CÁNH TAY ROBOT KHÍ nén PHÂN LOẠI sản PHẢM THEO mã VẠCH, có CODE

Hình 3.5 Khối van khí nén điện từ kết hợp relay và khối đèn trạng tháiHình 3.6 Khối động cơ băng tải kết hợp với module biến áp LM2596, relay và đèn trạng tháiHình 3.7 Lập trình trên TIA

CÁNH TAY ROBOT KHÍ NÉN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ VẠCH, CÓ CODE

1

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Omron S8FS-C07524 3.2A 24V 75W

Hình 1.2 MCB ABB SH202-C16 6KA 16A 2P

Hình 1.2 CPU PLC Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC

Hình 1.3 Nút nhấn nhả 2 tiếp điểm LA38-11BN 22mm

Hình 1.4 Van Điện Từ Khí Nén AIRTAC 4V210-08

Hình 1.5 Relay Omron MY2N-J 24VDC

Hình 1.6 Máy nén khí

Hình 1.7 Xi lanh hai ty Airtac

Hình 1.8 Xi lanh kẹp STNC

Hình 1.9 Đèn báo AD16-22DS

Hình 2.1 Sơ đồ nối dây của PLC S7-1200 1214C DC/DC

Hình 2.2 Cơ chế hoạt động của van điện từ khí nén

Hình 2.3 Phân loại các van điện từ khí nén trên thị trường

Hình 2.4 Mô tả hoạt động của van điện từ khí nén

Hình 2.5 Cấu tạo bên trong của một xi lanh khí nén

Hình 2.6 Phần mềm TIA PORTAL V16

Hình 2.7 Giao diện trên phầm mềm TIA PORTAL của Siemens

Hình 2.8 Sơ đồ chân của Relay trung gian

Hình 2.9 USB Webcam

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo của động cơ DC

Hình 2.11 Động cơ DC giảm tốc 24V gắn ở băng tải

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của Module hạ áp LM2596

Hình 2.13 Sơ đồ cấu tạo của cảm biến vật cản hồng ngoại

Hình 2.14 Cảm biến vật cản hồng ngoại

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát trên phần mềm Autocad 2007Hình 3.2 Khối nguồn trong phần mềm Autocad 2007

Hình 3.3 Khối bộ xử lý trong phần mềm Autocad 2007

Hình 3.4 Khối cảm biến quang phát hiện vật cản và nút nhấn hệ thống

2

Hình 3.5 Khối van khí nén điện từ kết hợp relay và khối đèn trạng thái

Hình 3.6 Khối động cơ băng tải kết hợp với module biến áp LM2596, relay và đèn trạng tháiHình 3.7 Lập trình trên TIA PORTAL với CPU như thưc tế S7-1200 1214C DC/DC/DCHình 3.8 Viết chương trình trên TIA PORTAL

Hình 3.9 Mua linh kiện và nạp chương trình vào PLC

Hình 3.10 Đấu nối dây chạy thử để kiểm tra hoạt động của các xi lanh

Hình 3.11 Sau khi gắn linh kiện đúng vị trí, tiến hành lắp vào mặt bàn, đi dây điện cho cả hệ thống cánh tay khí nén

Hình 3.12 Tiến hành kiểm tra chương trình và cho cánh tay gắp vật

Hình 3.13 Hoàn chỉnh hệ thống phân loại bằng mã vạch và cánh tay robot gắp lên kệ

Hình 3.14 Cấp nguồn cho mạch và kiểm tra hoạt động của hệ thống

Hình 3.15 Đấu nối nguồn vào PLC, đồng thời đấu nối các cổng Input và Output trên PLCHình 3.16 Đấu nối nút nhấn Start ( Xanh lá), Stop ( Đỏ) và hệ thống đèn trạng thái

Hình 3.17 Đấu nối van điện từ khí nén vào các relay trung gian

Hình 3.18 Mô hình cánh tay robot khí nén khi hoàn thiện

Hình 3.19 Mô hình băng tải vận chuyển hàng kết hợp với camera quét mã vạch

Hình 3.20 Cánh tay đưa ra ngay băng tải để sẵn sáng gắp hàng

Hình 3.21 Khi cánh tay gắp khối hàng có mã hàng 1 vào kệ thấp

Hình 3.22 Khi cánh tay gắp khối hàng có mã hàng 2 vào kệ cao

Hình 3.23 Khi mã hàng 3 đi qua, cánh tay sẽ không gắp và cho khối hàng trôi qua xuống cuối băng tải

Hình 3.24 Kết nối hệ thống SCADA với PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC

