Đồ án tốt nghiệp Robot công nghiệp

136 trang phuongnguyen 4990

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Đồ án tốt nghiệp Robot công nghiệp", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

do_an_tot_nghiep_robot_cong_nghiep.pdf

Nội dung text: Đồ án tốt nghiệp Robot công nghiệp

Đồ án tốt nghiệp Robot công nghiệp
Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP 1.1 Lịch sử phát triển: Thuật ngữ Robot xuất hiện vào năm 1920 trong một tác phẩm văn học của nhà văn tiệp khắc có tên là Karel Capek. Thuật ngữ Inducstrial Robot (IR) xuất hiện đầu tiên ở mỹ do công ty AMF (Americal Machine and Foundry Company) quảng cáo mô phỏng một thiết bị mang dáng dấp và có một số chức năng như tay người được điều khiển tự động thực hiện một số thao tác để sản xuất thiết bị có tên gọi Versatran. Quá trình phát triển của IR được tóm tắt như sau: - Từ những năm 1950 ở mỹ xuất hiện viện nghiên cứu đầu tiên. - Vào đầu những năm 1960 xuất hiện sản phẩm đầu tiên có tên gọi là Versatran của công ty AMF. - Ở Anh người ta bắt đầu nghiên cứu và chế tạo IR theo bản quyền của mỹ từ những năm 1967. - Ở các nước tây âu khác như: Đức, ý, Pháp, Thuỵ Điển thì bắt đầu chế tạo IR từ những năm 1970. - Châu á có Nhật Bản bắt đầu nghiên cứu ứng dụng IR từ năm 1968. Đến nay, trên thế giới có khoảng trên 200 công ty sản xuất IR trong số đó có 80 công ty của Nhật, 90 công ty của tây âu, 30 công ty của Mỹ và một số công ty của Nga, Tiệp 1
Đồ án tốt nghiệp 1.2 Phân loại rôbốt công nghiệp 1.2.1 Theo chủng loại, mức độ điều khiển, và nhận biết thông tin của tay máy-người máy đã được sản xuất trên thế giới có thể phân loại các IR thành các thế hệ sau: Thế hệ 1: Thế hệ có kiểu điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình cứng không có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 2: Thế hệ có điều khiển theo chu kỳ dạng chương trình mềm bước đầu đã có khả năng nhận biết thông tin. Thế hệ 3: Thế hệ có kiều điều khiển dạng tinh khôn, có khả năng nhận biết thông tin và bước đầu đã có một số chức năng lý trí của con người. 1.2.2 Phân loại tay máy theo cấu trúc sơ đồ động: Thông thường cấu trúc chấp hành của tay máy công nghiệp được mô hình hoá trong dạng chuỗi động với các khâu và các khớp như trong nguyên lý máy với các giả thuyết cơ bản sau: - Chỉ sử dụng các khớp động loại 5 ( khớp quay, khớp tịnh tiến, khớp vít). - Trục quay hướng tịnh tiến của các khớp thì song song hay vuông góc với nhau. - Chuỗi động chỉ là chuỗi động hở đơn giản: Ta ví dụ một chuỗi động của một tay máy công nghiệp có 6 bậc tự do, các khớp A, B, F là các khớp tổng quát, có nghĩa là chúng có thể là khớp quay, cũng có thể là khớp tịnh tiến, các khớp D, E, K chỉ là những khớp quay. Các khâu được đánh số bắt đầu từ 0-giá cố định, tiếp đến là các khâu 1, 2, n- các khâu động, khâu tổng quát ký hiệu là khâu i, (i= 1, 2, 3, n), khâu n cuối cùng mang bàn kẹp của tay máy. Tương tự như bàn tay người để bàn kẹp gồm có 3 loại chuyển động, tương ứng với các chuyển động này là 3 dạng của cấu trục máy như sau: 2
Đồ án tốt nghiệp - Cấu trúc chuyển động toàn bộ (chân người) cấu trúc này thực hiện chuyển động đem toàn bộ tay máy (tay người) đến vị trí làm việc. Cấu trúc này hết sức đa dạng và thông thường nếu không phải là tay máy hoạt động trong hệ thống mà chuyển động này cần có sự kiểm soát. Người ta thường coi tay máy là đứng yên, khâu 0 gọi là giá cố định của tay máy. - Cấu trúc xác định bàn kẹp bao gồm các khớp A,B và F các khâu 1, 2 và 3, chuyển động của cấu trúc này đem theo bàn kẹp với vị trí làm việc. Do giả thiết về loại khớp động dùng trong chế tạo máy thông thường ta có những phối hợp sau đây của các khớp và từ đó tạo nên những cấu trúc xác định vị trí của bàn kẹp trong các không gian vị trí khác nhau của bản kẹp. Phối hợp TTT nghĩa là 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một khớp quay. Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ Đề Các so với các toạ độ So vì 3 điểm M nằm trên khâu 3 khớp đều là khớp tịnh tiến và một chuyển động quay ( tức là hai toạ độ dài). Phối hợp TRT, RTT, hay TTR nghĩa là một khớp tịnh tiến hai khớp quay( các cấu trúc 2, 3, và 4). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ trụ so với điểm M trên khâu 3 được xác định bởi 2 chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay( tức là hai toạ độ dài một toạ độ gốc). Phối hợp RTR, RRT, TTR nghĩa là hai khớp tịnh tiến và hai khớp quay( các cấu trúc 5, 6, 7, 8, 9 và 10). Đây là cấu trúc hoạt động trong hệ toạ độ cầu so với hệ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi một chuyển động tịnh tiến và hai chuyển động quay( tức là một toạ độ dài hai toạ độ gốc). Phối hợp RRR tức là 3 khớp quay( các cấu trúc 11,12) đây là các cấu trúc hoạt trong toạ độ góc so với hẹ So, vì điểm M trên khâu 3 được xác định bởi ba chuyển động quay( tức là ba toạ độ góc), cấu trúc này được gọi là cấu trúc phỏng sinh học. Tuy nhiên trong thực tế, đối với các tay máy chuyên dùng ta chuyên môn hoá và đặc biệt đảm bảo giá thành và giá đầu tư vào tay máy thấp, người ta không nhất thiết lúc nào cũng phải chế tạo tay máy có đủ số ba khớp động cho cấu trúc xác định vị trí. 3
Đồ án tốt nghiệp Đối với tay máy công nghiệp đã có hơn 250 loại, trong số đó có hơn 40% là loại tay máy có điều khiển đơn giản thuộc thế hệ thứ nhất. Sự xuất hiện của IR và sự gia tăng vai trò của chúng trong sản xuất và xã hội loài người làm xuất hiện một nghành khoa học mới là nghành Robot học(Robotic). Trên thế giới nhiều nời đã xất hiện những viện nghiên cứu riêng về Robot. Ở Việt Nam, từ những năm giữa thập kỷ 80 đã có viện nghiên cứu về Robot. 1.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng của Robot: Vậy Robot là gì? cho tới hiện nay chưa có một định nghĩa chính xác về Robot, và cứ hai năm một lần người ta lại tổ chức một hội nghị khoa học bàn về Robot, nhằm thông tin những thành tựu đã đạt được trong nghiên cứu và chế tạo Robot đồng thời thống kê các thuật ngữ về Robotic, để hiểu được về IR trước hết chúng ta quan sát sở đồ cấu trúc và chức năng của IR như sau: Người vận hành Thiết bị liên hệ với người vận hành Hệ thống điều khiển Hệ thống Hệ thống Hệ thống truyền động chịu lực biến tín hiệu Môi trường bên ngoài Hình 1-1. Sơ đồ cấu trúc và chức năng của Robot. 4
Đồ án tốt nghiệp Trong sơ đồ trên, các đường chỉ mối quan hệ thông tin thuận, thông tin chỉ huy nhiệm vụ Robot. Các đường chỉ mối liên hệ thông tin ngược, thông tin phản hồi về quá trình làm việc của Robot. Chức năng của bộ phận giao tiếp là liên lạc với người vận hành là thực hiện quá trình “dạy học” cho Robot, nhờ đó Robot biết được nhiệm vụ phải thực hiện. Chức năng của hệ thống điều khiển là thực hiện việc tái hiện lại các hành động nhiệm vụ đã được “học”. Bộ phận chấp hành giúp cho Robot có đủ “sức” chịu được tải trọng mà Robot phải chịu trong quá trình làm việc, bộ phận này bao gồm: Phần 1: Bộ phận chịu chuyển động , phần tạo các khả năng chuyển động cho Robot. Phần 2: Bộ phận chịu lực, phần chịu lực của Robot. Bộ cảm biến tín hiệu: làm nhiệm vụ nhận biết, đo lường và biến đổi thông tin các loại tín hiệu như : các nội tín trong bản thân Robot, đó là các tín hiệu về vị trí, vận tốc, gia tốc, trong từng thành phần của bộ phận chấp hành các ngoại tín hiệu, là các tín hiệu từ môi trường bên ngoài có ảnh hưởng tới hoạt động của Robot. Với cấu trúc và chức năng như trên, Robot phần nào mang tính “người” còn phần máy chính là trạng thái vật lý của cấu trúc. Với IR tính chất “ người” và “máy”cũng được thể hiện đầy đủ như trên, duy trì hình thức mang dáng dấp của tay “người”. Tay máy công nghiệp thường có những bộ phận sau: Hệ thống điều khiển: thường là loại đơn giản làm việc có chu kỳ vận hành theo nguyên lý của hệ thống điều khiển hở hoặc kín. Hệ thống chấp hành: bao gồm các nguồn động lực, hệ thống truyền động, hệ thống chịu lực như: các động cơ thuỷ, khí nén, cơ cấu servo điện tử, 5
Đồ án tốt nghiệp động cơ bước. Mỗi chuyển động của IR thường có một động cơ riêng và các thanh chịu lực. - Bàn kẹp: là bộ phận công tác cuối cùng của tay máy, nơi cầm nắm các thiết bị công nghệ háy vật cần di chuyển. 6
Đồ án tốt nghiệp 1.4 Ứng dụng Robot trong công nghiệp: 1.4.1 Mục tiêu ứng dụng Robot trong công nghiệp: Nhằm góp phần nâng cao năng suất dây truyền công nghệ, giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khẩ năng cạnh tranh của sản phẩm, đồng thời cải thiện lao động. Điều đó xuất phát từ những ưu điểm cơ bản của Robot và đã được đúc kết qua nhiều năm được ứng dụng ở nhiều nước. Những ưu điểm đó là: - Robot có thể thực hiện một quy trình thao tác hợp lý, bằng hoặc hơn một người thợ lành nghề một cách ổn định trong suốt thời gian làm việc. Vì thế Robot có thể nâng cao chất lượng và khẳ năng cạnh tranh của sản phẩm. Hơn thế nữa Robot còn có thể nhanh chóng thay đổi công việc, thích nghi nhanh với việc thay đổi mẫu mã, kích cỡ của sảm phẩm theo yêu cầu của thị trường cạnh tranh. - Có khả năng giảm giá thành sản phẩm do ứng dụng Robot là bởi vì giảm được đáng kể chi phí cho người lao động nhất là ở các nước có mức cao về tiền lương của người lao động, cộng các khoản phụ cấp và bảo hiểm xã hội. Theo số liệu của Nhật Bản thì Robot làm việc thay cho một người thợ thì tiền mua Robót chỉ bằng tiền chi phí cho người thợ trong vòng 3-5 năm, tuỳ theo Robot làm việc ngày mấy ca. Còn ở Mỹ, trung bình trong mỗi giờ làm việc Robot có thể đem lại tiền lời là 13 USD. Ở nước ta trong những năm gần đay có nhiều doanh nghiệp, khoản chi phí về lương bổng cũng chiếm tỷ lệ cao trong giá thành sản phẩm. - Việc ứng dụng Robot có thể làm tăng năng suất của dây truyền công nghệ. Sở dĩ như vậy vì nếu tăng nhịp độ khẩn trương của dây truyền sản xuất, nếu không thay thế con người bằng Robot thì thợ không thể theo kịp hoặc rất 7
Đồ án tốt nghiệp chóng mệt mỏi. Theo tài liệu của Fanuc-Nhật Bản thì năng xuất có khi tăng 3 lần. Hình 1-3: ứng dụng robot trong công nghệ hàn - Ứng dụng Robot có thể cải thiện được điều kiện lao động. Đó là ưu điểm nổi bật nhất mà chúng ta cần quan tâm. Trong thực tế sản xuất có rất nhiều nơi người lao động phải lao động suốt buổi trong môi trường bụi bặm, ẩm ướt, nóng nực, hoặc ồn ào quá mức cho phép nhiều lần. Thậm trí ở nhiều nơi người lao động còn phải làm việc dưới môi trường độc hại, nguy hiểm đến sức khoẻ con người, dễ xảy ra tai nạn, dễ bị nhiễm hoá chất độc hại, nhiễm sóng điện từ, phóng xạ 1.4.2 Các bước ứng dụng Robot: Việc ưu tiên đầu tư trước hết để nhằm để đồng bộ hoá cả hệ thống thiết bị, rồi tự động hoá và Robot hoá chúng khi cần thiết để quyết định đầu tư cho cả dây truyền công nghệ hoặc chỉ ở một vài công đoạn. Người ta thường xem xét các mặt sau: - Nghiên cứu quá trình công nghệ được Robot hoá và phân tích toàn bộ hệ thống nếu không thể hiện rõ thì việc đầu tư robot hoá là chưa nên. - Xác định các đối tượng cần Robot hoá: Khi xác định cần phải thay thế Robot ở những nguyên công nào thì phải xem xét khả năng liệu Robot có thay thế được không và có hiệu quả hơn không. Thông thường người ta ưu tiên ở những chỗ làm việc quá nặng nhọc, 8
Đồ án tốt nghiệp bụi bặm ồn ào, độc hại, căng thẳng hoặc quá đơn điệu. Xu hướng thay thế hoàn toàn bằng Robot thực tế không hiệu quả bằng việc giữ lại một số công đoạn mà đòi hỏi sự khéo léo của con người. - Xây dựng mô hình quá trình sản xuất đã được Robot hoá: Sau khi đã xác định được mô hình tổng thể quá trình công nghệ, cần xác định rõ dòng chuyển dịch nguyên liệu và dòng thành phẩm để đảm bảo sự nhịp nhàng đồng bộ của từng hệ thống. Có thế mới phát huy được hiệu quả đầu tư vốn. - Chọn lựa mẫu robot thích hợp hoặc chế tạo robot chuyên dùng. Đây là bước quan trọng vì robot có rất nhiều loại với giá tiền khác nhau. Nếu như không chọn đúng thì không những đầu tư quá đắt mà còn không phát huy được hết khả năng, như kiểu dùng người không đúng chỗ. Việc này thường xảy ra khi mua robot nước ngoài, có những chức năng robot được trang bị nhưng không cần dùng cho công việc cụ thể mà nó đảm nhiệm dây truyền sản xuất, vì thế mà đội giá lên rất cao, chỉ có lợi cho nơi cung cấp thiết bị. Cấu trúc robot hợp lý nhất là cấu trúc theo modun hoá, như thế có thể hạ được giá thành sản xuất, đồng thời đáp ứng được nhu cầu phục vụ công việc đa dạng. Cấu trúc càng đơn giản càng dễ thực hiện với độ chính xác cao và giá thành hạ. Ngoài ra còn có thể tự tạo dựng các robot thích hợp với công việc trên cơ sở mua lắp các modun chuẩn hoá. Đó là hướng triển khai hợplý đối với đại bộ phận xí nghiệp trong nước hiện nay cung như trong tương lai. 1.4.3 Các lĩnh vực ứng dụng robot trong công nghiệp. - Một trong các lĩnh vực hay ứng dụng robot là kỹ nghệ đúc. Thường trong phân xưởng đúc công việc rất đa dạng, điều kiện làm việc nóng nực, bụi bặm, mặt hàng thay đổi luôn và chất lượng vật đúc phụ thuộc nhiều vào quá trình thao tác. Việc tự động hoá toàn phần hoặc từng phần quá trình đúc bằng các dây truyền tự động thông thường với các máy tự động chuyên dùng đòi hỏi phải có các thiết bị phức tạp, đầu tư khá lớn. Ngày náy ở nhiều nước trên thế giới robot được dùng rộng rãi để tự động hoá công nghệ đúc, nhưng chủ yếu là để 9
