiện tượng vật lý (nhiệt độ, dịch chuyển, lực, v.v..) sẽ tạo ra tín hiệu đầu ra tỷ lệ (điện, cơ học, từ, v.v..). Thuật ngữ bộ chuyển đổi thường được dùng đồng nghĩa với cảm biến. Tuy nhiên, về ý tưởng, một cảm biến là một thiết bị phản hồi lại với thay đổi trong hiện tượng vật lý. Nói cách khác, bộ chuyển đổi là thiết bị biến đổi một dạng năng lượng này thành một dạng năng lượng khác. Cảm biến là các bộ chuyển đổi khi chúng thu nhận một dạng năng lượng ở đầu vào và đưa ra đầu ra một dạng năng lượng khác. Ví dụ, một cặp nhiệt kế phản ứng với sự thay đổi nhiệt độ (nhiệt năng) và đưa ra sự thay đổi tỷ lệ dưới dạng lực điện động (điện năng). Như vậy, có thể gọi một cặp nhiệt kế là một cảm biến hoặc một bộ chuyển đổi. 1.1 Phân loại Bảng dưới đây liệt kê các dạng khác nhau của cảm biến được phân loại bằng các đối tượng đo của chúng. Mặc dù bản liệt kê này không phải là toàn bộ nhưng nó đã bao gồm tất cả các dạng cơ bản kể cả những cảm biến thế hệ mới như cảm biến dùng vật liệu thông minh, vi cảm biến, và cảm biến nano.
12 Bảng 1.1. Phân loại cảm biến và cơ cấu chấp hành Cảm biến Đặc tính Cảm biến thẳng/quay Bộ chuyển đổi sai phân Độ phân giải cao với dải đo rộng thẳng/quay Rất ổn định trong các ứng dụng tĩnh và giả tĩnh Encoder quang Giải pháp đơn giản, tin cậy, và giá thành thấp Tốt cho cả đo lường tuyệt đối lẫn tương đối Đầu đo tốc độ dạng điện Độ phân giải phụ thuộc vào kiểu như máy phát hoặc cảm biến từ Cảm biến theo hiệu ứng Độ chính xác cao đối với dải đo nhỏ đến trung Hall bình Đầu đo kiểu điện dung Độ phân giải rất cao với độ nhạy cao Tiêu thụ năng lượng thấp Tốt cho các đo lường động lực tần số cao Các đầu đo biến dạng Độ chính xác rất cao trong dải đo nhỏ Độ phân giải cao tại các mức nhiễu thấp Cảm biến kiểu giao thoa Hệ thống laze có độ phân giải rất cao trong các dải đo rộng Rất tin cậy và đắt Cảm biến từ tính Đầu ra là tín hiệu sin Cảm biến Đặc tính Con quay hồi chuyển Độ phân giải rất cao trong dải đo nhỏ Cảm biến gia tốc Đầu đo gia tốc chấn động Tốt cho đo lường các tần số lên tới 40% tần số tự nhiên của nó Đầu đo gia tốc kiểu áp điện Độ nhạy cao, gọn, và khỏe Tần số tự nhiên rất cao (thường 100 kHz) Cảm biến lực, mô men, và áp suất Đầu đo biến dạng Tốt cho cả đo lường tĩnh và động Lực kế/các đầu đo lực Chúng cũng sẵn có như các vi cảm biến và nano cảm biến Đầu đo lực kiểu áp điện Tốt cho các đo lường lực động với độ chính xác cao
13 Cảm biến xúc giác Gọn, có dải động lực rộng và cao Cảm biến ứng suất siêu âm Tốt cho các đo lường lực nhỏ Cảm biến luồng Ống Pitot Được sử dụng rộng rãi như là cảm biến tốc độ luồng để xác định vận tốc các vật bay Tấm phun Ít tốn kém với dải đo giới hạn Ống venturi, vòi phun Chính xác với dải đo rộng Phức tạp và đắt hơn Lưu lượng kế Tốt cho đo lường luồng ngược dòng Được dùng kết hợp với cảm biến điện dung Kiểu siêu âm Tốt khi tốc độ dòng rất cao Có thể dùng