Hình 3.25 Thiết kế màn hình SCADA giám sát hệ thống

Hình 3.26 Giao diện giám sát SCADA

Hình 3.27 Giao diện của hệ thống khi nhận mã hàng 1

Hình 3.28 Giao diện của hệ thống khi nhận mã hàng 1 và cánh tay robot đang hoạt độngHình 3.29 Giao diện của hệ thống khi nhận mã hàng 2

Hình 3.30 Giao diện của hệ thống khi nhận mã hàng 2 và cánh tay robot đang hoạt độngHình 3.31 Giao diện của hệ thống khi nhận mã hàng 3 và cánh tay robot sẽ tạm ngưng

Hinh 3.32 Thiết kế Data Logging trên Wincc

3

Hinh 3.33 Dữ liệu số lượng của từng mã hàng sẽ được xuất ra file excelHình 5.1 Cánh tay robot đang gắp hàng và đặt vào kệ

Hình 5.2 Cánh tay robot quay lại vị trí ban đầu để chờ hàng tới

4

DANH MỤC VIẾT TẮT

VDC: Voltage Direct Current

DC: Direct Current

AC: Alternating Current

TIA PORTAL: Totally Integrated Automation Portal

PLC: Programmable Logic Controller

CPU: Central Processing Unit

SCADA: Supervisory Control And Data Acquisition

LABVIEW: Laboratory Virtual Instrumentation Engineering WorkbenchOPC UA: Open Platform Communication (OPC) Unified Architecture (UA)

5

MỤC LỤC

6

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CÁNH TAY ROBOT KHÍ NÉN PHÂN

LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ VẠCH

1.1 Lý do chọn đề tài

Xã hội ngày càng phát triển và hiện đại, nhu cầu mua sắm trực tuyến của người dânngày càng tăng vì sự tiện lợi của nó Chính vì vậy, phân loại từng mặt hàng đúng chínhxác và đưa đến tay người đặt hàng là mục tiêu quan trọng nhất, là ưu tiên hàng đầu củacác nhà kinh doanh sàn thương mại điện tử cũng như các nhà vận chuyển Nắm bắt đượctình hình đó, em đã chọn đề tài về hệ thống cánh tay Robot phân loại sản phẩm theo mãvạch với mục đích phân loại chính xác sản phẩm đã được định sẵn, từ đó giúp giảmnhân công, tiết kiệm thời gian cũng như chi phí, rất thích hợp để sử dụng ở các khothông minh, kho vận chuyển hàng hóa

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

Sử dụng bộ điều khiển PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC để điều khiển cánh

tay gấp sản phẩm ở băng tải và đặt vật lên kệ theo đúng mã vạch

1.3 Đối tượng nghiên cứu

7/45

1.5 Dự kiến kết quả

Cấp nguồn cho hệ thống hoạt động, khi hệ thống băng tải phân loại mã vạch đãphân loại ra mã hàng 1,2 và 3, cánh tay robot sẽ hoạt động dựa vào các mã hàng đó,

mã hàng 1 sẽ gấp và đặt ở kệ thấp, mã hàng 2 sẽ gấp và đặt ở kệ cao, mã hàng 3 sẽkhông gắp và đưa thẳng xuống cuối băng tải

1.6 Sơ đồ khối hệ thống

1.6.1 Khối nguồn

Hình 1.1 Omron S8FS-C07524 3.2A 24V 75W

CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOAỊ MÃ VẠCH SVTH: ĐẶNG THẾ QUANG HUY

Hình 1.2 MCB ABB SH202-C16 6KA 16A 2P

Lí do chọn:

 Giá thành hợp lý, phù hợp với sinh viên

 Dễ dàng sử dụng và lắp đặt

 Có hướng dẫn nối dây chi tiết, ký hiệu rõ ràng

 Bền bỉ theo thời gian

 Thích hợp để bảo vệ hệ thống sử dụng PLC

1.6.2 Khối xử lý

CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOAỊ MÃ VẠCH SVTH: ĐẶNG THẾ QUANG HUY

Hình 1.2 CPU PLC Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC

Lí do chọn:

 Dễ sử dụng

 Thích hợp với môi trường nghiên cứu của sinh viên

 Giá thành tương đối phù hợp để làm đồ án lớn

 Rất nhiều chức năng hiện đại

Hình 1.3 Nút nhấn nhả 2 tiếp điểm LA38-11BN 22mm

Lí do chọn:

 Có hai tiếp điểm thường đóng và thường mở

 Tự phục hồi trạng thái ban đầu khi thả tay ra

 Tuổi thọ cơ học hơn 5 triệu lần nhấn, sử dụng chất liệu vỏ chống cháy

 Cảm giác nhấn rất dễ dàng

CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOAỊ MÃ VẠCH SVTH: ĐẶNG THẾ QUANG HUY

 Có nhiều màu sắc để lựa chọn,

 Được sử dụng nhiều trong công nghiệp, nhà máy

1.6.4 Khối van điện tử và relay

Hình 1.4 Van Điện Từ Khí Nén AIRTAC 4V210-08

Hình 1.5 Relay Omron MY2N-J 24VDC

Lí do chọn:

 Nhỏ gọn

 Cung cấp đủ lượng khí để hoạt động hệ thống

 Dễ bảo trì sửa chữa

 Giá thành tương đối rẻ

 Giá cả thích hợp với sinh viên

 Bền bỉ theo thời gian

 Dễ dàng kết nối với các xi lanh khác qua việc bắt ốc vít

CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOAỊ MÃ VẠCH SVTH: ĐẶNG THẾ QUANG HUY

 Bền bỉ với thời gian.

 Được làm bằng nhôm nên rất nhẹ

 Dễ dàng tháo lắp với các xi lanh khác thông qua việc bắt ốc vít

Lí do chọn:

 Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp

 Giá khá rẻ

 Có nhiều màu sắc lựa chọn

 Độ sáng rất cao, thích hợp để làm đèn hiển thị trạng thái hệ thống

 Thích hợp để kết nối với các hệ thống sử dụng PLC

CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOAỊ MÃ VẠCH SVTH: ĐẶNG THẾ QUANG HUY

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Hình 2.1 Sơ đồ nối dây của PLC S7-1200 1214C DC/DC/

CÁNH TAY ROBOT PHÂN LOAỊ MÃ VẠCH SVTH: ĐẶNG THẾ QUANG HUY

Bộ điều khiển PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC sử dụng ngõ vào và ngõ ra đều là transitor,

vì thế trạng thái On/ Off của các chân đều là điện áp 24VDC hoặc 0VDC

2.2Van điện từ

 Lịnh kiện: Van điện từ DC 24V 4.8W

 Thương hiệu: AirTAC

 Mẫu: 4V210-08

 Nguồn điện: 24 VDC

 Công suất: 8W

 Áp suất làm việc: 0.15 – 0.8 MPa

 Loại van 5 cửa 2 vị trí

 Chuẩn IP65 kháng ẩm và bụi cao

 Cấu tạo: nhôm, inox không gỉ

 Chân ren: 13mm

Hình 2.2 Cơ chế hoạt động của van điện từ khí nén

Hình 2.3 Phân loại các van điện từ khí nén trên thị trường

Hình 2.4 Mô tả hoạt động của van điện từ khí nénKhi van điện từ được cấp khí nén thì luồng khí sẽ đi từ của số P và ra ở cửa A, khi tacấp điện 24VDC cho van thì cuộn hút sẽ được kích và hút phần lò xo bên trong van làm thayđổi cửa khí ra, lúc này cửa khí đi ra sẽ là cửa B Nhờ đó, ta có thể điều khiển xi lanh khí nénđẩy ra hoặc thu vào nhờ sự thay đổi dòng khí của van điện từ

2.3 Xi lanh khí nén

 Dạng tác động : kép 2 ty đảy ra rút vào piston khí nén sử dụng cho khí nén

 Áp suất hoạt động : 10 kgcm2

 Nhiệt độ hoạt động : 0 tới 80 độ c

 Màu sắc ben hơi : xan , thân trắng

 Các bộ phận chính piston khí nén gồm : Đế , ty đảy , piston

 Vật liệu cấu tạo ben hơi gồm : Nhôm , đế sắt

 Trọng lượng 1 sản phẩm piston khí nén khoảng : 300 – 10000 gam

 Hãng sản xuất : Trung Quốc

Hình 2.5 Cấu tạo bên trong của một xi lanh khí nén

Xi lanh khí nén hoạt động dựa vào dòng khí nén được đưa vào xi lanh, gồm có hai lỗnạp khí ở hai đầu xi lanh, khi luống khí vào sẽ đẩy xi lanh đi ra và khi luồng khí đổi chiềungược lại, xi lạnh sẽ thu vào trở về vị trí cũ nhờ một lò xo bên trong