Đồ án tốt nghiệp phục vụ các máy đúc áp lực. Robot có thể làm được nhiều việc như rót kim loại nóng chảy vào khuôn, cắt mép thừa, làm sạch vật đúc hoặc làm tăng bền vật đúc bằng cách phun cát Dùng robot phục vụ các máy đúc áp lực có nhiều ưu điểm: đảm bảo ổn định chế độ làm việc, chuẩn hoá về thời gian thao tác, về nhiệt độ và điều kiện tháo vật đúc ra khỏi khuôn ép bởi thế chất lượng vật đúc tăng lên. Trong nghành gia công áp lực điều kiện làm việc cũng khá nặng nề, dễ gây mệt mỏi nhất là ở trong các phần xưởng rèn dập nên đòi hỏi sớm áp dụng robot công nghiệp. Trong phân xương rèn, robót có thể thực hiện những công việc: đưa phôi thừa vào lò nung, lấy phôi đã nung ra khỏi lò, mang nó đến máy rèn, chuyển lại phôi sau khi rèn và xếp lại vật đã rèn vào giá hoặc thùng Sử dụng các loại robot đơn giản nhất cũng có thể đưa năng xuất lao động tăng lên 1,5-2 lần và hoàn toàn giảm nhẹ lao động của công nhân. So với các phương tiện cơ giới và tự động khác phục vụ các máy rèn dập thì dùng robot có ưu điểm là nhanh hơn, chính xác hơn và cơ động hơn. - Các quá trình hàn và nhiệt luyện thường bao gồm nhiều công việc nặng nhọc, độc hại và ở nhiệt độ cao. Do vậy ở đây cũng nhanh chóng ứng dụng robot công nghiệp. Khi sử dụng robot trong việc hàn, đặc biệt là hàn hồ quang với mối hàn chạy theo đường cong không gian cần phải đảm bảo sao cho điều chỉnh được phương và khoảng cách của điện cực so với mặt phẳng của mối hán. Nhiệm vụ đó cần được xem xét khi tổng hợp chuyển động của bàn kẹp và xây dựng hệ thống điều khiển có liên hệ phản hồi. Kinh nghiệm cho thấy rằng có thể thực hiện tốt công việc nếu thống số chuyển động của đầu điện cực và chế độ hàn được điều khiển bằng một chương trình thống nhất, đồng thời nếu được trang bị các bộ phận cảm biến, kiểm tra và điều chỉnh. Ngoài ra robot hàn còn phát huy tác dụng lớn khi hàn trong những môi trường đặc biệt. 10
Đồ án tốt nghiệp Hình 1- 4: ứngn dụng robot trong quá trình nhiệt luyện - Robot được dùng khá rộng rãi trong gia công và lắp ráp. Thường thường người ta sử dụng robot chủ yếu vào các việc tháo lắp phôi và sản phẩm cho các máy gia công bánh răng, máy khoan, máy tiện bán tự động Trong nghành chế tạo máy và dụng cụ đo chi phí về lắp giáp thường chiếm đến 40% giá thành sản phẩm. Trong khi đó mức độ cơ khí hoá lắp ráp không quá 10-15% đối với sản phẩm hàng loạt và 40% đối với sản xuất hàng loạt lớn. Bởi vậy, việc tạo ra và sử dụng robot lắp ráp có ý nghĩa rất quan trọng. Phân tích quá trình lắp ráp chúng ta thấy rằng con người khi gá đặt các chi tiết để lắp chúng với nhau thì có thể làm nhanh hơn các thiết bị tự động. Nhưng khi thực hiện các động tác khác trong quá trình ghép chặt chúng thì chậm hơn. Bởi vậy yếu tố thời gian và độ chính xác định vị là vấn đề quan trong cần quan tâm nhất khi thiết kế các loại robot lắp ráp. Ngoài yêu cầu hiện nay đối với các loại robot lắp ráp và nâng cao tính linh hoạt để đáp ứng nhiều loại công việc, hạ giá thành và dễ thích hợp với việc sản xuất loạt nhỏ. Ngày nay đã xuất hiện nhiều loại day truyển tự động gồm các máy vạn năng với robot công nghiệp. Các day truyền đó đạt mức độ tự động cao, tự động hoàn toàn, không có con người trực tiếp tham gia, rất linh hoạt và không 11
Đồ án tốt nghiệp đòi hỏi đầu tư lớn. ở đây các nhà máy và robot trong dây truyền được điều khiển bằng cùng một hệ thống chương trình. Trong một dây truyền tự động có các máy điều khiển theo chương trình robot có thể đứng một chỗ điều chỉnh trên đường ray hoặc theo di động. Kỹ thuật robot có ưu điểm quan trọng nhất là tạo nên khả năng linh hoạt hoá sản xuất. Việc sử dụng máy tính điện tử, robot và máy điều khiển theo chương trình đã cho phép tìm được những phương thưc mới mẻ để tạo nên các dây truyền tự động cho sản xuất hàng loạt với nhiều mẫu, loại sản phẩm. Dây truyền tự động “cứng” gồm nhiều thiết bị tự động chuyên dùng đòi hỏi vốn đầu tư lớn, nhiều thời gian để thiết kế và chế tạo trong lúc quy trình công việc luôn luôn cải tiến, nhu cầu đối với chất lượng và quy cách của sản phẩm luôn luôn thay đổi. Bởi vậy nhu cầu “ mềm” hóa hay là linh hoạt hoá dây truyền sản xuất ngày càng tăng. Kỹ thuật công nghiệp và máy tính đã đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra các dây truyền tự động linh hoạt. Xuât phát từ nhu cầu và khả năng linh hoạt hoá sản xuất, trong những năm gần đây không chỉ các nhà khoa học mà cả các nhà sản xuất đã tập trung sự chú ý vào việc hình thành và áp dụng các hệ sản xuất tự động linh hoạt, gọi tắt là hệ sản xuất linh hoạt. Hệ sản xuất linh hoạt ngày nay thường bao gồm các thiết bị gia công được điều khiển bằng chương trình số, các phương tiện vận chuyển và kho chứa trong phân xưởng đã được tự động hoá và nhóm robot công nghiệp ở vị trí trực tiếp với các thiết bị gia công hoặc thực hiện các nguyên công phụ. Việc điều khiển và kiểm tra điều khiển toàn hệ sản xuất linh hoạt là rất thích hợp với quy mô sản xuất nhỏ và vừa, thích hợp với yêu cầu luôn luôn thay đổi chất lượng sảm phẩm và quy trình công nghệ. Bởi vậy ngày nay hệ sản xuất linh hoạt thu hút sự chú ý không những ở các nước phát triển mà ngay cả ở các nước đang phát triển. Trong một số tài liệu nước ngoài hệ FMS (flexible Manufacturing System) nay được diễn giải như hệ sản xuất của tương lai ( future Manufacturing System), sự trùng hợp các từ viết tắt này không phải ngẫu nhiên. 12
Đồ án tốt nghiệp Tỷ lệ phân bố các loại công việc được dùng robot: 1. Đúc áp lực 18,3% 2. Hàn điểm 14,7% 3. Hàn hồ quang 12,3% 4. Cấp thoát phôi 9,6% 5. Lắp ráp 9,5% 6. Nghiên cứu, đào tạo 5,7% 7. Phun phủ bề mặt 5,7% 8. Nâng chuyển sắp xếp 3,9% 9. Các việc khác 30,3% Sự phân bố tỷ lệ các loại robot với các loại phương pháp điều khiển khác nhau: a. Tay máy điều khiển bằng tay: 4% b. Robot được điều khiển theo chu kỳ cứng: 59% c. Robot được điều khiển theo chu kỳ thay đổi theo chương trình: 11% d. Robot được điều khiển dùng chương trình dạy học: 18% e. Robot điều khiển theo chương trình số: 5% f. Robot được điều khiển có sử lý tinh khôn: 3% 1.4.4 Nội dung nghiên cứu phát triển Robot công nghiệp: 1.4.4.1 Nhận xét về quá trình phát triển robot công nghiệp. Ra đời từ những năm năm mười, robot công nghiệp đã có những bước phát triển quan trọng. Từ những năm 1960 do sự phát hiện máy vi tính robot công nghiệp đã tiếp thu được thành tựu mới đó và ngày càng hấp dẫn. Cao trào phát triển vào những năm 70 và đánh dấu bằng hội nghị quốc tế lần thứ 6 về “ thiết kế chế tạo và ứng dụng robot công nghiệp” Chicago năm 1972, sau 13
Đồ án tốt nghiệp đó lại lắng dần xuống, nhất là sau khủng hoảng dầu mỏ 1975, như để rút kinh nghiệp áp dụng vào chỗ nào là phát huy hiệu quả hơn. Đến những năm 80 thì xuất hiện nhu cầu hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt FMS ( Flexible Manufacturing System) mà robot như là bộ phận cấu thành FMS. Nhu cầu đó kích thích sự phát triển của robot công nghiệp. Trong năm 90 robot công nghiệp cũng có bược phát triển mới theo hướng đồng bộ hệ thống trên cơ sỏ vận dụng những thành tựu của công nghệ thông tin ứng dụng. Bản thân phần kỹ thuật robot công nghiệp cũng thể hiện các xu thế phát triển sau đây: 1/ Trong giai đoạn đầu phát triển, người ta rất quan tâm đến việc tạo ra những cơ cấu tay máy nhiều bậc tự do, được trang bị nhiều loại cảm biến(sensor) để có thể thực hiện được những công việc phức tạp, như là để chứng tỏ khả năng thay thế con người trong nhiều loại hình công việc. 2/ Khi đã tìm được các địa chỉ ứng dụng trong công nghiệp, thì việc đơn giản hoá kết cấu để tăng độ chính xác định vị và giảm giá thành đầu tư lại là những yêu cầu thực tế đối với thị trường hành hoá cạnh tranh. Ngày càng có nhiều cải tiến trong kết cấu các bộ phận chấp hành, tăng độ tin cậy của các thiết bị điều khiển, tăng mức thuận tiện và dễ dàng khi lập trình 3/ Để mở rộng phạm vi ứng dụng cho robot công nghiệp nhằm thay thế lao động với nhiều loại hình công việc, ngày càng rõ nét về xu thế tăng cường khả năng nhận biết và xử lý tín hiệu từ môi trường làm việc. Các thành tựu khoa học và tiến bộ kỹ thuật laser,kỹ thuật tia hồng ngoại, kỹ thuật xử lý ảnh đã ngày càng hiện thực xu thế phát triển robot công nghiệp hướng vào việc thích nghi được với môi trường làm việc. 4/ Cùng với các xu thế trên robot công nghiệp luôn luôn được định hướng tăng cường năng lực xử lý công việc để trở thành các robot tinh khôn nhờ áp dụng các kết quả nghiên cứu về hệ điều khiển nơron và trí khôn nhân tạo 1.4.4.2 Cơ-tin-điện tử và robot công nghiệp. 14
Đồ án tốt nghiệp Cơ-tin-điện tử và robot công nghiệp là hai lĩnh vực khoa học kỹ thuật cao rất gắn bó với nhau.ở một số nước chúng kết hợp với nhau như là một ngành học.Trong robot công nghiệp có hầu hết các vấn đề của cơ điện tử. Đồng thời phát triển của cơ điện tử cũng đều phản ánh trong kỹ thuật robot. Vì vậy để nghiên cứu về robot cần xem xét các vấn đề về cơ-tin-điện tử. Thuật ngữ cơ-tin-điện tử(mechartonics)thể hiện sự kết hợp giữa cơ học máy với công nghệ thông tin vi điện tử học(microelectronics).ý tưởng chủ yếu ban đầu của cơ-tin-điện tử là cài lên các hệ máy,các thiết bị điện tử rồi dần dần bản thân bên trong máy cũng thay đổi đi và chức năng của máy cũng được mở rộng thêm nhiều. Còn về thiết bị điện tử chính xác hơn và vi điện tử thì các tiến bộ mới cũng không ngừng được áp dụng. Từ các mạch tích phân IC(Intergrated circuit), các độ vi sử lý ( Microposessor), các bộ điều khiển lập trình được PLC, các máy tính PC Phần nối ghép thành hệ thống giữa các thiết bị điều khiển vi điển tử với các thiết bị chấp hành trong máy( có thể là các thiết bị cơ, thiết bị thuỷ khí, thiết bị điện hoặc điển từ) chủ yếu là các bộ cảm biến ( sensor), các bộ biến đổi ( converter) và các thiết bị của công nghệ thông tin. 1.4.4.3 Robot và hệ sản xuất linh hoạt. Nhu cầu của thị trường cạnh tranh luôn luôn đòi hỏi các nhả sản xuất phải thay đổi mẫu mã, kích cỡ và thường xuyên cải tiến nâng cao chất lượng sản phẩm. 15
Đồ án tốt nghiệp Hình 1- 5: ứng dụng robot trong dây chuyền sản xuất tự động Như vậy sự cạnh trang hành hoá đặt ra một vấn đề thời sự là phải có hệ thống thiết bị sản xuất thay đổi linh hoạt được để có thể đáp ứng được với sự biến động thường xuyên của thị trường. Nhờ sự phát triển trong mấy chục năm gần đây của kỹ thuật số và công nghệ thông tin chúng ta mới có khả năng “ mềm” hoá hệ thống thiệt bị sản xuất. Trên cơ sở đó đẵ ra đời hệ thống sản xuất linh hoạt FMS là phương thức sản xuất linh hoạt hiện đại. Nó có ưu điểm là các thiết bị chủ yếu của hệ thống chỉ đầu tư một lần, còn đáp ứng lại sự thay đổi của sản phẩm bằng phần mềm máy tính điều khiển là chính. Hệ thông FMS rất hiện đại nhưng lại thích hợp với quy mô sản xuất vừa và nhỏ. Ngày nay các nước phát triển các hệ thống FMS có xu hướng thay thế dần các thiết bị tự động “ cứng” sản xuất hàng loạt lớn sản phẩm. Các hệ thống thiết bị tự động cứng này rất đắt tiền mà khi thay đổi về yêu cầu sản phẩm thì phản đổi mới gần như hoàn toàn. Như vậy, chúng nhanh chóng trở nên lạc hậu vì không thích nghi được với thị trường đầy biến động. Ý tưởng chủ đạo trong việc tổ chức hệ thống sản xuất hiện đại linh hoạt là “ linh hoạt hoá” và “modul hoá”. Một hệ thống sản xuất linh hoạt có thể gồm nhiều modul linh hoạt. Một trong những hệ thống như vậy là hệ thống CIM ( Computer Intergrated Manufacturing)- Hệ thống tích hợp sản xuất dùng máy tính. Để tạo ra các modul sản xuất linh hoạt đó cần có một robot như một bộ phận cấu thành. ở đây, robot làm những công việc chuyển tiếp giữa các máy công tác ( ví dụ cấp, thoát phôi và dụng cụ cho các máy công tác). Bản thân cơ cấu tay máy của robot cũng là một cơ cấu linh hoạt. Đó là cơ cấu không gian hở ( không khép kín), có bậc tự do dư thừa nên độ cơ động 16