cho cả đo lường ngược dòng lẫn xuôi dòng Bộ đo dòng dạng ống Không thích hợp cho chất lỏng chứa các phần tử mài mòn Quan hệ giữa tốc độ dòng và vận tốc góc là tuyến tính Bộ đo dòng dạng điện từ Ít xâm nhập do là dạng không tiếp xúc Có thể dùng với chất lỏng ăn mòn, nhiễm bẩn, v.v.. Chất lỏng phải dẫn điện Cảm biến nhiệt Cặp nhiệt Là cảm biến rẻ nhất và đa năng nhất Có thể dùng trong khoảng nhiệt độ rộng (thường từ -200oC đến 1200oC) Nhiệt điện trở Độ nhạy rất cao trong dải đo trung bình (thường lên tới 100oC) Gọn nhưng bản chất không tuyến tính Điôt nhiệt, tranzito nhiệt Thích hợp về mặt lý tưởng cho các đo lường nhiệt độ chip Được tối thiểu hóa việc tự làm nóng RTD – bộ dò nhiệt điện trở Ổn định hơn trong dải thời gian dài so với cặp nhiệt Tuyến tính trên dải đo rộng Dạng hồng ngoại Cảm biến dạng điểm không tiếp xúc với độ phân giải giới hạn bởi bước sóng
14 Bộ ghi nhiệt hồng ngoại Đo phân bố toàn bộ trường nhiệt Cảm biến tiếp cận Điện cảm, dòng điện Thao tác ngắt không tiếp xúc bền vững xoáy, hiệu ứng Hall, Đầu ra dạng số thường được dẫn trực tiếp đến bộ quang điện, điện dung, điều khiển số v.v.. Cảm biến Đặc tính Cảm biến quang Quang trở, điôt quang, Đo cường độ sáng với độ nhạy cao tranzito quang, chất dẫn Cảm biến giá rẻ, tin cậy, và không tiếp xúc quang, v.v.. Điôt ghép nối điện tích Bắt ảnh số trong trường quan sát Cảm biến vật liệu thông minh Sợi quang Thay thế đầu đo biến dạng với độ chính xác và dải thông rất cao Cảm biến biến dạng Cảm Nhạy với phản xạ hướng và tình trạng bề mặt biến mức Độ phân giải cao trong dải đo rộng Cảm biến lực Cảm biến Độ phân giải và dải đo cao (lên tới 2000oC) nhiệt Áp điện Đo phân bố với độ phân giải và dải thông cao Cảm biến biến dạng Thích hợp nhất cho các ứng dụng động lực Cảm biến lực Ít trễ và độ chính xác điểm đặt tốt Đầu đo giá tốc kế Từ giảo Cảm biến lực gọn nhẹ với độ phân giải và dải Cảm biến lực thông cao Tốt cho các ứng dụng đo phân tán và Cảm biến không tiếp xúc Chính xác, dải thông cao, và mômen không tiếp xúc Vi cảm biến và nano cảm biến Vi cảm biến hình ảnh CCD Kích thước nhỏ
15 Sợi quang Tầm nhìn nhỏ (đường kính 0,2 mm) dùng cơ cấu chấp hành cuộn SMA Vi cảm biến siêu âm Phát hiện lỗi trong đường ống nhỏ Vi cảm biến xúc giác Phát hiện độ tiếp cận giữa đầu ống thông nước tiểu và mạch máu 1.2 Nguyên lý hoạt động 1.2.1. Cảm biến tuyến tính và quay Các cảm biến vị trí tịnh tiến và quay là hai trong các đo lường cơ bản nhất dùng trong một hệ cơ điện tử điển hình. Các loại cảm biến vị trí phổ biến nhất được liệt kê trong bảng 16.1. Thông thường, các cảm biến vị trí đưa ra tín hiệu điện tỷ lệ với dịch chuyển cần đo. Có các loại cảm biến tiếp xúc như đầu đo biến dạng, LVDT, RVDT, đầu đo tốc độ, v.v.. Các dạng không tiếp xúc gồm có encoder, cảm biến theo hiệu ứng Hall, cảm biến điện dung, điện cảm, và giao thoa kế. Cũng có thể phân loại chúng dựa trên