2.5 Phần mềm TIA PORTAL V16

 Phần mềm Totally Integrated Automation Portal (TIA Portal)được phát triển lần đầu vàonăm 1996 bởi các kỹ sư của hãng Siemens Đây là một đột phá lớn khi tích hợp tất cảcông cụ vào trong 1 bộ phần mềm duy nhất Từ thiết kế, thử nghiệm, vận hành và duy trìnâng cấp hệ thống tự động hóa, phần mềm TIA sẽ giúp tiết kiệm thời gian, chi phí vàcông sức cho các kỹ sư

 SIMATIC STEP 7 (TIA Portal) là phần mềm nổi tiếng và được sử dụng rộng rãi tronglĩnh vực tự động hóa công nghiệp Giao diện của TIA Portal được thiết kế thân thiệnngười sử dụng, thích hợp cho cả những người mới lẫn những người nhiều kinh nghiệmtrong lập trình tự động hóa Với phần mềm này, các bạn có thể cấu hình, lập trình, thửnghiệm và chẩn đoán tất cả các bộ điều khiển PLC cũng như các module, HMI sẵn cócủa Siemens một cách dễ dàng

 Ngôn ngữ lập trình LAD, FBD, SCL, STL, GRAPH

 Các gói phần mềm có trong TIA Portal:

+ SIMATIC STEP7 Professional và SIMATIC STEP7 PLCSIM: dùng để lập trình và môphỏng PLC S7-1200, S7-1500, S7-300, S7-400,

+ SIMATIC WinCC Professional: Lập trình giao diện HMI và giao diện SCADA

+ SIMATIC Start Driver: Cấu hình biến tần Siemens

 Sử dụng một trong các hệ điều hành sau:

+ Windows 7 Home Premium/Professional/Enterprise/Ultimate SP 1 (32 Bit)

+ Windows 7 Home Premium/ Professional/Enterprise/Ultimate SP1 (64 Bit)

+ Windows 8.1

+ Windows 8.1 Professional/Enterprise

+ Windows 10

 Cấu hình tốt nhất để chạy TIA Portal:

+ Processor: Core i5-3320M , 3.3 GHz

+ RAM: 16 GB

+ Screen resolution: 1920 x 1080 px

+ HDD: SSD với ít nhất 50GB bộ nhớ trống

Hình 2.6 Phần mềm TIA PORTAL V16

Hình 2.7 Giao diện trên phầm mềm TIA PORTAL của Siemens

2.6 Relay trung gian Omron MY2NJ

 Dòng đóng cắt trên 1 tiếp điểm: 10A / 220vac – 10A / 28vdc

 Bộ sản phẩm gồm: relay 8 chân dẹp + đế ra 8 chân

 Số chân: 8 chân dẹp

 Số cặp tiếp điểm: 2 cặp NC (thường đóng), 2 CẶP NO (thường mở)

 Tiếp điểm: Silver alloy

 Số lần đóng cắt: 100.000 lần

 Trọng lượng: 60g

 Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay

Hình 2.8 Sơ đồ chân của Relay trung gianRelay trung gian là một thiết bị không thể thiếu trong những hệ thống điều khiển bằngPLC, nó có tác dụng cung cấp các tiếp điểm để đóng cắt thiết bị chấp hành, đồng thời bảo vệcác ngõ ra của bộ điều khiển PLC Khi cấp nguồn 24VDC vào chân 13, 14 của Relay, cuộchút bên trong Relay sẽ được kích hoạt và đóng tiếp điểm 5, 9 cũng như 8, 12, tiếp điểm 1, 9

và 4, 12 sẽ hở ra Ngược lại, khí không có điện ở hai chân 13, 14, tiếp điểm 5, 9 và 8, 12 sẽ

hở ra, đồng thời tiếp điểm 1,9 và 4, 12

2.7 USB Webcam

 Tốc độ khung hình: 30 / s

 ASF: AVI

 Định dạng trang kết quả: YUY2

 LENS: Ống kính camera quan sát MP

 Loại trình điều khiển: Không cần trình điều khiển (Cắm và sử dụng)

 Chiều dài cáp USB: 150cm

 Tần số điều khiển nhạy: 50Hz ,60Hz

 Độ phân giải: 1280 * 720

 Định dạng ảnh: Bmp jpg

 Loại giao diện: USB2.0

 Loại cảm biến: cmos

 Tích hợp: Micrô hấp thụ âm thanh và giảm tiếng ồn

 Tối ưu hóa độ tương phản

 Đường kính hộp số: 42 mm

 Kích thước trục: 8 mm trục D

 Cân nặng: 619 g

 Công suất không tải: ~ 7.2W

 Công suất định mức trung bình: 36 – 39W

 Điện áp: 24VDC

 Dòng không tải: ~ 0.3A

 Dòng định mức trung bình: 1.5 – 1.7A

 Chiều dài động cơ: 66mm

 Đường kính không có vòng tiếp xúc: 42mm

Hình 2.10 Sơ đồ cấu tạo của động cơ DCKhi cấp điện, dòng điện sẽ đi qua cuộn dây stator, từ đó tạo ra một sức điện động cảm ứng đểlàm quay roto bên trong động cơ