Đồ án tốt nghiệp rất cao. Mỗi khâu của cơ cấu có động lực riêng và chúng được điều khiển băng chương trình thay đổi được. Có loại robot lại có thể tự thay đổi thao tác của mình một cách linh hoạt khi nhận biết được các tín hiệu từ sự hoạt động của bản thânn ( nội tín hiệu). Những cơ cấu như vậy là cơ cấu điều khiển linh hoạt. 1.4.4.4 Robot song song: Sơ đồ động cơ cấu tay máy thông thường là một chuỗi nối tiếp các khâu động, còn trong robot song song (RBSS) ở một khâu nào đó có thể nối động với các khâu khác, tức là nối song song với nhau và cùng hoạt động song song với nhau. Sự khác nhau về sơ đồ động đó cũng gây nhiều đặc điểm khác biệt về động học và động lực học. Ví dụ với robot thông thường thì giải bài toán động học thuận sẽ dễ dàng hơn nhiều so với bài toán động học ngược, còn với robot song song thì hoàn toàn ngược lại. Vấn đề RBSS trở nên hấp dẫn nhiều nhà nghiên cứu từ giữa thập kỷ 90 khi nó được ứng dụng dưới dạng thiết bị có tên là Hexapod để tạo ra máy công cụ 5 trục CNC có trục ảo. Hexapod là một modul RBSS được kết cấu trên nguyên lý cơ câú Stewart. Cơ cấu này gồm có 6 chân có độ dài thay đổi được, nối với giá và tấm động theo ý muốn. Stewart đã đề xuất sử dụng cơ cấu này để mô phỏng hoạt động của thiết bị bay. Như đã biết, máy cắt gọt CNC 3 trục không đáp ứng được nhu cầu gia công chính xác các bề mặt phức tạp. Vì thế xuất hiện nhu cầu tạo ra các máy CNC5 trục, tức là ngoài các trục X,Y,Z bổ xung thêm hai trục quay có thể thực hiện được trên bàn máy trên vật gia công hoặc trên giá đỡ trục dụng cụ cắt. Các máy CNC 5 trục này rất đắt tiền, gần gấp đôi máy CNC 3 trục. Nếu sử dụng cơ cấu Hexapod để tạo ra các trục hoặc tạo ra các trục bổ xung thì giá thành máy CNC trục ảo này có thể hạ thấp rất nhiều lần. Ngoài các ứng dụng trong nghành chế tạo máy, công cụ RBSS còn được áp dụng hiệu quả trong dụng cụ y học, trong hệ thống mô phỏng, trong thiết bị thiên văn và trong kỹ thuật phòng không 1.4.4.5 Các xu thế ứng dụng robot trong tương lai: 17
Đồ án tốt nghiệp Robot ngày càng thay thế nhiều lao động Ở đây chỉ đề cập đến robot công nghiệp. Trong tương lai, kỹ thuật robot sẽ tận dụng hơn nữa các thành tựu khoa học liên nghành, phát triển cả về phần cứng, phần mềm và ngày càng chiếm lĩnh nhiều lĩnh vực trong công nghiệp. Số lượng lao động được thay thế ngày càng nhiều vì: càng ngày giá thành robot càng giảm, mặt khác chi phí tiền lương và các khoản phụ khác cấp cho người lao động ngày càng cao. Robot ngày càng trở nên chuyên dụng: Khi robot công nghiệp ra đời, người ta thương cố gắng làm sao để biểu thị hết khả năng của nó. Vì thế xuất hiện rất nhiều loại robot vạn năng có thể làm được nhiều việc trên dây truyền. Tuy nhiên thực tế sản xuất chứng tỏ rằng, các robot chuyển môn hoá đơn giản hơn, chính xác hơn, học việc nhanh hơn và quan trong là rẻ tiền hơn robot vạn năng. Các robot chuyên dụng hiện đại đều được cấu tạo thành từ các modul vạn năng. Xu thế modul hoá ngày càng phát triển nhằm chuyển môn hoá việc chế tạo các modul và từ các modul đó sẽ cấu thành nhiều kiển robot khác nhau thích hợp cho từng loại công việc. Robot ngày càng đảm nhận nhiều loại công việc lắp ráp. Công đoạn lắp ráp thường chiếm tỷ lệ cao so với tổng thời gian sản xuất trên toàn bộ dây truyền. Công việc khi lắp ráp là phải đòi hỏi rất cẩn thận, không được nhầm lẫn, thao tác nhẹ nhàng, tinh tế và chính xác nên cần thợ có tay nghề cao và phải làm việc căng thẳng suất cả ngày. Khả năng thay thế người lao động ở những khâu lắp ráp ngày càng hiện thực là do đã áp dụng được nhiều thành tựu mới về khoa học trong việc thiết kế, chế tạo robot. Ví dụ đã tạo ra những cấu hình đơn giản và chính xác trên cơ sở sử dụng các vật liệu mới vừa bền, vừa nhẹ. Trong đó nên kể đến các loại robot như Adept Oen, SCARA, Đồng thời do thừa hưởng sự phát triển kỹ thuật nhận và biến đổi tín hiệu ( sensor), đặc kỹ thuật nhận và sử lý tín hiệu ảnh (vision) cũng như kỹ thuật tin học với các ngôn ngữ bậc cao, robot công nghiệp đã có mặt trên nhiều công đoạn lắp ráp phức tạp. Robot di động ngày càng trở nên phổ biến. 18
Đồ án tốt nghiệp Trong các nhà máy hiện đại, tên gọi phương tiện dẫn đường tự động AVG (automatic Guided Vehicles) đã trở thành quen thuộc. Loại đơn giản là những chiếc xe vận chuyển nội bộ trong phân xưởng được điều khiển theo chương trình với một quỹ đạo định sẵn. Càng ngày các thiết bị loại này cũng được hiện đại hoá nhờ áp dụng kỹ thuật thông tin vô tuyến hoặc dùng tia hồng ngoại Vì vậy AGV đã có thể hoạt động linh hoạt trong phân xưởng. Đó chính là robot linh động và còn gọi là robocar. Một hướng phát triển linh và quan trọng của robocar là không di chuyển bằng các bánh xe mà bằng chân, thích hợp với mọi địa hình. Robot đi được bằng chân có thể tự leo thang, là một đối tượng đang rất được chú ý trong nghiên cứu không những định hướng trong công nghiệp hạt nhân hoặc trong kỹ thuật quốc phòng mà ngay cả trong công nghiệp dân dụng thông thường. ở đây việc tạo ra các cơ cấu chấp hành cơ khí bền vững, nhẹ nhàng, chính xác và linh hoạt như chân người lại là đối tượng nghiên cứu chủ yếu. Robot ngày càng trở nên tinh khôn hơn. Trí khôn nhân tạo là một vấn đề rất quan tâm nghiên cứu với các mục đích khác nhau. Kỹ thuật robot cũng từng bước áp dụng các kết quả nghiên cứu về trí khôn nhân tạo và đưa vào ứng dụng công nghiệp. Trước hết là sử dụng các hệ chuyên gia, các hệ thị giác nhân tạo, mạng nơron và các phương pháp nhận dạng tiếng nói Cùng với các thành tựu mới trong nghiên cứu về trí khôn nhân tạo, robot ngày càng có khả năng đảm nhận được nhiều nguyên công dây truyền sản xuất đòi hỏi sự tinh khôn nhất định. Vấn đề thiết bị cảm biến được nhiều ngành kỹ thuật quan tâm và cũng đạt được nhiều thành tựu mới trong thời kì phát triển sôi động của lĩnh vực vi sử lý. Đó cũng là điều kiện thuận lợi trong việc áp dụng chúng trong kỹ thuật robot nhằm tăng cường khả năng thông minh của thiết bị. Những loại hình được quan tâm nhiều trong công nghiệp là các robot thông minh có các modul cảm biến để nhận biết được khoảng cách để tránh vật cản khi thao tác, cảm biến nhận biết được màu sắc khi phân loại, cảm biến 19
Đồ án tốt nghiệp được lực khi lắp ráp Khi được lắp thêm các modul cảm biến này robot được gọi với nhiều tên mới. Vídụ: robot “nhìn được” ( vision robot), robot lắp ráp ( assembli), robot cảnh báo ( alarm robot), Để thông minh hoá robot bên cạnh việc cài đặt bổ xung các modul cảm biến “nội tín hiệu” và các modul cảm biến “ngoại tín hiệu” thì đồng thời có thể thông minh hoá robot bằng các chương trình phần mềm có khả năng tự thích nghi và tự xử lý các tình huống Như vậy bằng cách bổ xung các modul cảm biến và các phần mền phù hợp có thể nâng cấp cải tiến nhiều loại robot. Tuy nhiên bản thân các robot này phải có các cơ cấu chấp hành linh hoạt chính xác. Ngày nay có nhiều loại robot thông minh không những có thể làm việc trong các phân xưởng công nghiệp mà còn thao tác được ở bên ngoài, trên các địa hình phức tạp như các loại robot vũ trụ ( space robot), robot tự hành ( walking robot), robot cần cẩu( robot crale), tạo dựng từ các modul robot song song 20
Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG RÔBỐT CÔNG NGHIỆP 2.1 Khái niệm chung về hệ thống điều khiển tự động rôbốt công nghiệp 2.1.1 Khái niệm về hệ thống điều khiển tự động Mỗi hệ thống điều khiển đều có tác động vào và đáp ứng ra hay còn gọi là tín hiệu ra. Trong mỗi hệ thống đều có thể có nhiều tín hiệu vào và nhiều tín hiệu ra. Hệ thống điều khiển U(s) y(s) Hình 2.1: Sơ đồ chức năng hệ thống điều khiển Như vậy hệ thống điều khiển tự động là tập hợp các thành phần vật lý có mối liên quan và tác động qua lại lẫn nhau để chi huy, hiệu chỉnh bản thân hoặc điều khiển hệ thống khác. Một hệ thống điều khiển tự động thường có các thành phần như sau: Thiết bị điều khiển. Đối tượng điều khiển. Thiết bị đo lường. Hình 2.2: Sơ đồ khối các phần tử điều khiển tự động 21
Đồ án tốt nghiệp Trong đó: • U: Tín hiệu đầu vào. • y: Tín hiệu đầu ra. • e: Tín hiệu so sánh. • x: Tín hiệu tác động của đối tượng điều khiển. • f: Tín hiệu phản hồi. 2. 1.2 Các loại tín hiệu điều khiển Rời rạc Tương tự Tín Tín hiệu nhị Tín hiệu hiệu số phân bộ ba Hình 2.3: Các dạng tín hiệu điều khiển 2.2 Phân loại hệ thống điều khiển tự động 2.2.1 Hệ thống điều khiển hở: Là hệ thống điểu khiển trong đó các tín hiệu vào và các tín hiệu ra có tính chất độc lập với nhau. Quãng đường hay góc dịch chuyển tỷ lệ với số xung điều khiển. Độ chênh lệch giữa giá trị thực và giá trị cần không được điều chỉnh, xử lý (Hình 2.4). Hình 2.4: Sơ đồ hệ thống điều khiển hở. 22
Đồ án tốt nghiệp Trong đó: • U: Tín hiệu đầu vào. • G: Hàm truyền. • y: Tín hiệu đầu ra. Đặc điểm của hệ thống hở: - Độ chính xác phụ thuộc khả năng điều chỉnh và độ tin cậy của thiết bị. - Bị ảnh hưởng của tác động bên ngoài. - Tín hiệu ra đáp ứng chậm khi tín hiệu vào thay đổi. 2.2.2 Hệ thống điều khiển kín: Là hệ thống trong đó các tín hiệu vào và các tín hiệu ra phụ thuộc vào nhau thông qua bộ phản hồi. Tín hiệu phản hồi vị trí có tác dụng tăng độ chính xác điều khiển. Hình 2.5: Sơ đồ hệ thống điều khiển kín. Trong đó: • G: Hàm truyền. • e: Tín hiệu so sánh. • f: Tín hiệu phản hồi. • M: Thiết bị đo lường. Hệ thống điều khiển kín có các đặc điểm sau: 23
Đồ án tốt nghiệp Đạt độ chính xác cao. Tốc độ đáp ứng nhanh. Giảm được tính phi tuyến và nhiễu. Tăng được bề rộng dải tần mà tại dải tần này hệ có đáp ứng tốt nhất. Tuy nhiên với hệ thống này tín hiệu ra có khuynh hướng dao động do quán tính của so sánh tín hiệu. Trong hệ thống điều khiển kín còn chia ra 2 loại điều khiển: Điều khiển điểm-điểm và điều khiển theo đường. o Điều khiển điểm-điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao (không làm việc). Nó chỉ làm việc tại điểm dừng. Hệ thống điều khiển kiểu này dùng trên các rôbốt hàn điểm, vận chuyển, tán đinh, bắn đinh, . o Điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được. Có thể gặp hệ thống điều khiển này trên rôbốt hàn hồ quang, phun sơn . Ngoài hình thức phân loại trên, người ta còn phân thành: • Hệ thống điều khiển tuyến tính. • Hệ thống điều khiển phi tuyến. • Hệ thống điều khiển liên tục. • Hệ thống điều khiển số hay còn gọi là hệ thống điều khiển xung-số: Tín hiệu điều khiển là các tín hiệu rời rạc. • Hệ thống ngẫu nhiên. • Hệ thống điều khiển tối ưu: Hệ mà trong đó các thiết bị điều khiển có chức năng tổng hợp để đạt được độ chính xác cao nhất hoặc đạt được thời gian truyền tín hiệu ngắn nhất. 24
Đồ án tốt nghiệp • Hệ thống điều khiển thích nghi: Hệ thống tự điều chỉnh, có khả năng thích ứng một cách tự động những biến đổi, tác động của bên ngoài. Hệ có khả năng thay đổi các tham số và cấu một cách tự động để thích nghi với những điều kiện thay đổi bên ngoài. 2.3 Phần tử logic trong hệ thống điều khiển tự động 2.3.1 Khái niệm về logic hai trạng thái : Trong kỹ thuật, đặc biệt là trong điều khiển, ta thường có khái niệm về hai trạng thái: đóng hoặc cắt. Ví dụ: đóng mạch điện ( để máy vào làm việc) và tắt máy ( để máy nghỉ). Trong toán học để lượng hóa hai trạng thái đối lập của sự việc hay hiện tượng người ta dùng hai giá trị: 0 và 1, giá trị 0 là hàm ý đặc trưng cho đối lập của sự vật hoặc hiện tượng thì giá trị 1 hàm ý đặc trưng cho trạng thái đối lập của sự vật, hiện tượng. Ta gọi đó là giá trị 0 và 1 logíc. 1.Phần tử mạch logic: Số Ký hiệu Tên gọi thứ tự 1 1 NOT 2 & AND 3 & NAND 4 ≥ 1 OR 5 ≥ 1 NOR 25
Đồ án tốt nghiệp 6 =1 XOR Hình 2- 6: Các phần tử logic cơ bản a/ Phần tử logic NOT ( phủ định) L h tín hiệu vao b1 b1 0 c c L h tín hiệu ra 0 Ký hiệu Bảng chân lý b1 1 h L h h L o o Hình 2-7: phần tử NOT Phần tử logic NOT (minh họa ở phần sau). Khi nhấn b1 rơle c có điện, bóng đèn mất điện và ngược lại, nhả nút b1, bóng đèn h sáng. 26
Đồ án tốt nghiệp b/ Phần tử logic AND Phần tử logic AND(minh họa ở dưới) . Khi nhấn nut b1 và đồng thời nhấn b2 thì rơle c có điện, bóng đèn h sáng. Khi một trong hai hoặc cả hai công tăc b1, b2 cùng mở thì rơle c không có điện nên đèn h không sáng. b 1 Sơ đồ tín hiệu h b 2 L b1 0 c c L b2 0 L h 0 Ký hiệu Bảng chân trị b1 & h b1 b2 h 0 0 0 0 L Hình 2-8: Phần tử AND 27
Đồ án tốt nghiệp c/ Phần tử logíc NAND( và - không): Ta có thể minh họa phần tử này như sau: Khi nhấn nút b1 và đồng thời nhấn nút b2, rơle c có điện, đèn h tắt. khi một trong hai nút hoặc cả hai nút mở rơle c không co điện, đèn h sáng. b h Sơ đồ tín hiệu b L b c c 0 L b 0 L h 0 Ký hiệu Bảng chân trị b ≥ 1 h b b1 b2 h 0 0 0 0 L L L 0 L L L 0 Hình 2-9: phần tử logic NAND 28
Đồ án tốt nghiệp d/ Phần tử logic OR(hoặc): Đèn h sáng lên khi nhấn nút b1 hoặc b2. Khi cả hai nút nhấn đều mở, rơle c không có điện, đèn h không sáng. b 1 Sơ đồ tín hiệu b2 h L b1 0 c c L b2 0 L h 0 Ký hiệu Bảng chân lý b1 ≥ 1 h b2 b1 b2 h 0 0 0 0L Hình 2-10: phần tử logic OR 29