dải đo. Dạng cảm biến có độ phân giải cao như hiệu ứng Hall, điện cảm sợi quang, điện dung, và đầu đo biến dạng chỉ thích hợp cho những dải đo rất nhỏ (thường từ 0,1 mm đến 5 mm). Nói cách khác, bộ biến đổi vi sai có dải đo lớn hơn với độ phân giải tốt. Các cảm biến kiểu giao thoa cung cấp độ phân giải rất cao (cỡ micro) và dải đo lớn (thường lên tới 1 m). Tuy nhiên, cảm biến kiểu giao thoa có kích thước lớn, đắt tiền, và cần nhiều thời gian cài đặt. Hình 1.1. Đầu đo biến dạng Trong số nhiều cảm biến dịch chuyển tuyến tính, đầu đo biến dạng có độ phân giải cao với mức nhiễu thấp và giá thành không cao. Một đầu đo biến dạng kiểu điện trở điển hình là lá điện trở được sắp xếp như thấy trên hình vẽ. Đo biến dạng pháp tuyến của một phần tử bị kéo căng được thực hiện như thấy trên hình 1.2. Đầu đo biến dạng 1 được liên kết với phần tử chịu tải trong khi đầu đo biến dạng 2 được liên kết với phần tử thứ hai được làm bằng vật liệu tương tự nhưng không chịu tải. Sự bố trí này sẽ bù được các hiệu ứng nhiệt. Khi phần tử bị chịu tải,
16 đầu đo biến dạng 1 sẽ bị kéo dài làm thay đổi điện trở của đầu đo biến dạng. Sự thay đổi điện trở được chuyển đổi thành thay đổi điện áp bằng mạch cầu wheatstone cảm ứng điện áp. Giả thiết rằng, điện trở của cả bốn nhánh ban đầu bằng nhau, sự thay đổi trong điện áp đầu ra ( Dν0 ) do sự thay đổi điện trở ( DR0 ) của đầu đo 1 là: Hình 1.2. Đầu đo biến dạng 1.2.2. Cảm biến tiếp cận Được dùng để cảm nhận độ tiếp cận của một vật thể so với vật thể khác. Chúng thường cho tín hiệu on hoặc off nhằm biểu diễn sự có mặt hay không có mặt của một vật thể. Các cảm biến tiếp cận thường là các dạng cảm ứng, điện dung, quang điện và hiệu ứng Hall. Cảm biến tiếp cận dạng cảm ứng gồm một cuộn dây quấn quanh một lõi sắt mềm. Độ tự cảm của cảm biến thay đổi khi một vật có từ tính ở gần nó. Sự thay đổi này được chuyển thành chuyển mạch trigơ điện áp. Các dạng điện dung tương tự dạng cảm ứng trừ sự tiếp cận của một vật thể thay đổi khoảng cách và tác động đến điện dung. Cảm biến dạng quang điện thường nối thẳng với một nguồn sáng hồng ngoại. Sự tiếp cận của một vật chuyển động sẽ ngắt tia sáng gây nên sự thay đổi cấp độ điện áp. Điện áp hiệu ứng Hall sinh ra khi dây dẫn mang dòng điện được đặt trong một từ trường ngang. Điện áp tỷ lệ với dịch chuyển ngang giữa cảm biến hiệu ứng Hall và vật thể tiếp cận nó. 1.2.3. Cảm biến quang Cường độ ánh sáng và tầm nhìn là hai dạng đo lường quan trọng trong rất nhiều ứng dụng điều khiển. Tranzito quang, quang trở, và điôt quang là những dạng thường thấy của các cảm biến cường độ ánh sáng. Một quang trở thông thường được làm từ catmi sunfua có điện trở lớn nhất khi cảm biến ở trong bóng tối. Khi