Hình 2.11 Động cơ DC giảm tốc 24V gắn ở băng tải

2.9 Module nguồn hạ áp LM2596

 Điện áp đầu vào: 3V đến 40V

 Điện áp đầu ra: 1.2V đến 35V

 Dòng đáp ứng tối đa: 3A

Hình 2.12 Sơ đồ nguyên lý của Module hạ áp

LM2596Khi cấp nguồn DC cho module LM2596, các tụ lọc sẽ có chức năng lọc nhiễu điện

áp, các cuộn dây có chức năng làm phẳng điện áp đầu vào và đầu ra, diode zener có tácdụng ghim áp khi phân cực ngược và chân feedback của IC LM2596 sẽ được điềuchỉnh bởi một biến trở, tương ứng với điều chỉnh với điện áp ngõ ra của module hạ ápLM2596

Màu xanh dương: GND, nguồn âm 0VDC

Màu đen: Chân tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN, cần phải có trở kéo để tạo thành mức cao

Hình 2.14 Cảm biến vật cản hồng ngoại

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG

3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát trên phần mềm Autocad 2007

 Nguồn điện 220VAC sẽ được cấp vào bộ nguồn 220VAC/ 24DC của Omron để biếnđổi điện thành điện áp 24VDC cấp cho toàn bộ hệ thống, bao gồm PLC S7-12001214C DC/DC/DC, các van điện từ khí nén, các hệ thống đèn, nút nhấn, các cảm biếntiệm cận đồng thời cấp cho động cơ băng tải thông qua module hạ áp LM2596 để biếnđiện áp thành 12VDC làm cho động cơ quay với tốc độ vừa phải.

Hình 3.2 Khối nguồn trong phần mềm Autocad 2007

 Khối bộ xử lý là một CPU PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC có chức năng điềukhiển hệ thống van điện khí nén để vận hành cánh tay robot, đồng thời kích hoạtcác hệ thống đèn trạng thái, và vận hành hệ thống băng tải

Trong bộ xử lý, các chân L+, M là chân để cấp nguồn 24VDC, trong khi đó các chânDigital Input gồm I0.0 tới I0.1 để kết nối với nút nhấn, các chân Digital Input I0.2 tớiI0.3 để kết nối với chân tín hiệu của cảm biến vật cản hồng ngoại Với ngõ vào DigitalInput của PLC, ta sẽ kết nối theo kiểu Sinking

Tiếp theo đó, ngõ ra Digital Output ta sẽ cấp nguồn 24VDC vào hai chân 3L+ và 3Mcủa PLC, từ đó ta sẽ đấu nối các thiết bị chấp hành theo dạng Sourcing Trong hệ thốngcánh tay robot phân loại sản phẩm theo mã vạch, ta sẽ dùng ba đèn trạng thái 1, 2, 3tương ứng với ba loại mã vạch 1, 2, 3 thông qua các ngõ ra Q0.0 đến

Q0.2, bốn van điện từ khí nén ở các ngõ ra Q0.3 đến Q0.6, bên cạnh đó, ngõ ra Q0.7 sẽđược dùng để điều khiển động cơ băng tải, và cuối cùng là đèn báo nguồn khí nhấn nútStart sẽ tương ứng với ngõ ra Q1.1

Hình 3.3 Khối bộ xử lý trong phần mềm Autocad 2007

 Các nút nhấn Start/ Stop gồm có hai tiếp điểm NO, NC để phù hợp với hệ thống ta chỉcần sử dụng tiếp điểm NO và được kết nối một đầu với ngõ vào Digital Input của PLC,một đầu sẽ được nối với nguồn 24VDC, vì ta nối dây theo kiểu Sinking nên khi nhấn nútStart hoặc Stop sẽ cho dòng điện đi qua và kích ngõ vào Digital Input của PLC

 Tương tự như vậy, hai cảm biến phát hiện vật thể được đặt trên băng tải sẽ gồm ba dây,hai dây sẽ được nối với nguồn cấp 24VDC và một dây còn lại là dây tín hiệu sẽ đượcdưa đến ngõ vào Digital Input của PLC, khí cảm biến phát hiện vật thể, điện áp ở dây tínhiệu sẽ thay đổi và kích ngõ vào Digital Input của PLC