Đồ án tốt nghiệp e/ Phần tử logic NOR( hoặc-không) Khi một trong hai nút nhấn b1,b2 được thực hiện thì rơle c đều có điện và đèn h bi tắt. Khi không có nút nhấn nào được thực hiện thì rơle c không có điện và đèn h sáng. b1 Sơ đồ tín hiệu b2 h L b1 0 c c L b2 0 L h 0 Ký hiệu Bảng chân lý b1 ≥ 1 h b2 b1 b2 h 0 0 L 0L Hình 2-11: Phần tử logic NOR 30
Đồ án tốt nghiệp f/ Phần tử logic XOR ( EXC-OR): Đèn h sáng khi ta ấn nút b1 hoặc b2. Khi cả hai nút đều được nhấn đồng thời thì đèn h sẽ tắt. b1 sơ đồ tín hiệu b2 h c2 L b1 0 c2 c2 c1 c1 c1 L b2 0 L h 0 Ký hiệu Bảng chân lý b1 =1 h b1 b2 h 0 0 0 0L Hình 2-12: phần tử logic XOR 31
Đồ án tốt nghiệp g/ phần tử logic OR/NOR: Phần tử này với hai tín hiệu vào b1 và b2 và hai tín hiệu ra h1, h2 . b1 Sơ đồ tín hiệu b2 h2 h1 L b1 0 c2 c b2 L 1 0 c1 L h1 0 L h2 0 Ký hiệu Bảng chân lý b1 h1 ≥1 b1 b2 h h2 b2 h2 0 0 0 L 0 L L 0 L 0 L 0 LLL0 Hình 2-13: phần tử logic OR/NOT h/ Phần tử nhớ Các phần tử trình bày ở trên có đặc điểm là tín hiệu ra tức thời phụ thuộc vào tín hiệu vào, điều đó có nghĩa là tín hiệu vào mất, thì tín hiệu ra cũng mất. Trong thực tế tín hiệu thường là dạng xung(nút ấn ). Khi tín hiệu tác động vào là dạng xung, tín hiệu ra thường là tín hiệu duy trì. Như vậy cần phải có phần tử duy trì tín hiệu, trong kỹ thuật điện người ta gọi là tự duy trì. ở hình dưới khi ấn b2 mạch đóng, dòng điện đi qua rơle K1, tiếp điểm K1 được đóng lại. Dòng điện trong mạch vẫn được duy trì, mặc dù nút ấn b2 nhả ra rồi. Dòng điện trong mạch duy trì cho đến khi nào ta ấn vào nút b1. Thời gian tự duy trì 32
Đồ án tốt nghiệp của dòng điện trong mạch là khả năng nhớ của mạch điện. Trong kỹ thuật điều khiển gọi là phần tử nhớ Flipfop. Phần tử Flipfop có hai cổng vào, cổng thứ nhất ký hiệu là S (SET) và cổng thứ hai ký hiệu là R(RESET), như vậy phần tử Flipfop cũng được gọi là phần tử RS-Flipfop. 1) Phần tử RS-Flipfop có RESET trội hơn: b1 S Q ’ b ≥ 1 K1 2 b & 2 R b1 ’ K1 Hình 2-14: Phần tử Flipfop có RESET trội hơn Nếu cổng SET(b2) có giá trị L, thì tín hiệu ra Q có giá trị L và được nhớ (mặc dù ngay đó tín hiệu ở cổng SET mất đi) cho đến khi cổng RESET(b1) có giá trị L thì phần tử Flipfop sẽ quay trở lại vị trí ban đầu. Khi cổng SET va cổng RESET cũng có giá trị L thì cổng ra Q có giá trị “0”. 2.3.2 phần tử RS-Flipfop có SET trội hơn: Nếu cổng SET ( b2) có giá trị L, thì tín hiệu ra Q có giá trị L và được nhớ (mặc dù ngay sau đó tín hiệu ở cổng SET mất đi) cho đến khi cổng RESET (b1) có giá trị L thì phần tử Flipfop sẽ quay trở lại vị trí ban đầu. Khi cổng SET và cổng RESET cùng có giá trị L thì cổng ra Q có giá trị “1” 33
Đồ án tốt nghiệp ’ K1 b2 & Q b1 ≥ 1 b1 b2 ’ K1 Hình 2-15: phần tử Flipfop có SET trội hơn • Lý thuyết đại số Boole: Một hàm y= f(x1,x2, ,xn)với các biến x1,x2, ,xn chỉ nhận các giá trị 0 hoặc 1 và hàm y cũng chỉ nhận các giá trị 0 hoặc 1 thì được gọi là hàm logic. Trong kỹ thuật điều khiển, giá trị của các tín hiệu ra được viết dưới dạng biến số đại số Boole. a) các phép biến đổi hàm một biến: - Phép toán liên kết AND - Phép toán liên kết OR - Phép toán liên kết NOT b) Luật cơ bản của đại số Boole: - Luật hoán vị: A ^ B = B ^ A A v B = B ^ A - Luật kết hợp: ( A ^ B) ^ C = A ^ ( B ^ C ) = B ^ ( A ^ C ) 34
Đồ án tốt nghiệp ( A v B) v C = A v ( B v C ) = B v ( A v C ) - Luật phân phối: ( A ^ B) v C = A ^ (B v C ) ( A v B ) ^ ( A v C ) = A v ( B ^ C ) - Luật hấp thụ: A v ( A ^B )= A A ^ ( A v B ) = A - Luật bù: A v ( A ^ B ) = A v B A ^ ( A v B ) = A ^ B - Luật De Morgan: A^ B = A v B AvB = A ^ B 2.4 Hệ thống điều khiển dùng các bộ PLC 2.4.1 Giới thiệu chung về các bộ PLC PLC là cụm từ viết tắt tiêng Anh: Programmable Logic Controller tức là bộ điều khiển logic có khả năng lập trình được. Bộ điều khiển này thực hiện các chức năng lôgic tương tự 1 panel trễ hay 1 hệ thống điều khiển lôgic ở trạng thái cứng. PLC được phát triển dựa trên cơ sở vi xử lý sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ và thực hiện các chức năng như phép tính logic, đếm, và các thuật toán để điều khiển máy và các quá trình. PLC được thiểt kế cho phép người sử dụng không cần kiến thức chuyên sâu về máy tính và ngôn ngữ máy tính củng có thể vận hành. PLC đã được các nhà thiết kế lập trình sẵn sao cho chương trình điều khiển có thể nhập bằng cách sử dụng ngôn ngữ đơn giản. ở đây thuật ngữ 35
Đồ án tốt nghiệp logic được sử dụng vì hầu hết việc lập trình chủ yếu liên quan đến các hoạt động logic thực thi và chuyển mạch. Các thiết bị nhập có thể là công tắc tơ, cảm biến, bàn phím vv Các thiết bị xuất trong hệ thống được điều khiển như động cơ, các van vv được nối kết với PLC. Khi ta nhập chương trình vào bộ nhớ của PLC, thiết bị điều khiển sẽ giám sát các tín hiệu vào và các tín hiệu ra theo chương trình này và thực hiện các bước điều khiển đã được lập trình. Chương trình Tín Tín hiệu PLC hiệu vào ra Hình 2-16: Thiết bị điều khiển logic lập trình Ưu điểm nổi bật của PLC là tính linh hoạt.Chúng ta có thể sử dụng cùng một thiết bị điều khiển cơ bản cho nhiều hệ thống điều khiển. Để sửa đổi hệ thống điều khiển người vận hành chỉ cần thay đổi chương trình mà không cần mắc nối lại các thiết bị của hệ thống. Chính vì ưu điểm này mà PLC được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp. PLC đầu tiên xuất hiện vào năm 1969. Ngày nay chúng được sử dụng phổ biến, từ các thiết bị nhỏ, độc lập sử dụng khoảng 20 đầu vào / đầu ra digital, đến các hệ thống nối ghép theo module có thể sử dụng rất nhiều đầu vào / đầu ra, xử lý các tính hiệu digital hoặc analog. Ngoài ra PLC còn có thể điều khiển tỷ lệ, tích phân, đạo hàm. Trong PLC chương trình được thực hiện theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là 1 vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét có 4 giai đoạn, bắt đầu bằng giai đoạn: • Đọc dữ liệu từ cổng vào (Input) tới bộ đệm. 36
Đồ án tốt nghiệp • Thực hiện chương trình. • Truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi. • Đưa nội dung của bộ đệm tới các cổng ra (Output). Các bộ PLC thường gặp: • Họ Simatic S5, Simatic S7 của hãng Siemens của Cộng hoà liên bang Đức. • Các họ Series 90 TM của hãng Fanme, Nhật Bản. • Các họ CQM1, CPM1, CPM1A và SRM của hãng OMRON, Nhật Bản Các bộ PLC được ứng dụng rộng rãi trong các lĩnh vực sản xuất công nghiệp, giao thông và đời sống . • Công nghệ cơ khí: - Gia công bao bì. - Dây chuyền sản xuất xi măng. - Công nghệ đúc áp lực . • Công nghệ thực phẩm: - Các thiết bị sản xuất nước ngọt. - Các thiết bị thức ăn gia súc. • Công nghiệp nhẹ: - Ngành nhuộm. - Dệt, thêu ren. Ở Việt Nam bộ điều khiển SIMATIC S5 của hãng SIEMENS đưa vào điều khiển các cơ cấu điều hoà công suất của các tổ máy thuỷ điện Hoà Bình. Công ty dầu khí Việt-Xô Petro dùng các bộ PLC để điều khiển các thiết bị sản xuất khí đốt và dầu nhờn. 37
Đồ án tốt nghiệp Công ty thuốc lá Thăng Long, Công ty dệt 8-3 sử dụng bộ PLC vào dây chuyền tự động .v.v . Vì vậy ứng dụng PLC vào điều khiển máy móc là điều tất yếu cần tìm hiểu nghiên cứu để đạt được hiệu quả tối ưu. 2.4.2 Các bộ phận cơ bản của hệ thống PLC. Một hệ thống PLC thường có 5 bộ phận cơ bản, bộ xử lý trung tâm(CPU), bộ nhớ, bộ nguồn, thiết bị lập trình và các giao diện nhập/xuất. • Bộ xử lý trung tâm: Là thiết bị chứa bộ vi xử lý, biên dịch các tín hiệu nhập và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình đã được lưu trong bộ nhớ của CPU, đồng thời phát các tín hiệu điều khiển các thiết bị xuất. Đây là nơi xử lý mọi hoạt động của PLC, bao gồm cả viêc thực hiện chương trình. • Bộ nhớ: Là nơi lưu giữ các chương trình được sử dụng cho các hoạt động điều khiển và các trạng thái nhớ trung gian trong quá trình thực hiện, bộ nhớ chịu sự kiểm soát của bộ vi xử lý. • Bộ nguồn: Có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp từ xoay chiều(AC) thành điện áp 1 chiều(DC - 5V, 24V) cần thiết cho bộ vi xử lý và các mạch điện trong thiết bị nhập và xuất. • Thiết bị lập trình: Được sử dụng để lập các chương trình cần thiết. Các chương trình này được chuyển đến và lưu trên bộ nhớ của PLC. • Các phần tử nhập và xuất: Là nơi mà bộ xử lý nhận các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi và cấp tín hiệu điều khiển đến các thiết bị bên ngoài. Các tín hiệu vào có thể là các công tắc cơ, các cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng vv Còn tín hiệu điều khiển các thiết bị ra có thể là động cơ, các van vv 38
Đồ án tốt nghiệp ThiÕt bÞ lËp tr×nh Bé nhí Giao Bé xö lý Giao diÖn trung t©m diÖn nhËp (CPU) xuÊt Nguån c«ng suÊt HÖ thèng PLC Hình 2-17: Hệ thống PLC 2.4.3 Cấu trúc của các bộ PLC Nói chung các bộ PLC của các hãng Tây Đức và của Nhật đều có các cấu trúc cơ bản được trình bày tóm tắt như sau: Cấu trúc bộ PLC còn được trình bày dưới dạng sơ đồ khối sau: ¹éé Bé ®iÒu Modul Modul Modul Modul khiÓn trung nguån liªn l¹c vμo ra t©m(CPU) Nguån Vμo Ra Hình 2-18: Cấu trúc bộ điều khiển PLC Theo quan điểm này bộ PLC có các bộ phận chính sau: 39
Đồ án tốt nghiệp - Modun vào (Input). - Modun ra (Output). - Modun liên lạc. - Bộ điều khiển trung tâm. - Modun nguồn. Giữa chúng có hệ thống liên lạc nội bộ. Ta trình bày sơ lược từng bộ phận: a) Modun vào. Modun này nhận tín hiệu từ cảm biến, cho phép bộ vi xử lý đọc trạng thái logíc từ các cảm biến (Hình 2-19). Các tín hiệu nhiễu được lọc bỏ, chỉ cho các tín hiệu thực của cảm biến đi qua sau đó hình thành tín hiệu chuẩn dạng xung chữ nhật nhờ bộ tạo xung chuẩn. Mỗi xung cho 1 bù (1 đơn vị nhớ) tập hợp 16 bit = 1 từ (1 word) và tập hợp các từ thành 1 câu (Tổ hợp các số nhị phân 0 & 1). Như vậy các tín hiệu chuẩn sau khi qua bộ cách ly điện và mạch ghép phối Bus nhớ sẽ được chuyển về bộ nhớ chính (Não bộ của bộ PLC hay gọi là bộ vi xử lý trung tâm)trong Nguån Theo dâi c¸c sai sãt Bus Bus Bé B¶o liªn C¸ch nhí t¹o Bé vÖ l¹c ly m¹ch xung läc thÝch néi ghÐp ®iÖn nghi bé nèi §Ìn b¸o Bé chØ thÞ Th«ng tin th¨m dß ®−îc Hình 2-19: Cấu trúc đầu vào (Input) kiểu số 40
Đồ án tốt nghiệp b, Modun ra. Tín hiệu từ bộ nhớ, nhờ các mạch ghép nối sẽ chuyển tới đầu ra (Output) (Hình 2-20) tiếp theo tín hiệu được chuyển tới mạch thích nghi, tín hiệu chuẩn sẽ qua bộ cách ly điện và tới mạch điều khiển . Từ đây lệnh điều khiển được phát ra. §Ìn b¸o Bé chØ thÞ Nguån ThÝch nghi Bus GhÐp C¸ch ly ®iÖn m¹ch §K thμnh h×nh liªn nèi l¹c luång néi ThÝch nghi nhí C¸ch ly ®iÖn B¶o vÖ bé thμnh h×nh LÖnh Hình 2-20: Cấu trúc đầu ra (Output) kiểu số c, Modun liên lạc. Đây là bộ phận liên hệ, trao đổi thông tin giữa các bộ phận trong bộ PLC, giữa bộ phận vi xử lý và bộ ngoài vi xử lý. Trên hình 2-21 trình bày cấu trúc của modun liên lạc. 41
Đồ án tốt nghiệp §Þnh vÞ Bus GhÐp M¹ch liªn nèi Bé vi Ch−¬ng Liªn l¹c ghÐp l¹c luång xö lý tr×nh côc bé con nèi néi nhí bé LÆp Hình 2-21: Cấu trúc modun liên lạc d, Bộ vi xử lý (Microprocessor). Đây là bộ phận chính hay gọi là bộ vi xử lý của PLC, tại đây nó xử lý toàn bộ mọi dữ liệu gửi tới, giải các bài toán, tạo các lệnh điều khiển, bộ nhớ chính cũng nằm ở đây. e, Mođun nguồn Modun nguồn nhận nguồn điện công nghiệp 110V hoặc 220V. Trong PLC tại modun nguồn có bộ phận toả nhiệt, chống đoản mạch bảo vệ an toàn. 2.4.4 Cấu trúc bên trong của PLC. Cấu trúc cơ bản bên trong của PLC bao gồm bộ xử lý trung tâm(CPU) chứa bộ vi xử lý hệ thống, bộ nhớ, và mạch nhập/xuất. CPU điều khiển và xử lý mọi hoạt động bên trong của PLC. Bộ xử lý trung tâm được trang bị đồng hồ có tần số khoảng 1 đến 8MHz, tần số này quyêt định tốc độ vận hành của PLC, cung cấp chuẩn bị thời gian và đồng bộ hoá tất cả các thành phần của hệ thống. Thông tin trong PLC được truyền dưới dạng tín hiệu digital gọi là các bus. Chúng có thể là các vệt dẫn trên bảng mạch in hoặc củng có thể là các dây điện trong cáp bẹ. CPU sử dụng các bus dử liệu để gửi dữ liệu giữa các bộ phận, bus địa chỉ để gửi địa chỉ các vị trí truy cập dữ liệu được lưu dữ và bus điều khiển dẫn các tín hiệu điều khiển nội bộ. Bus hệ thống được sử dụng để truyền thông giữa các cổng và thiết bị nhập/xuất. 42