17 quang trở được đặt dưới ánh sáng, điện trở của nó giảm tỷ lệ với cường độ ánh sáng. Khi kết hợp với một mạch như trên hình 1.2 và được cân bằng, sự thay đổi cường độ ánh sáng sẽ được chuyển thành sự thay đổi điện áp. Các cảm biến này đơn giản, tin cậy và rẻ được dùng rộng rãi trong các phép đo cường độ ánh sáng. 2. Giới thiệu về cơ cấu chấp hành trên MPS. Về cơ bản, các cơ cấu chấp hành là phần cơ phía sau một hệ cơ điện tử, nhận lệnh điều khiển (hầu hết là dạng tín hiệu điện) và sinh ra một sự thay đổi trong hệ vật lý bằng cách tạo lực, chuyển động, nhiệt, dòng chảy, v.v.. Thông thường, các cơ cấu chấp hành được sử dụng kết hợp với nguồn năng lượng và một cơ cấu ghép nối như trên hình 1.3. Phần nguồn cung cấp năng lượng AC hoặc DC với điện áp hay dòng điện định mức. Cơ cấu ly hợp là phần trung gian giữa cơ cấu chấp hành và hệ vật lý. Các cơ cấu thông thường là thanh răng-bánh răng, truyền động bánh răng, truyền đông đai, vítme-đai ốc, pít-tông và các thanh nối. 2.1. Phân loại Cơ cấu chấp hành có thể phân loại dựa trên dạng năng lượng như liệt kê trong bảng 1.1. Bảng này liệt kê tất cả các dạng cơ bản nhất. Về cơ bản có các dạng điện, điện-cơ, điện-từ, thủy lực và khí nén. Các dạng cơ cấu chấp hành thế hệ mới bao gồm cơ cấu chấp hành vật liệu thông minh, vi cơ cấu chấp hành và cơ cấu chấp hành nano. Cơ cấu chấp hành cũng có thể phân loại thành dạng nhị phân và liên tục dựa trên số lượng đầu ra trạng thái ổn định. Một rơle với 2 trạng thái ổn định là một ví dụ điển hình của cơ cấu chấp hành dạng nhị phân. Tương tự, một động cơ bước là một ví dụ điển hình cho cơ cấu chấp hành dạng liên tục. Khi được dùng cho điều khiển vị trí, động cơ bước có thể cung cấp các đầu ra ổn định với số gia dịch chuyển rất nhỏ. 2.2. Nguyên lý hoạt động 2.2.1. Cơ cấu chấp hành điện Các bộ chuyển mạch điện là sự lựa chọn của các cơ cấu chấp hành dùng cho hầu hết các hoạt động điều khiển đóng-mở. Các thiết bị chuyển mạch như điôt, tranzito, triac, MOSFET, và rơle nhận một tín hiệu ra lệnh ở cấp năng lượng thấp từ bộ điều khiển và tác động đóng hay mở các thiết bị điện như động cơ, van và các bộ phận nung. Ví dụ, một bộ chuyển MOSFET được thấy trên hình 16.8. Cực cổng nhận tín hiệu điều khiển mức năng lượng thấp từ bộ điều khiển để đóng hoặc ngắt kết nối giữa
18 nguồn cung cấp và tải cơ cấu chấp hành. Khi sử dụng các chuyển mạch, nhà thiết kế phải chắc chắn loại bỏ được vấn đề nhảy trạng thái bằng phần cứng hoặc bằng phần mềm. 2.2.2. Cơ cấu chấp hành điện cơ Cơ cấu chấp hành điện cơ thông dụng nhất là động cơ, biến đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Các động cơ là thiết bị chủ yếu dùng cho việc biến đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học trong công nghiệp. Nói chung, động cơ có thể được phân thành động cơ một chiều, động cơ xoay chiều, và động cơ bước. Động cơ một chiều hoạt động nhờ điện áp một chiều và việc thay đổi điện áp có thể dễ dàng điều khiển tốc độ của chúng. Động cơ được dùng rộng rãi trong dải các ứng dụng từ các động cơ hàng nghìn mã lực