Đồ án tốt nghiệp Bus ®Þa chØ Bus ®iÒu khiÓn Panel ch¦ ¬ng tr×nh RAM «ng hå § Nguån ch¦ ¬ng ROM RAM ThiÕt bÞ tr×nh CPU hÖ thèng d÷ liÖu nhËp/xuÊt ng¦ ¬× dï ng Bus d÷ liÖu Bus hÖ thèng I/O Bé ®Öm Kho¸ Khí p nèi Giao diÖn bé quang truyÒn ®éng C¸ c kª nh nhËp Bé truyÒn ®éng C¸ c kª nh xuÊt Hình 2-22: Cấu trúc bên trong của bộ PLC CPU Cấu hình của CPU tuỳ thuộc vào bộ vi xử lý, CPU gồm có: Bộ thuật toán và logic(ALU) chịu trách nhiệm xử lý dữ liệu, thực hiện các phép toán số học và các phép toán logic. Bộ nhớ hay còn gọi các thanh ghi bên trong bộ xử lý, được sử dụng để lưu trữ thông tin liên quan đến việc chạy chương trình. Bộ điều khiển được sử dụng để điều khiển chuẩn thời gian của các phép toán. Bus Bus là các đường dẫn dùng để truyền thông bên trong PLC. Thông tin được truyền theo dạng nhị phân, theo nhóm bit, mổi bit là một số nhị phân 0 hoặc 1 tương ứng với trạng thái on/off. Thuật ngữ từ được sử dụng cho nhóm bít tạo thành thông tin nào đó. Vì vậy mỗi từ 8 bit này có thể là số nhị 43
Đồ án tốt nghiệp phân(00100110), cả 8 bít này được truyền đồng thời theo dây song song của chúng. Hệ thống PLC gồm có bốn bus sau: - Bus dữ liệu(Data Bus) tải dữ liệu được sử dụng trong quá trình xử lý của CPU. Nó là đường truyền qua lại giữa bộ nhớ và bộ xử lý. Bộ xử lý 8 bít có một bus dữ liệu nội có thể thao tác các số 8 bít, có thể thực hiện các phép toán giữa các số 8 bít và phân phối kết quả theo giá trị 8 bit. - Bus địa chỉ(Address Bus) được sử dụng để tải địa chỉ các vị trí trong bộ nhớ. Như vậy mổi từ có thể được định vị trong bộ nhớ, mổi vị trí nhớ được gán một địa chỉ duy nhất. Mỗi vị trí được gán một địa chỉ sao cho dữ liệu được lưu trữ ở vị trí nhất định, để CPU có thể đọc hoặc gi ở đó. Bus địa chỉ mang thông tin cho biết địa chỉ sẽ được truy cập. Nếu bus địa có 8 đường truyền thì số lượng địa chỉ sẽ là 28 = 256 địa chỉ. Còn nếu bus có 16 đường truyền thì số lượng địa chỉ là 216 = 65536 địa chỉ. - Bus điều khiển(Control Bus) dùng để truyền các tín hiệu của bộ điều khiển, tín hiệu được CPU sử dụng để điều khiển các thiết bị nhớ nhận dữ liệu từ thiết bị nhập/xuất và tải các tín hiệu chuẩn thời gian được dùng để đồng bộ hoá các hoạt động. - Bus hệ thống(System Bus) được dùng để truyền thông giữa các cổng nhập/xuất và các thiết bị nhập/xuất. Bộ nhớ Trong hệ thống PLC có rất nhiều bộ nhớ như : ROM, RAM, EFROM - ROM (Bộ nhớ chỉ đọc) cung cấp dung lượng nhớ cho hệ điều hành và dữ liệu cố định được CPU sử dụng. ROM không bị mất dữ liệu khi mất điện. - RAM (Bộ nhớ truy cập ngẩu nhiên) dành cho chương trình của người dùng và đồng thời là nơi lưu trữ thông tin theo trạng thái của các thiết bị nhập, xuất, các giá trị của đồng hồ định giờ, các bộ đếm và các thiết bị nội vi khác. RAM dữ liêu đôi khi còn được coi là bảng dữ liệu hay bảng ghi. Một phần của bộ nhớ này dành cho các địa chỉ của ngỏ vào và ngỏ ra cùng với trạng thái 44
Đồ án tốt nghiệp của ngỏ vào và ngỏ ra đó. Một phần dành cho dữ liệu được cài đặt trước, và một phần khác dành để lưu trữ các giá trị của bộ đếm, đồng hồ định giờ vv Đây là bộ nhớ sơ cấp, trong đó các chỉ lệnh chương trình và dữ liệu được lưu trữ sao cho bộ xử lý trung tâm(CPU) có thể truy cập trực tiếp vào chúng thông qua bus dữ liệu cao tốc của bộ xử lý đó. CPU có thể đọc và ghi dữ liệu từ RAM. Khi mất điện các nội dung trên RAM sẽ bị mất. - EPROM (Bộ nhớ chỉ đọc có thể xoá và lập trình được) đây là bộ nhớ ROM có thể được lập trình và chương trình được lập này được thường trú trong ROM. Các PLC đều có một lượng RAM để lưu trữ chương trình do người dùng cài đặt và dữ liệu chượng trình. Tuy nhiên để tránh mất chương trình khi bị mất điện, PLC sữ dụng ắc quy để duy trì nội dung RAM trong một thời gian. Sau khi được cài đặt vào RAM, chương trình có thể được tải vào bộ nhớ EPROM, thường là module có khoá đối với PLC , do đó chương trình trở thành vĩnh cửu. Ngoài ra PLC còn có các bộ đệm tạm thời, lưu trữ các kênh nhập/xuất. Dung lượng lưu trữ của bộ nhớ được xác định bằng số lượng từ nhị phân có thể lưu trữ được. Nếu dung lượng bộ nhớ là 256 từ, thì bộ nhớ có thể lưu trữ được 256 × 8 = 2048bit nếu sử dụng từ 8bít, và 256 × 16 = 4096bít nếu sử dụng từ 16bít. Các loại PLC khác nhau có dung lượng khác nhau, có thể từ 1K ÷ 64K. Bộ cách ly quang điện Thiết bị nhập/xuất là giao diện giữ hệ thống và thế giới bên ngoài, cho phép thực hiện các nối kết thông qua các kênh nhập/xuất đến thiết bị nhập và thiết bị xuất. Củng từ các thiết bị này chương trình được đưa vào hệ thống từ bảng chương trình. Mỗi điểm nhập/xuất có một địa chỉ duy nhất mà CPU sử dụng. Bức xạ hồng ngoại Diode phát quang Transistor quang 45
Đồ án tốt nghiệp Khi Hình 2-23: Thiết bị cách điện quang học. xung digital đi qua diode phát quang, sẽ tạo ra xung hồng ngoại. Xung này được transistor qung học tiếp nhận và làm tăng điện áp trong mạch. Khe hở giữa transistor và diode phát quang sẽ tạo ra sự cách điện nhưng vẫn cho phép xung digital đi vào mạch để làm tăng xung digital trong mạch khác. Tín hiệu nhập có thể sử dụng trong PLC là các tín hiệu on-off 5V, 24V, 110V, 220V. Thiết bị nhập/xuất. Thiết bị nhập xuất của PLC được thiết kế sao cho dãi tín hiệu vào có thể biến đổi được thành tín hiệu digital 5V, và tín hiệu ra là khả dụng để tác dụng lên các thiết bị khả dụng. Khả năng này cho phép xử lý dãi tín hiệu vào và tín hiệu ra để các PLC đễ dạng sử dụng. Nói chung các tín hiệu vào từ modul nhập được chọn lựa bằng các công tắc DIP(Dual Inline Package) và được bố trí phía sau các modul. Chúng chỉ có hai trạng thái on-off và được sử dụng để cài đặt các tham số cho modul, đồng thời củng được dùng để xác lập địa chỉ của các modul. Tín hiệu nhập từ các sensor và tín hiệu xuất đến các thiết bị điều khiển có thể là : - Tín hiệu rời rạc: Thực chất đây chỉ là các tín hiệu on-off. Nó được nhập từ các thiết bị như công tắc cơ, công tắc gián tiếp, các bộ cảm biến quang điện vv - Tín hiệu analog: Là tín hiệu có kích cỡ liên quan đến đại lượng đang được cảm biến. Các tín hiệu này được nhập từ các cảm biến nhiệt độ, cảm biến áp suất, cảm biến khoảng cách dịch chuyển vv - Tín hiệu digital: Đó là các chuổi xung cấp vào cho PLC. Các tín hiệu digital được nhập vào PLC nếu kênh nhập của PLC có khả năng chuyển tín hiệu đó thành tín hiệu digital, qua bộ chuyển đổi A/D(Analog-Digital Change). 46
Đồ án tốt nghiệp Bộ Tín hiệu vào chuyển Tín hiệu ra đổi analog digital A/D Hình 2-24: Bộ chuyển đổi tín hiệu A/D. Một tín hiệu vào analog tạo thành các tín hiệu on-off trên 8 dây riêng rẽ. 8 tín hiệu này tạo thành từ dưới dạng digital tương ứng với mức tín hiệu analog. Như vậy bộ chuyển đổi 8 bit có thể có 28 = 256 giá trị khác nhau, từ 00000000 ÷ 11111111, nghĩa là từ 0 ÷ 255. Tín hiệu ra digital 00000010 00000001 00000000 Tín hiệu vào analog 1 2 Hình 2-25: Các bậc tín hiệu. Các thiết bị xuất có thể là contactor, các rơle, transistor, triac vv Khi các đầu ra cần các tín hiệu analog ta có thể sử dụng bộ chuyển đổi D/A(Digital-Analog Change). Khi đó tín hiệu vào bộ D/A là các chuỗi bít trên một đướng song song, qua bộ D/A và cho tín hiệu ra analog. Bộ Tín hiệu vào Tín hiệu ra chuyển analog đổi digital D/A 47
Đồ án tốt nghiệp Hình 2-26: Bộ chuyển đổi tín hiệu D/A. Xử lý các tín hiệu vào-ra(I/O). PLC chạy liên tục thông qua chương trình và cập nhật kết quả từ các tín hiệu vào. Mỗi vòng làm việc như vậy được gọi là một vòng quét của PLC. Quét tất cả các Thực hiện Cập nhật tín tín hiệu vào chương trình hiệu ra Hình 2-27. Hoạt động của PLC. a. Cập nhật liên tục. Trong phương pháp này CPU quét các kênh nhập khi chúng xuất hiện theo các kênh của chương trình. Mỗi điểm nhập sẽ được kiểm tra riêng rẽ và tác động của chúng lên chương trình sẽ được xác định. Sự yêu cầu tầng điểm nhập theo mỗi lệnh chương trình sẽ rất tốn thời gian. Nhiều kênh nhập có thể được quét trước khi chương trình có chỉ thị để thực thi hoạt động cụ thể và tín hiệu ra xuất hiện. Các tín hiệu ra duy trì trạng thái của chúng, bị khoá cho đến khi có sự cập nhật tiếp theo. Chuỗi làm việc như sau. - Tìm nạp và giải mã lệnh chương trình thứ nhất. - Quét các ngõ vào tương ứng. - Tìm nạp và giải mã lệnh chương trình thứ hai. - Quét các ngõ vào tương ứng, với các chương trình còn lại. - Cập nhật các ngõ ra. - Lặp lại toàn bộ chuỗi trên. b. Sao chép khối tín hiệu nhập/xuất. 48
Đồ án tốt nghiệp Do phương pháp cập nhật liên tục cần có thời gian kiểm tra lần lượt từng điểm nhập, vì vậy khi số điểm nhập lớn thời gian kiểm tra sẽ dài và chương trình chạy sẽ chậm. Để thực hiện chương trình trình nhanh hơn, một vùng đặc biệt của RAM được sử dụng làm bộ nhớ đệm giữa logic điều khiển và bộ nhập/xuất. Mỗi bộ nhập xuất đều có địa chỉ trong vùng nhớ này. Khi một chu kỳ được thực hiện, CPU quét tất cả các tín hiệu nhập và sao chép trạng thái của chúng vào các địa chỉ của bộ nhập/xuất trong RAM. Khi chương trình được thực hiện, CPU đọc dữ liệu được lưu trữ trong RAM, theo yêu cầu và thực hiện các phép toán logic. Tín hiệu xuất được lưu trữ trong vung RAM dành riêng cho nhập/xuất. Sau mỗi chu kỳ tín hiệu xuất trong RAM đều được chuyển đến các kênh xuất tương ứng. Các tín hiệu xuất vẫn duy trì trạng thái của chúng cho đến khi chu kỳ nhập kế tiếp được khởi động. Chuỗi làm việc như sau. - Quét tất cả các đơn vị nhập và lưu trữ vào RAM. - Tìm kiếm, giải mã và thực thi tất cả các chỉ thị của chương trình theo thứ tự và sao chép các chỉ thị xuất vào RAM. - Cập nhật tất cả các chỉ thị xuất. - Lặp lại chuỗi trên. Như vây thời gian cần thiết để hoàn tất một chu trình quét các ngõ vào và cập nhật các ngõ ra theo các lệnh chương trình sẽ ngắn đi và chương trình được thực hiện một cách nhanh chóng. Tuy vậy các ngõ vào vẫn không được theo dõi một cách liên tục, các mẫu trạng thái của chúng đựơc lấy một cách định kỳ. Thời gian của chu kỳ thường khoảng từ 10 ÷ 50ms, nghĩa là các ngõ vào và các ngõ ra được cập nhật sau 10 ÷ 50ms. Và như vậy sự đáp ứng của hệ thông có thể bị trể. Điều này củng có nghĩa là nếu chu kỳ nhập rất xẩy ra ở thời điểm không thích hợp thì chu kỳ có thể bị bỏ sót. Do vậy một chu kỳ nhập bất kỳ phải được thực hiện trong khoảng thời gian lớn hơn thời gian của một vong quét của PLC. 49
Đồ án tốt nghiệp Để tránh trường hợp bị bỏ sót chu kỳ người ta sử dụng các modul đặc biệt có tác dụng khắc phục các thiếu sót trên. Giao tiếp qua cổng Serial Port (Port COM): IBM PC cung cấp 2 cổng nối tiếp: COM1 và COM2. Các cổng này giao tiếp theo tiêu chuẩn RS232. Chúng có thể được nối với một Modem để dùng cho mạng điện thoại, hay nối trực tiếp với một máy tính khác. Dữ liệu được truyền qua cổng này theo cách nối tiếp, nghĩa là dữ liệu được truyền đi nối tiếp nhau trên một đường dây. Do các dữ liệu được truyền đi từng bít một nên tốc độ truyền chậm, các tốc độ truyền là 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600 bps, chiều dài dữ liệu có thể là 5,6,7 hoặc 8 bít kết hợp với các bít Start, Stop, Parity tạo thành một khung (frame). Ngoài ra cổng này còn có các điều khiển thu (Receive), phát (Trans), kiểm tra. Cách giao tiếp này cho phép khoảng cách truyền dữ liệu xa, tuy nhiên tốc độ truyền rất chậm, tốc độ tối đa là 20 kps. 2.4.5 Ngôn ngữ lập trình cho PLC Ngôn ngữ lập trình cho của PLC có thể được dùng trong 3 dạng. Đây là cách nói của hầu hết các chuyên gia. PLC được lập trình theo biểu đồ lôgíc hoặc danh sách lệnh hoặc biểu đồ hình thang. Nhưng chính xác hơn được gọi là ngôn ngữ dẫn Boolean gồm 4 thuật ngữ chính là: LOAD (YES), AND, OR, NOT. Ngoài ra để bổ xung cho nội dung đầu vào và đầu ra người ta đưa vào TIM, CNT, FUN11, và HR. Ta trình bày sơ lược 3 cách trên ( dùng ngôn ngữ SYSWIN của hãng OMRON để minh hoạ). a. Cách liệt kê (Stament lish) – (Danh sách lệnh). Địa chỉ Ngôn ngữ lôgíc Nội dung 0000 LD 00003 0001 LD 00004 0002 AND NOT 00007 50
Đồ án tốt nghiệp 0003 OR LD 0004 OUT 01000 b. Sơ đồ hình thang(Ladder Diagram). Hình 2-28: Sơ đồ hình thang Việc kết hợp giữa 2 ngôn ngữ này được dùng rộng rãi trong công nghiệp vì vừa dễ theo dõi và miêu tả một cách sinh động từng bước của ngôn ngữ lập trình cho PLC. (STL kết hợp LAD) Ví dụ: Với sơ đồ hình thang trên ta có sơ đồ liệt kê như sau: Địa chỉ Ngôn ngữ lôgíc Nội dung 0000 LD 0000 0001 OR 0004 0002 LD 0001 0003 OR NOT 0002 0004 AND LD 0005 OUT 01001 c. Biểu đồ lôgíc (Đươc đề cập trong chương sau). 2.4.6 Bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A a. Sơ lược về bộ PLC omron sysmac cpm1a Bộ PLC omron sysmac cpm1a do hãng OMRON của Nhật sản xuất. Trên bộ PLC này được đánh số các đầu vào, ra và COM, điện xoay chiều 220V và điện 1 chiều 24V. 51
Đồ án tốt nghiệp • Có 18 đầu vào được ghi các địa chỉ sau: INPUT 0000 0001 0002 0003 0004 0005 0006 0007 0008 0009 0010 0011 Và 0100 0101 0102 0103 0104 0105 Hình2-29: Cấu hình đầu vào PLC OMRON SYSMAC CPM2A • Có 12 đầu ra với các địa chỉ sau: OUTPUT 1000 1001 1002 1003 1004 1005 1006 1007 1100 1101 1102 1103 52
Đồ án tốt nghiệp Hình 2-30: Cấu hình đầu ra PLC OMRON SYSMAC CPM2A b. Thuật ngữ đầu vào và đầu ra PLC OMRON SYSMAC CPM2A PLC OMRON SYSMAC CPM2A được thiết kế nhằm tiếp nhận tín hiệu dữ liệu đầu vào, sau khi sử lý theo chương trình sẽ phát tín hiệu qua các tín hiệu đầu ra. Một số tín hiệu đầu vào được truy nhập vào PLC thông qua các cực được đấu bằng các dây dẫn. Điểm chính xác nơi đấu đầu vào được gọi là điểm nhập (Input print). Điểm nhập này được đặt ở vị trí cố định trên bộ nhớ của PLC phản ánh tình trạng lôgíc của tín hiệu đang được nhập từ CPU của PLC dựa trên chương trình được viết vào bộ nhớ mà người lập trình viên truy nhập vào. Để kết thúc & khởi động chương trình, PLC điều khiển bít đầu ra (Output bit) thông qua dây dẫn điện cuối cùng tín hiệu chạm vào 1 thiết bị đầu ra (ví dụ đèn LET, điện solenoid, tín hiệu van ) và chuyển sang “ON” hoặc “OFF”. Toàn bộ hệ thống điều khiển gồm có PLC và các thiết bị đầu vào và đầu ra nối tiếp với những bộ phận năng lượng cần thiết được đặt nơi không có bụi, hơi nước, rung và không nhiễm từ. c. Cấu trúc vùng dữ liệu. 53
Đồ án tốt nghiệp Trên PLC OMRON SYSMAC CPM2A có nhiều vùng dữ liệu: từ IR và SR ngoài ra còn có vùng đếm và vùng thời gian (Vùng TC) do Operand giả định. Vùng dữ liệu trừ bộ phận trễ “Timers” và các bộ phận đếm “Counters” được viết bằng 1 từ (1 word = 16 bit) đánh số từ 00 ÷ 15. Nhưng từ HR 0000 ÷ HR 0009 v v gọi là những biến trung gian để giữ lại trong bộ nhớ hỗ trợ cho các dữ liệu đầu ra. Khi một số bít và từ ở những vùng dữ liệu nhất định không dùng nhằm một mục đích có sẵn: chúng có thể được sử dụng trong lập trình để điều khiển các bít khác. Ví dụ cổng vào Start (khởi động hệ thống) hoặc Stop (ngắt hệ thống). Những từ và bít sẵn sàng để sử dụng được gọi là từ làm việc hoặc bít làm việc. Hầu hết các bít chưa sử dụng có thể được dùng như bít làm việc. Những chức năng vùng nhớ CPM2A: 1. Những bít này được bố trí đầu vào Input hoặc đầu ra Output. 2. Có thể tự ý dùng những bít làm việc trong chương trình. 3. Những bít này có chức năng điều khiển hay tạo cỡ. 4. Những bít này được duy trì trang thái tạm thời ON/OF khi mất năng lượng. 5. Được dùng để lưu các thông số điều khiển hoạt động của PLC. 2.4.7 Bộ PLC LG K7M-DR30S a. Sơ lược về bộ PLC LG K7M-DR30S Bộ PLC LG K7M-DR30S do hãng LG của KOREA sản xuất. Loại PLC này sử dụng đầu vào Input là tín hiệu điện 1 chiều 1÷24V, đầu ra Rơ le. Loại PLC này về nguyên tắc vận hành và cấu tạo chung thì tương tự như bộ PLC OMRON SYSMAC CPM2A. 54
Đồ án tốt nghiệp Hình 2-31: Hình dạng PLC LG K7M-DR30S Trên bộ PLC này được đánh số các đầu vào, ra và COM, điện xoay chiều 220V và điện 1 chiều 24V. • Có 18 đầu vào được ghi các địa chỉ sau: INPUT P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 P08 P09 P0A P0B P0C P0D P0E P0F P10 P11 • Có 12 đầu ra với các địa chỉ sau: OUTPUT P40 P41 P42 P43 P44 P45 P46 P47 P48 P49 P4A P4B 55
Đồ án tốt nghiệp b. Thuật ngữ đầu vào và đầu ra PLC LG K7M-DR30S Tương tự như PLC PLC OMRON SYSMAC CPM2A. c. Cấu trúc vùng dữ liệu PLC LG K7M-DR30S PLC LG K7M-DR30S là một hệ thống điều khiển tự động theo chương trình hoạt động theo chu kỳ với chương trình được lưu giữ trong bộ nhớ. • Phương pháp điều khiển vào ra: phương pháp nạp mới, phương pháp lôgíc. • Ngôn ngữ lập trình: Hình thang, lôgíc. • Tốc độ vi xử lý: 0.5μs/ step. • Dung lượng chương trình: 7kstep. • Tiếp điểm I/O: 30. • Tiếp điểm Input: P0000 ÷ P0011. • Tiếp điểm Output: P0040 ÷ P004B. • Tiếp điểm phụ: M0000÷M191F. • Tiếp điểm liên tục: K0000÷K031F. • Tiếp điểm liên kết: L0000÷L063F. • Tiếp điểm đặc biệt: F0000÷F063F. • Timer: 100ms: T000÷T191. • Counter: C000÷C255. • Địa chỉ điều khiển bước: S00.00÷S99.99. • Thanh ghi dữ liệu: D0000÷D4999 Cấu tạo cơ bản của PLC LG K7M-DR30S được giới thiệu như hình sau: 56
Đồ án tốt nghiệp Hình 2-32: Cấu trúc đầu vào PLC LG K7M-DR30S 57
Đồ án tốt nghiệp Hình 2-33: Cấu trúc đầu ra PLC LG K7M-DR30S 58
Đồ án tốt nghiệp CHƯƠNG 3 KẾT CẤU CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN TRONG RÔBỐT CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 3.1 Động cơ điện và điều khiển động cơ. 3.1.1 Ứng dụng truyền động điện Truyền động điện được sử dụng khá nhiều trong kỹ thuật robot. Vì có những ưu điểm như là điều khiển đơn giản không phải dùng các bộ biến đổi phụ thêm, không gây bẩn cho môi trường, các loại động cơ hiện đại có thể lắp trực tiếp trên các khớp quay Tuy nhiên so với truyền động thuỷ khí thì truyền động điện có tỷ lệ thấp giữa công suất truyền trên một một đơn vị khối lượng và thông thường đòi hỏi kèm theo hộp giảm tốc cồng kềnh vì trong tay máy tốc độ quay rất chậm Trong kỹ thuật robot về nguyên tắc có thể dùng động cơ điện các loại khác nhau, nhưng trong thực tế chỉ có hai loại được dùng nhiều hơn cả. Đó là động cơ điện một chiều và động cơ bước. Ngày nay do những thành công mới trong nghiên cứu điều khiển động cơ xoay chiều, nên cũng có xu hướng chuyển sang chuyển sử dụng động cơ xoay chiều để tránh phải trang bị thêm bộ nguồn điện một chiều. Ngoài ra loại động cơ một chiều không chổi góp ( DC brushless motor) cũng bắt đầu được ứng dụng nhiều. 3.1.2 Động cơ điện một chiều Tổng quan về động cơ điện một chiều Động cơ điện một chiều gồm có hai phần (hình 4-2) a. Stato cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm vĩnh cửu. Phần này gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong khe hở không khí. b. Roto với các thanh dẫn. Khi có dòng điền một chiều chạy qua và với dòng từ thông xác định, roto sẽ quay. Phần này còn gọi là phần ứng. 59
Đồ án tốt nghiệp Do cách khác nhau khi bố ttrí dây cuốn phần cảm so với phần ứng ta có những loại động cơ điện một chiều khác nhau: Hình 3-1: Sơ đồ động cơ điện một chiều - Động cơ kích từ song song. - Động cơ kích từ nối tiếp. - Động cơ kích từ hỗn hợp. Các đại lượng chủ yếu xác định sự làm việc của động cơ một chiều là: U - Điện áp cung cấp của phần ứng. I - Cương độ dòng điện trong phần ứng. r - Điện trở trong phần ứng. Φ - Từ thông trong khe hở. E - Sức phản điện động phần ứng. Các quan hệ cơ bản khi làm việc là: E = U – rI = knΦ (1) 60
Đồ án tốt nghiệp k phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và số thanh dẫn tác dụng của phần ứng. Từ (1) ta có các nhận xét sau: 1) Khởi động E băng 0 khi mở máy, chỉ có điện trở phần ứng r rất nhỏ hạn chế dòng điện. Vì thế cần phản cần phải có biến trở mở máy để duy trì I ở giá trị thích hợp. U − Ir 2) Số vòng quay: n = Vậy điều chỉnh tốc độ có thể tiến hành kφ bằng cách tác động vào điện áp U hoặc tác động vào từ thông φ . 3) Momen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất: EI = 2π nC Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: Về phương diện điều chỉnh tốc độ thì động cơ điên một chiều có nhiều ưu việt hơn hẳn các động cơ khác. Khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng trong dải rộng và có cấu trúc mạch lực và mạch điều khiển đơn giản. Như đã nói trên, có hai phương pháp cơ bản để điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều: - Tác động lên từ thông φ thông qua việc điều chỉnh điện áp dòng kích từ. - Điều chỉnh điện áp phần ứng. Khi điều chỉnh tốc độ 0 đến tốc độ định mức bằng cách dữ từ thông không đổi và tác động vào điện áp phần ứng U thì momen sẽ không đổi, còn công suất tăng theo tốc độ. Khi điều chỉnh tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức bằng cách tác động lên từ thông và giữ điện áp phần ứng không đổi thì công suất không đổi, còn momen giảm theo tốc độ. 61
Đồ án tốt nghiệp Khi từ thông tiến về không thì tốc độ tiến tới vô cùng. Vì vậy khi không tải , động cơ kích từ nối tiếp có có tốc độ quá lớn, các loại động cơ kích từ song song hoặc hỗn hợp để quá tốc độ nếu cắt mạch kích từ của nó. Đảo chiều quay: Chiều quay của phần ứng phụ thuộc vào chiều dòng điện trong dây cuốn phần ứng và chiều của từ trường. Để đổi chiều quay của động cơ điện một chiều cần đổi hoặc chiều của từ thông hoặc dòng điện phần ứng. 3.1.3 Động cơ bước 3.1.3.1 Đặc điểm: Ngày nay cùng với sự phát triển của công nghệ chế tạo vi mạch và các thiết bị điều khiển, động cơ bướcđược sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực. Trong hệ thống điều khiển dùng động cơ bước có ưu điểm hơn hẳn động cơ một chiều và xoay chiều bởi hệ không cần các mạch vòng dòng điện và mạch vòng tốc độ mà chỉ cần mạch vòng điều khiển vị trí. Động cơ bước là một loại động cơ điện chuyển các tín hiệu vào điều khiển(số) thành các chuyển động cơ học(gián đoạn theo bước). Tuỳ thuộc vào yêu cầu truyền động mà ta chọn động cơ bước có chế độ kích thích xung và tần số xung kích thích cho phù hợp. *Ưu nhược điểm: Việc sử dụng chúng trong hệ thống điều khiển có nhiều thuận lợi: - Không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí và vận tốc. - Thích hợp với các thiết bị điều khiển số. Ưu điểm lớn nhất của động cơ bước trong điều khiển vị trí là không cần phản hồi ( khi điều khiển chính xác số bước quay của động cơ, đếm số bước có thể xác định vị trí chính xác mà không cần đến phản hồi vị trí) và điều khiển số trực tiếp ( ghép nối trực tiếp với máy tính). Với khả năng điều khiển số trực tiếp, động cơ bước trở thành rất thông dụng trong các thiết bị hiện đại 62
Đồ án tốt nghiệp như robot công nghiệp, máy công cụ điều khiển số, các thiết bị ngoại vi của máy tính như trong máy in kim, bộ điều khiển bộ đĩa máy vi tính, máy vẽ Tuy vậy, phạm vi ứng dụng động cơ bước ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên cứu nâng cao công suất của động cơ bước đang là vấn đề rất được quan tâm hiện nay. Ngoài ra nói chung hiệu suất của nó thấp hơn so với nhiều loại động cơ khác. 3.1.3.2 Cấu tạo. Phần ứng của động cơ bước là cuộn dây được cuốn xung quanh một lõi thép có dòng điện một chiều chạy qua. Một hệ thống vành trượt cấp điện cho cuộn dây roto quay, như vậy ta có thể coi roto như một nam châm điện. ở mỗi thời điểm thì chỉ có một đôi dây cuốn được nạp điện ( ví dụ 1a, 1b ).Chúng được quấn dây sao chotừ trường của chúng thẳng hàng nhưng ngược chiều nhau. Ro to se quay cho đến khi từ trường của roto thẳng hàng với cặp từ của stato được cấp điện. Hình vẽ (2-1) cặp từ 1a, 1b được cấp điện đây là trạng thái ổn định động cỡ sẽ giữ nguyên ở vị trí này cặp cuộn day 1 được ngắt điện đồng thời cấp điện cho cuộn dây 2 ( 2a, 2b ) và roto quay cho đến khi từ trường của nó thẳng hàng với từ trường cuộn dây 2. Mỗi bước đơn của cuộn dây 3 pha sẽ quay được một góc 600. Bằng cách sử dụng nhiều số đôi cực và ststo được quấn phức tạp hơn ta sể tăng được số bước. Thông thường động cơ này đi được 24 bước trong một vòng quay (150). Động cơ bước là động cơ quay gián đoạn từng góc độ, góc quay được xác định bởi các xung đặt vào stato N Cuén Cuén 1a 2a S Cuén R« to Cuén 3b 3a Cuén Cuén 2b 1b 63
Đồ án tốt nghiệp Hình 3-2 : Cấu tạo động cơ bước 64
Đồ án tốt nghiệp 3.1.3.3 Phân loại động cơ bước. Căn cứ vào cấu tạo, động cơ bước được phân thành hai loại thông dụng là động cơ bước có từ trở biến đổi ( Variable reluctance – VR ) và động cơ bước nam châm vĩnh cửu ( Permanent Magnet – PM ), cả hai loại động cơ bước này đều hoạt động bằng cách kích thích xung điện áp chữ nhật vào cuộn dây stato, từ đó sẽ biến đổi thành chuyển dịch theo góc, ngoài ra còn loại động bước kiểu lai, nó là sự kết hợp của hai loại động cơ bước trên. a, Động cơ bước loại VR: Là động cơ có các cuộn dây cuốn trên các răng của của stato còn rôto làm bằng sắt non là loại sắt từ không có khả năng giữ từ trường khi ngừng kích thích. Rôto quay khi các răng của rôto bị hút bởi từ trường của các răng stato. Rô to sắt non có quán tính nhỏ hơn các loại khác. Điều này cho phép đáp ứng nhanh hơn. Tuy nhiên do rôto không có mômen dư khi ngừng kích thích , động cơ quay tự do, góc bước của động cơ VR thường là 7,50 và 150. Xét nguyên lý của động cơ VR: Ta kích thích cuộn dây một pha nào đó bắng nguồn một chiều khi đó lực từ trường do cuộn dây của stato sinh ra sẽ đẩy rôto tới vị trí mà tại đó tiết diện răng rôto và tiết diện răng stato đối diện vì tại vị trí này từ trở nhỏ nhất nên động cơ sẽ ở trạng thái cân bằng. Trên hình vẽ ta xét động cơ VR 3 pha có 12 răng trên stato và 8 răng trên rôto. Giả xử khi pha C được kích thích thì Rôto ở vị trí như hình a, nếu ngừng kích thích pha C và kích thích pha B thì răng rôto có vị trí gần pha B sẽ được đẩy vào vị trí đối diện thẳng hàng với răng của stato khi đó rôto sẽ chuyển động được một bước. Cứ tiếp tục kích thích xung như vậy thì rôto sẽ chuyển động theo vòng trò, đây là lý do tại sao động cơ bước loại VR hoạt động được. Tuy nhiên nếu ta kích thích pha C thay vì pha A thỉ rôto sẽ quay theo chiều kim đồng hồ trở về vị trí pha C ban đầu. 65