dùng trong cán cuộn tới các động cơ mã lực nhỏ dùng trong ô tô (động cơ khởi động, động cơ quạt, động cơ gạt nước, v.v..). Hình 1.3.Thiết bị chấp hành thông thường 2.2.3. Cơ cấu chấp hành điện từ Solenoid là cơ cấu chấp hành điện từ thông dụng nhất. Một cơ cấu chấp hành solenoid một chiều bao gồm một lõi sắt từ nằm trong một cuộn dây mang điện. Khi cuộn dây có điện, từ trường sinh ra lực đẩy hoặc kéo lõi sắt. Các cuộn kim loại xoay chiều cũng có thể xem như rơle kích thích xoay chiều. Một solenoid điều khiển một van định hướng được đưa ra. Thông thường, do lực lò xo, lõi sắt mềm được đẩy sang vị trí tận cùng bên trái. Khi solenoid được kích thích, lõi sắt từ sẽ chuyển sang vị trí tận cùng bên phải nhờ đó sinh ra sự khởi động điện từ. Một dạng quan trọng khác là nam châm điện. Các nam châm điện được dùng rộng rãi trong các ứng dụng cần lực lớn. Cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén Các cơ cấu chấp hành thủy lực và khí nén thường là động cơ quay hoặc pít- tông/xy lanh hay van điều khiển. Chúng phù hợp cho các ứng dụng cần lực cùng với
19 dịch chuyển lớn. Cơ cấu chấp hành khí nén dùng khí nén, thích hợp cho các ứng dụng lực thấp và trung bình, hành trình ngắn và tốc độ cao. Các cơ cấu chấp hành dùng dầu áp lực không được nén. Chúng có thể sinh ra lực rất lớn cùng với dịch chuyển lớn một cách hiệu quả. Nhược điểm của các cơ cấu chấp hành này là phức tạp và phải bảo dưỡng nhiều. Các động cơ quay thường được dùng trong các ứng dụng vận tốc thấp và mômen lớn. Các cơ cấu chấp hành xy lanh/pít-tông thích hợp cho ứng dụng chuyển động tịnh tiến như điều khiển cánh máy bay. Van điều khiển ở dạng van điều khiển định hướng được dùng kết hợp với động cơ quay và xy lanh để điều khiển hướng dòng chất lỏng. Trong các van điều khiển định hướng điều khiển bởi solenoid, vị trí van quyết định hướng dịch chuyển của xy lanh/pít-tông. 3. Giới thiệu về hệ thống điều khiển của MPS. Hệ thống mps của hãng festo dùng trong việc giảng dạy các môn học như: Lập trình PLC ( PLC của Siemen), Mạng PLC, Robot công nghiệp, Mạng truyền thông công nghiệp, hệ thống MPS, hệ thống PCS... Hệ thống MPS của Festo được thiết kế với 9 trạm hoạt động trình tự, mỗi trạm được điều khiển bởi 1 PLC S7-300 của hãng Siemen ( tức là có 8 PLC cho 8 trạm và 1 trạm sử dụng cánh tay robot) Hình 1.4. Hệ thống MPS
20 Sơ đồ khối của hệ thống các trạm MPS 1.Trạm lắp ráp 2. Bảng điều khiển 3. Tay gắp phôi 4. Ống cấp phôi Khối PLC nằm bên trong trạm. Chức năng: Gắp phôi sang trạm phân loại phôi. Hình 1.5.Trạm cấp phôi Đây là trạm phân loại của Festo : 1. Bảng điều khiển. 2. Cơ cấu xy lanh và tay gạt phôi. 3. Cơ cấu băng tải. 4. Cơ câu khay chứa phôi. Khối PLC nằm bên trong trạm. Chức năng: phân loại các chi tiết phôi tùy theo đặc tính. Hình 1.6. Trạm phân loại 4. Giới thiệu phần mềm trên MPS. Phần mềm trên MPS sử dụng STEP7- MANAGER để lập trình