Đồ án tốt nghiệp C C B B A A B C C C A B (a)A (b) C C B (c) Hình 3-3: Sơ đồ cấu tạo động cơ bước VR b, Động cơ bước nam châm vĩnh cửu. Stato gồm một số răng trên đó mang dòng điện kích thích. Rôto là nam châm vĩnh cửu có số cực bằng số răng của stato. Để minh hoạ ta xét động cơ bước gồm hai cụm điển hình, mỗi cụm có một cuộn dây giả xử là cuộn A và cuộn B. Khi được kích thích các cuộn tạo ra các cực như nam châm điện. Các cực được tạo ra trên hai cuộn có vị trí lệch so với nhau một nửa. Nếu cuộn pha A được kích thích với điện áp dương sẽ tạo ra các cực từ như hình vẽ. Cực từ của nam châm vĩnh cửu của rôto sẽ tương tác với cực từ được sinh ra trên stato theo nguyên tắc cùng dấu thì đẩy nhau trái dấu thì hút nhau, đây chính là nguyên nhân làm cho rôto chuyển động. Trên hình a là pha A được kích thích với điện áp dương, khi pha A ngắt điện cho pha B được kích thích với điện áp dương thì rôto sẽ dịch thêm một đoạn cùng chiều đó. Để chuyển động thì pha B không được kích thích và pha A sẽ được kích thích với điện áp âm. 66
Đồ án tốt nghiệp 1 2 3 3 4 Hình 3-4: Sơ đồ cấu tạo động cơ bước nam châm vĩnh cửu 1,2 : Hai nửa stato có dạng cực móng được từ hoá với cực N và S xen kẽ nhau. 3 : Hai cuộn stato (một cuộn điều khiển đơn cực và một cuộn điều khiển lưỡng cực) được đặt ở trong hai nửa stato. 4 : Rôto nam châm vĩnh cửu có các cực từ xen kẽ. Động cơ PM có đặc điểm là khi động cơ bị cắt nguồn cấp cho các pha thì vẫn còn có từ trường dư ở các pha stato tác dụng với từ trường nam châm vĩnh cửu trên rôto vì vậy động cơ vẫn được hãm ở vị trí ổn định. Mômen này có thể coi như mômen hãm của động cơ bước, trong khi đó động cơ bước kiểu VR không có khả năng hãm này khi tất cả các cuộn dây không được kích thích do vật liệu làm rôto không có từ dư. c, Động cơ bước kiểu lai ( Hybrid ) Là sự kết hợp của hai loại động cơ kiểu VR và PM, cấu trúc stato gồm một số cực lớn, trên mỗi cực lớn lại được chia thành các răng nhỏ. Rôto là nam châm hình trụ có nhiều răng với kích cỡ giống kích cỡ răng stato. Gốc bước của nó phụ thuộc vào số răng trên stato và rôto. 67
Đồ án tốt nghiệp 1 2 21 3 4 Hình 3-5: Sơ đồ cấu tạo động cơ bước kiểu lai. 1: Hai pha điều khiển lưỡng cực. 2: Stato dạng răng. 3: Cuộn dây pha điều khiển lưỡng cực. 4: Hai vành răng mgoài của rôto Phần stato được cấu tạo hoàn toàn giống stato của loại động cơ bước có từ trở thay đổi. Trên các cực của stato được đặt các cuộn dây pha, mỗi cuộn dây pha đượcquấn thành 2 hoặc 4 cuộn dây dặt xen kẽ nhau hình thành lên các cực N và S, đồng thời đối diện với mỗi cực bối dây là các răng của rôto và cũng được đặt xen kẽ giữa hai vành răng của stato. * Các thông số của động cơ bước: Góc quay: Động cơ bước quay một góc xác định đối với mỗi xung kích. Góc bước θ càng nhỏ thì độ phân giải càng cao. Số bước s là một thông số quan trọng. 3600 s = (1) θ Tốc độ quay và tần số xung: Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước trong một giây. Đối với hầu hết các động cơ bước, số xung cấp cho động cơ bằng số bước nên 68
Đồ án tốt nghiệp tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ bước có bước tính theo công thức sau: 60 f n = (2) S Trong đó : n là tốc độ quay ( vòng / giây), f là tần só bước ( Hz), s là số bước. Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác như độ chính xác vị trí và tỷ số momen và quán tính roto. Độ chính xác vị trí của động cơ bước phụ thuộc vào đặc tính của động cơ, vào độ chính xác chế tạo Tỷ số momen và quán tính roto có ảnh hưởng quyết định đến khả năng dừng ngay khi chuỗi xung điều khiển đã ngắt. 3.1.4 Động cơ biến tần. Việc điều khiển động cơ thông qua việc phát các xung điều khiển từ bộ điều khiển . Động cơ được điều khiển tốc độ bằng cách thay đổi tần số thông qua bộ biến tần (Inverter). Để thay đổi tốc độ của động cơ ta thay đổi tần số thông qua các phím chọn trên bề mặt của Inverter. ứng với một tần số của Inverter ta có một tốc độ của động cơ. Để đảm bảo cho động cơ làm việc an toàn trên động cơ người ta gắn thêm một phanh điện từ. Phanh này được nối qua một rơle và được điều khiển bởi bộ điều khiển. Khi có tín hiệu điều khiển bộ điều khiển ngắt điện áp của rơle và khi đó dòng 220V vào phanh bị cắt (phanh mở) và động cơ làm việc. Khi hiệu giữa giá trị khoảng cách thực và giá trị khoảng cách cần đạt được một giá trị Δ nào đó (do bộ đo thực hiện) bộ điều khiển cấp cho rơle một điện áp và khi đó phanh hoạt động, dừng động cơ đúng với yêu cầu. 3.2 Cảm biến trong rôbốt công nghiệp 3.2.1 Giới thiệu chung: Trong tất cả các hệ thống tự động, thiết bị tiếp nhận thông tin về diễn biến của môi trường và về diễn biến của các đại lượng vật lý bên trong hệ thống được gọi là cảm biến. Khái niệm cảm biến trong tiếng việt chưa thật 69
Đồ án tốt nghiệp chính xác với tiếng Anh (sensor), hay tiếng Pháp ( capteur), vì nghĩa cảm biến trong tiếng Việt có phần hẹp hơn. Cảm biến đôi khi chỉ là các trang bị đơn giản dạng như công tắc mini, các công tắc hành trình, các thanh lưỡng kiên (bimetal) Đối với người sử dụng, việc nắm được nguyên lý cấu tạo và các đặc tính cơ bản của cảm biến là điều kiện tiên quyết để đảm bảo sự vận hành tốt của hệ thống tự động. Trong các hệ thống vật lý, các đại lượng điều khiển rất đa dạng, do vậy các loại cảm biến cũng rất phông phú. Trong robot công nghiệp, các thiết bị cảm biến trang bị cho robot để thực hiện việc nhận biết và biến đổi thông tin về hoạt động của bản thân robot và của môi trường, đối tượng mà robot phục vụ. Theo phạm vi ứng dụng các loại cảm biến dùng trong kỹ thuật robot có thể phân ra hai loại: - Cảm biến nội tín hiệu (internal sensor) đảm bảo thông tin về vị trí, về vận tốc, về lực tác động trong các bộ phận quan trọng của robot. Các thông tin này là những tín hiệu phản hồi phục vụ cho việc điều chỉnh tự động các hoạt động robot. - Cảm biến ngoại tín hiệu ( external sensor) cung cấp thông tin về đối tác và môi trường làm việc phục vụ cho việc nhận dạng các vật xung quanh, thực hiện di chuyển hoặc thao tác trong không gian làm việc. Để làm được việc đó, cần có các loại cảm biến tín hiệu xa, cảm biến tín hiệu gần, cảm biến “ Xúc giác” và cảm biến “ thị giác” Để thực hiện nhiệm vụ các loại cảm biến nội tín hiệu và ngoại tín hiệu nói trên, có thể dùng nhiều kiểu cảm biến thông dụng hoặc chuyên dụng. Các kiểu cảm biến thông dụng không chỉ dùng cho kỹ thuật robot mà còn dùng nhiều trong các thiết bị kỹ thuật khác. Có nhiều tài liệu kỹ thuật về các kiểu cảm biến này. Tuỳ theo các dạng tín hiệu cần nhận biết mà phân thành các kiểu cảm biến khác nhau: Cảm biến lực, vận tốc, gia tốc, vị trí, áp suất, lưu lượng, nhiệt độ 70
Đồ án tốt nghiệp Tuỳ theo cách thức nhận tín hiệu lại phân ra các kiểu khác nhau. Ví dụ: cũng là cảm biến vị trí nhưng có kiểu cảm ứng, kiểu điện dung, kiểu điện trở, kiểu điện quang 3.2.2 Các loại cảm biến. 3.2.2.1. Cảm biến vị trí Cảm biến vị trí đặc điểm, như tên gọi của chúng, được dùng để giám sát vị trí tức thời của các cơ cấu. Tuỳ theo dạng chuyển động cần quan tâm mà vị trí có thể được tính theo đơn vị dài hay đơn vị góc. Nhờ các chuyển đổi cơ khí cần thiết có thể dùng sensor đo góc để đo chiều dài và ngược lai. Các sensor đo chiều dài có thể là biến trở, biến thế vi sai, encoder thẳng. Để đo góc quay có các loại sensor đo góc, như biến trở quay, encoder góc,resolver. Encoder là loại thước đo vị trí theo kiểu số, trong đó toạ độ được mã hoá theo hệ nhị phân. Tuỳ theo đơn vị đo, chúng ta có encoder thẳng (linear encoder) hay encoder góc (rotary encoder). Hai loại này giống nhau về nguyên lý làm việc, chỉ khác nhau ở chỗ các vạch được khắc theo đường thẳng hay theo vòng tròn. Theo phương pháp mã hoá, có 2 loại encoder là tuyệt đối (absolute) hay gia số (incremental). Thước đo vị trí kiểu gia số có 1 hoặc 2 đĩa quang, được khắc các vùng trong và đục xen kẽ nhau. Nếu dùng một đĩa thì nó được gắn với trục quay. Nếu dùng 2 đĩa thì một đĩa gắn với truc quay, còn đĩa kia cố định. Một phía của đĩa đặt nguồn sáng phía đối diện đặt trục 3 “con mắt điện” để thu tín hiệu của từng vòng tròn. Tại một vị trí nhất định của đĩa, vùng nào cho tia sáng đi qua sẽ được mã hoá là 1, vùng nào ngăn tia sáng sẽ được mã hoá là 0. Số vùng sáng tối trên đĩa quyết định độ phân giải của encoder. Tại thời điểm bắt đầu làm việc, hệ thống phải được quy không bằng cách quay lỗ sát vòng tròn thứ 2 tới vị trí đối diện nguồn sáng để con mắt thứ 3 nhìn thấy tia sáng. Khi hệ thống bắt đầu làm việc, một bộ xử lý sẽ đếm số lần con mắt ngoài cùng nhìn thấy tia sáng, từ đó tính ra góc mà đĩa phải quay. Chiều quay của đĩa được nhận biết nhờ sự phối hợp tín hiệu của 2 vòng: nếu 71
Đồ án tốt nghiệp đĩa quay theo chiều kim đồng hồ thì mắt ngoài cùng nhìn thấy tia sáng trước mắt thứ hai và ngược lại. Căn cứ vào chiều quay mà gia số sẽ được cộng hoặc trừ vào tổng số. Vμo DC sensor #1 ra Nguån 360 s¸ng sensor #2 ra 9 sensor gèc ra §Üa quay Trôc quay Hình 3-6 : Sơ đồ nguyên lý của thước đo vị trí theo gia số. Thước đo vị trí tuyệt đối có một đĩa quang, trên đó có nhiều vòng tròn đồng tâm. Mỗi vòng chứa các vùng trong và đục xen kẽ nhau. Số vòng tròn quyết định độ phân giải của encoder. Nếu số vòng tròn là công suất thì số phần mà một vòng tròn có thể được chia ra bằng 2n, góc nhỏ nhất mà encoder phân biệt được là 360°/2n. Ví dụ nếu số vòng là n = 4 thì số phần chia của vòng tròn là 24 = 16, encoder sẽ phân biệt được góc quay 360°/16 = 22,5°. Nếu n = 8 thì góc đó là 360°/4096 = 0.088°. 72
Đồ án tốt nghiệp §Üa m· ho¸ §Üa m· x¸m nhÞ ph©n Vïng Binary o X¸m o 360 0 0000 0000 360 o o 0 1 o 0001 0 1 o 15 0 22 1 0001 15 0 22 4 0011 4 14 1 o 2 0010 14 1 o 45 3 0011 0010 45 13 2 4 0100 0110 13 2 5 0101 0111 3 12 3 6 0110 0101 12 7 0111 0100 8 1000 1100 4 4 11 9 1001 1101 11 10 1010 1111 10 5 11 1011 1110 10 5 12 1100 1010 9 6 9 6 13 1101 1011 7 7 8 14 1110 1001 8 15 1111 1000 Hình 3-7 : Sơ đồ nguyên lý của thước đo vị trí tuyệt đối Resolver không phát tín hiệu như encoder mà phát ra tín hiệu tương tự đại diện cho vị trí của đối tượng đo. Nhìn vẻ ngoài nó giống động cơ điện nhưng nguyên lý làm việc của nó giống biến thế nhiều hơn. Cuộn dây rotor được cấp điện áp DC thông qua các vành dẫn điện. Điện áp cung cấp cho rotor dạng hình sin, dạng Vsinωt, tần số trong khoảng 0,4÷10 kHz. Stator của resolver có 2 cuộn dây, đặt lệch nhau 90°, còn trên cuộn dây kia có điện áp Vsinωt.sinθ. Rõ ràng giá trị điện áp ra phụ thuộc góc θ giữa rotor và stator. Tín hiệu phản hồi α của góc quay được cung cấp cho 2 cuộn dây qua hàm sinα và cosα, sau khi nhân với tín hiệu đầu vào và cộng đại số được tín hiệu ra là Vsinωt.sin(θ-α). Tín hiệu này được khuếch đại và gửi tới khối đồng bộ, đảm bảo giá trị của nó lphải tỉ lệ với sin(θ-α). Nếu có sai lệch, tín hiệu này được bù bởi thiết bị bù. Sau đó, tín hiệu được tích phân. Mạch phản hồi có bộ tạo dao đông, chuyển đổi điện áp thành tần số, và khối đếm xung. Giá trị α đại diện cho góc quay θ. 73
Đồ án tốt nghiệp Vsinωtcosυ sinα Vsinωtsin(υ−α) KhuyÕch ®¹i Dß ®ång bé Bï sinα Vsinωtsinυ ζ Vsinα α §Õm xung VCO Hình 3-8 : Sơ đồ nguyên lý làm việc và xử lý tín hiệu của resolver. 3.2.2.2 Cảm biến vị trí kiểu biến áp: Cảm biến kiẻu này hoạt động theo nguyên lý của một biến áp sai động ( differential transfomer): lõi từ chuyển động tương đối với hai cuộn dây cố định và làm việc thay đổi dòng cảm ứng giữa chúng. Roto có một cuộn dây, còn stato có một hoặc một vài cuộn dây cảm ứng đồng bộ. Giả thiết cấp vào cuộn dây của roto một điện áp: ur = U sinω t thì trong các cuộn dây trên stato sẽ xuất hiện các điện áp cảm ứng: us1 = KUr cos r sin (ω t + ϕ ) us2 = KUr cos r sin (ω t + ϕ ) Trong đó: K: hệ số biến áp ϕ : độ lệch pha Từ các công thức trên ta có thể xác định được góc r. Tuy nhiên sự biến động biên độ điện áp làm giảm độ chính xác tính toán. Bởi thế người ta sử dụng phương pháp giải điều biến đồng bộ trên cơ sở đối chiếu với tín hiệu chuẩn. Trong trường hợp biến áp biến áp xoay nhiều thì độ 74
Đồ án tốt nghiệp chính xác có thể tăng lên. Người ta thường sử dụng kết hợp bộ biến áp xoay chiều với bộ biến áp điện tử số để nâng cao độ chính xác. Cảm biến vị trí kiểu biến áp làm việc tin cậy, chính xác và phù hợp với dải rộng tần số quay. Vì không dùng đến vòng tiếp điểm như kiểu chiết áp nên chúng có thể làm việc với vận tốc cao ( khoảng 9000 vòng/phut). Tuy nhiên lại đòi hỏi độ chính xác cao về chế tạo và lặp ráp, nên giá thành cũng cao hơn nhiều. Tương tự, đối với trường hợp tịnh tiến có cảm biến vị trí kiểu chiết áp sai động thay đổi tuyến tính LVDT ( Linear Variable Differential Transformer). Bao bọc xung quanh lõi từ là một quộn dây sơ cấp và hai cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau. Khi dịch chuyển lõi từ độ từ cảm tương hỗ giữa cuộn dây sơ cấp và các cuộn dây thứ cấp sẽ biến đổi tuyến tính theo độ dịch chuyển đó. 3.2.2.3 Vận tốc kế: Phạm vi sử dụng vận tốc kế ( tachometers) và gia tốc kế ( accelerometers) ngày nay trở nên thu hẹp, mà thông dụng hơn là xác định theo số gia của các thông tin cảm biến vị trí bằng kỹ thuật số hay kỹ thuật vi mạch. Cách làm đó đạt được độ chính xác cao hơn và ngày càng rẻ hơn. Thường dùng các thiết bị sau để thực hiện chức năng của vận tốc kế: - Phát tốc ( tachogenerator) dùng một chiều. Khi Stator được kích từ thì tạo nên từ thông, khi đó trong các cuộn cảm trên roto có suất điện động từ cảm với giá trị trung bình tỷ lệ với góc quay của roto. - Phát tốc không đồng bộ dòng xoay chiều. Khi dòng điện xoay chiều chạy qua cuộn dây sơ cấp của Stato thì điện áp trên các đầu dây cuộn thứ cấp của Stato sẽ cùng tần số, biên độ và tỷ lệ thuận với vận tốc góc của roto. - Phát tốc đồng bộ. 75
Đồ án tốt nghiệp Nam châm vĩnh cửu trên Stato gây dòng điện cảm trong cuộn dây của Stato. Tần số và giá trị điện áp của nó tỷ lệ thuận với vận tốc của roto. - Phát tốc xung. Đĩa quay có khe rãnh đặt trước nguồn sáng tạo ra các xung có tần số tỷ lệ với vận tốc góc quay. 3.2.3 Cảm biến lực và cảm biễn xúc giác: 3.2.3.1 Cảm biến lực: Cảm biến lực chủ yếu dùng để nhận biết phản lực xuất hiện trong khi lặp ráp các chi tiết máy. Đôi khi cũng dùng để nhận tín hiệu lực trong các khớp động. Thương thường các cảm biến lực được lập ở các khớp quay, khớp cổ tay hoặc trực tiếp trên bàn kẹp. Có nhiều phương pháp nhận biết lực dùng trong cơ cấu cảm biến. Ví dụ trực tiếp suy ra từ sự biến thiên dòng điện ở động cơ một chiều lắp ở các khớp quay. Nhưng phổ biến là dùng phương pháp quen biết do biến dạng dùng các tensomet. Chúng còn được gọi là “tem biến dạng”, vì trông giống như những con tem nhỏ chứa bên trong một dây điện trở và được dán trên các thanh biến dạng. Dưới đây giới thiệu một kiểu cảm biến lực thường được lắp ở khớp quay cổ tay, chỗ nối với bàn kẹp và gọi tắt là cảm biến lực chữ thập. Cảm biến lực chữ thập Trên hình 3.4 mô tả một kiểu cảm biến lực khớp quay bàn kẹp, với bộ phận chủ yếu có hình chữ thập. Trên mỗi nhánh của hình chữ thập được dán hai cặp tensomet. Qua những cầu đo, sẽ nhận biết được lực tác động lên mỗi nhánh chữ thập. 76
Đồ án tốt nghiệp Hình 3-9. Cảm biến lực chữ thập Giả sử rằng ảnh hưởng qua lại giữa các tensomet là rất nhỏ, có thể bỏ qua. Như vậy từ các số đo của 8 cặp tensomet, bằng cách cộng hoặc trừ giữa chúng tuỳ theo các trường hợp cụ thể, có thể xác định được 3 thành phần lực F ( Fx,Fy,Fz) và 3 thành phần momen M ( Mx,My,Mz). Gọi chung FM là một vecto mở rộng bao gồm 6 thành phần nói trên và W có thành phần là 8 thành phần do được ( W1,W2, ,W8). FM = RFW ⎡r11 r18 ⎤ R = ⎢ ⎥ Với F ⎢ ⎥ ⎢ ⎥ ⎣r61 r68 ⎦ Các phần tử rij ≠ 0 của ma trận RF là các hệ số tương ứng dễ biến đổi các số đo theo đúng thứ nguyên của chúng: W(von), F(N), M(Nm). Theo bố trí các tensoment như trên hình 3.4 thì một số phần tử rij sẽ bằng không và ma trận trên sẽ như sau: ⎡ 0 0 r31 0 0 0 r17 0 ⎤ ⎢r 0 0 0 r 0 0 0 ⎥ ⎢ 21 25 ⎥ ⎢ 0 r32 0 r34 0 r36 0 r38 ⎥ RF = ⎢ ⎥ ⎢ 0 0 0 r44 0 0 0 r48 ⎥ ⎢ 0 r 0 0 0 r 0 0 ⎥ ⎢ 52 56 ⎥ ⎣⎢r61 0 r63 0 r65 0 r67 0 ⎦⎥ 77
Đồ án tốt nghiệp Từ ( ) và ( ) có các thành phần của FM, ví dụ: Fx = r13W3 + r17W7 (*) Biểu thức (*) hoàn toàn phù hợp với hình 3.4 Để xác định các hệ số rij trong (*) người ta thường chuẩn mức hoá ( calibration) kết hợp tính toán và thực nghiệm. Bản chất việc chuẩn hoá mức ở * đây là thiết lập một ma trận RF thoả mãn điều kiện sau: * W = RF FM ( ) * RF là ma trận 8 x 6. * T Nhân 2 vế ( ) với (RF ) , ta có: * T * T * -1 (RF ) W = [(RF ) RF ] FM Từ đó: * T * -1 * T FM = [(RF ) RF ] (RF ) W So sánh ( 11.5) và ( 11.11), ta có: * T * -1 * T RF ≈ [(RF ) RF ] (RF ) . * Ma trận R F được thiết lập trên cơ sở các công thức trên và các kết quả thực nghiệm khi cho trước các giá trị của FM. 3.2.3.2 Cảm biến xúc giác: Trong kỹ thuật người máy thường dùng các cảm biến xúc giác để nhận thông tin về sự tiếp xúc của bàn kẹp với đối tượng hoặc lực cần kẹp 78
Đồ án tốt nghiệp Hình 3-10: Cảm biến xúc giác kiểu công tắc lắp bên trong bàn tay kẹp Có thể phân cảm biến xúc giác ra hai nhóm cơ bản: Cảm biến có ngưỡng tín hiệu rời rạc và cảm biến có tín hiệu tương tự. Cảm biến xúc giác có ngưỡng tín hiệu rời rạc. Đây thực chất là những công tắc tinh vi được lắp đặt ở phía bên trong của các ngón bàn kẹp để cho biết thông tin đã có vật kẹp giữa các ngón chưa, cần kẹp vào vị trí nào của vật Các công tắc tinh vi có thể lắp đặt trên bề mặt tiếp xúc phía trong của bàn kẹp. Ngoài ra còn có thể lắp đặt ở phía ngoài bàn kẹp hoặc ở các đầu dò của cơ cấu tay máy để nhận biết thông tin về các chướng ngại vật trên đường di chuyển. Cảm biến xúc giác dùng tín hiệu tương tự loại đơn giản nhất. Nó gồm một thanh tỳ vào vật nhờ lực lò xo. Lực ngang từ phía lực tác dụng vào thanh làm chuyển động đi một góc quay( ví dụ bằng cơ cấu thanh răng bánh răng). Góc quay này tỷ lệ với lực ngang và được liên tục ghi đo bằng cơ cấu chiết áp ứng với độ cứng vững đã biết của lò xo, có thể xác định được lực theo độ dịch chuyển của góc ghi đó. Trong những năm gần đây một vấn đề rất được chú ý là tạo ra các bề mặt xúc giác có khả năng thu nhận cùng một lúc một lượng lớn thông tin. TTrên hình 4.4 là một ví dụ minh hoạ. Phía bên trong các ngón của bàn kẹp được 79
Đồ án tốt nghiệp gắn các mặt xúc giác (1). Các mặt phía bên ngoài ( 2) của bàn kẹp có thể gắn cả các cảm biến tín hiệu rời rạc. Mặc dù mặt xúc giác thường là tổ hợp nhiều loại cảm biến riêng lẻ, nhưng một hướng có chuyển vọng là cùng dùng các tấm vật liệu bán dẫn, ví dụ trên nền grafit có điện trở thay đổi theo áp lực. Sự thay đổi điện trở dễ dàng biến thành dao động tín hiệu điện. Biên độ của nó tỷ lệ với lực tác động lên bề mặt vật kẹp tại điểm tiếp xúc. Để tạo các mặt xúc giác mà đôi khi còn gọi là “ lớp da nhân tạo” có thể có các phương pháp chủ yếu. Phương pháp ở hình 4.5a tạo ra các cửa sổ giữa khối vật liệu dẫn (1) nằm giữa thân vỏ (2) và hệ thống điện cực (3). Mỗi điện cực là một ô vuông cửa sổ tiếp nhận tín hiệu tại một điểm tiếp xúc với vật. Tuỳ thuộc vào áp lực lên vật liệu bán dẫn, dòng điện từ thân vỏ đến điện cực sẽ biến đổi. Theo phương pháp ở hình 13b có các cặp điện cực (4) trên các tấm mạch điện ( 5) thì vật liệu dẫn nằm phía trên và cách điện với tấm này trừ các chỗ tiếp xúc với điện cực. áp lực từ đối tượng làm thay đổi điện trở và nhờ các mạch điện tử biến đổi thành các tín hiệu khác nhau. Hình 3-11: Phương pháp tạo các mặt xúc giác 80
Đồ án tốt nghiệp Trong các phương pháp hình 4.5c, vật dẫn điện ( 1) đặt giữa hai bộ điện cực ngang ( X), dọc (Y) vuông góc với nhau. Điểm chéo nhau giữa hai thanh điện cực X,Y có vật dẫn điện chen giữa thành một điểm nhạy cảm. Bộ điện cực có lớp vỏ cao su ( 6) chuyển dịch tạo lực từ phía ngoài tác động lên mỗi điểm nhạy cảm làm thay đổi điện trở của vật dẫn và do vậy làm thay đổi dòng điện. 3.2.4 Thiết bị quan sát (Visual System) Thiết bị quan sát là một loại sensor đặc biệt, có khả năng nhận biết và xử lý hình ảnh của đối tượng. Thiết bị quan sát được ứng dụng rộng rãi trong dông nghiệp nói chung, song ứng dụng trong rôbốt là ứng dụng đặc trưng nhất. Mặt khác, xử lý hình ảnh là một trong những lĩnh vực phát triển mạnh nhất của công nghệ thông tin hiện đại, nên thiết bị quan sát trên rôbốt gắn liền máy tính. Với một hệ thống quan sát đơn giản rôbốt, để nhận biết 2 vật: một vật cao và một vật thấp. Hệ thống có một nguồn sáng và 2 sensor thu sáng. Nếu có vật cao trước nguồn sáng thì cả 2 sensor đều nhận được ánh sáng phản xạ. Nếu chỉ có vật thấp thì chỉ riêng sensor thấp nhận được. Nếu không có vật nào thì không sensor nào nhận được tín hiệu. “Hình ảnh” của đối tượng chỉ gồm có 2 điểm ảnh ( trong kỹ thuật xử lý ảnh, điểm ảnh được gọi là pixel). sensor VËt cao Nguån s¸ng VËt thÊp R«bèt PLC sensor B¸o ®éng Hình 3-12 : Hệ thống quan sát 2 pixel 81
Đồ án tốt nghiệp Tín hiệu về đối tương, tuy chỉ có 2 pixel nhưng cũng cần bộ phân tích, ví dụ một PLC. Nó sẽ được lập trình để: - Báo hiệu cho rôbốt nếu vật cao trước mặt. Vì vậy rôbốt chỉ phản ứng với vật cao. - Nổi hiệu lệnh cho người nếu chỉ có vật thấp trước mặt. Như vậy, người chỉ phải phản ứng nếu gặp vật thấp. Gọi hệ thống trên là “thiết bị quan sát” có thể hơi lạm dụng từ này và hệ thống như vậy có lẽ không tồn tại trên thực tế, nhưng nó cho một hình dung ban đầu về thiết bị quan sát. tÝn hiÖu t−¬ng tù B¾t khung d÷ liÖu sè Camera Nguån s¸ng Nguån M¸y tÝnh RS232 R«bèt RS232 B¨ng t¶i Hình 3-13: Hệ thống nhận dạng chi tiết 82
Đồ án tốt nghiệp Thiết bị quan sát thật sự (Hình 6.130 cũng có các bộ phận cơ bản như hệ thống ví dụ ở trên. Đó là hệ thống đơn giản để nhận dạng chi tiết. Nó có khả năng phân biệt các chi tiết trong trường quan sát của mình. Hệ thống nhận dạng nói trên gồm có: - Nguồn sáng: Tia sáng do nó phát ra sẽ bị phản xạ bởi vật và được thu bởi - Camera, biến đổi quang năng thành điện năng, cung cấp cho - Bộ thu ảnh, gồm mạch điện tử và phần mềm để phân tích tín hiệu thành các pixel và biểu diễn chúng dưới dạng mã nhị phân. Sơ đồ bố trí các điểm ảnh gọi là bitmap. Sơ đồ này sẽ được chuyển tới - Máy tính để lưu trữ và xử lý trực tiếp. Máy tính sẽ so sánh sơ đồ điểm ảnh của vật với sơ đồ điểm ảnh chuẩn (gọi là template) trong thư viện để xem vật với sơ đồ điểm ảnh chuẩn (Gọi là template) trong thư viện để xem vật thuộc loại nào. Máy tính sẽ chỉ cho rôbốt biết chi tiết nó đang nhìn thấy là chi tiết nào, thông qua - Giao diện đầu ra. Nó chuyển tín hiệu từ hệ thống nhận dạng cho bộ điều khiển rôbốt. Ví dụ một mã “H” (Nếu chi tiết là hộp), mã “C” (Nếu chi tiết là cờ lê) sẽ được truyền theo giao diện chuẩn RS232. - Thiết bị nhận dạng càng chính xác nếu số ảnh trên một đơn vị diện tích ảnh (Nghĩa là độ phân giải) càng lớn. Đơn vị chuẩn của độ phân giải là dpi. Màn hình máy tính có độ phân giải cỡ 100 dpi, còn máy in lazer thường có độ phân giải cao hơn (Cỡ 300 dpi trở lên). Độ phân giải của ảnh càng lớn thì tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ của máy tính càng phải cao. Khả năng nhận dạng chính xác của thiết bị quan sát cần cho những trường hợp sau: Phân biệt các chi tiết khá giống nhau. Phân biệt sản phẩm tốt và phế phẩm. Sử dụng màu sắc để nhận dạng đối tượng. Đo kích thước chi tiết. 83
Đồ án tốt nghiệp Nhận biết vật cản để tránh va chạm. Nhận biết khoảng cách và hướng của chi tiết. Nhận biết tốc độ và hướng chuyển động của đối tượng. Nhận biết đối tượng 3 chiều. Các thiết bị nhận dạng mục tiêu của máy bay ném bom, nhận dạng đường cho các ô tô tự lái là những ví dụ về các thiết bị quan sát hiện đại. 3.2.5 Các cảm biến thường gặp trong rôbốt gắp phôi tự động. Các cảm biến được sử dụng trong robot là các cảm biến điện từ. Với nguyên lý hoạt động như sau: Khi cảm biến đối diện với các vật có từ tính sẽ gây ra hiện tượng thông mạch và trên đường tín hiệu ra có một điện áp ở mức 24V, và đưa về bộ điều khiển dưới dạng xung điện này. Sau khi nhận được tín hiệu từ các cảm biến bộ điều khiển sẽ có tín hiệu điều khiển tương ứng với các hoạt động của robot. Mỗi cảm biến được sử dụng có 3 dây. Hai dây cung cấp nguồn (Brown và Blue) điện áp 24V, còn dây còn lại (Black) ở mức 0V là dây tín hiệu. Khi cảm biến đối diện với các chất có từ tính ở một khoảng cách nhất định, mạch điện áp đóng với điện áp 24V. Sau đây là sơ đồ cấu trúc của cảm biến điện từ. 84
Đồ án tốt nghiệp Brown 24V Load Main circuit Black Blue 0V Hình 3-14: Sơ đồ cấu trúc cảm biến điện từ. 3.3 Hệ thống vận hành khí nén trong rôbốt công nghiệp 3.3.1 Giới thiệu chung về hệ thống truyền động tự động trong rôbốt cấp phôi Hệ truyền động tự động thuỷ khí công nghiệp làm việc theo chu trình là 1 hệ truyền động gồm nhiều hệ truyền động cơ sở làm việc một cách lôgíc sao cho trình tự cơ cấu chấp hành thực hiện xong chúng trở lại vị trí ban đầu và lặp đi lặp lại. Hệ thống điều khiển các hệ truyền động thuỷ khí phải đảm bảo việc đóng mở các van phân phối tương ứng với các điều kiện làm việc cho trước. Các phương pháp cho điều kiện làm việc của máy tự động và phương pháp hiện thực chúng rất đa dạng. Khi thiết kế các máy tự động với các khâu cứng, điều kiện làm việc thường được cho dưới dạng các chu trình làm việc. Đó là một 85