CÁNH TAY ROBOT KHÍ nén PHÂN LOẠI sản PHẢM, 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

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

LOẠI SẢN PHẨM THEO MÃ VẠCH 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1

1.3 Đối tượng nghiên cứu 1

1.4 Phạm vi nghiên cứu 1

1.5 Dự kiến kết quả 2

1.6 Sơ đồ khối hệ thống 2

1.6.1 Khối nguồn 3

1.6.2 Khối xử lý 4

1.6.3 Khối nút nhấn 5

1.6.4 Khối van điện tử và relay 6

1.6.5 Khối khí nén 7

1.6.6 Khối xi lanh 8

1.6.7 Khối hiển thị 9

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 11

2.1 Bộ điều khiển PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC 11

2.2 Van điện từ 12

2.3 Xi lanh khí nén 13

2.4 Đèn hệ thống, đèn trạng thái 14

2.5 Phần mềm TIA PORTAL V16 15

2.6 Relay trung gian Omron MY2NJ 16

2.7 USB Webcam 17

2.9 Module nguồn hạ áp LM2596 20

2.10 Cảm biến vật cản hồng ngoại NPN 20

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG 22

3.1 Sơ đồ nguyên lý tổng quát 22

3.2 Tiến hành thiết kế 27

CHƯƠNG 4: GIẢI THUẬT VÀ ĐIỀU KHIỂN 41

4.1 Hoạt động của hệ thống 41

4.2 Lưu đồ giải thuật trên PLC 42

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 43

5.1 Ưu điểm 43

5.2 Nhược điểm 43

5.3 Hướng phát triển 43

5.4 Kết quả đạt được 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC

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

1/45

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

Hình 1.2 MCB ABB SH202-C16 6KA 16A 2P

Lí do chọn:

 Giá thành hợp lý, phù hợp với sinh viên

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

 Bền bỉ theo thời gian

1.6.2 Khối xử lý

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

Lí do chọn:

 Thích hợp với môi trường nghiên cứu của sinh viên

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

 Bền bỉ, ít hư hỏng

1.6.3 Khối nút nhấn

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

Lí do chọn:

 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

 Có nhiều màu sắc để lựa chọn,

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:

 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

 Bền bỉ với thời gian.

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



1.6.7 Khối hiển thị

Hình 1.9 Đèn báo AD16-22DS

Lí do 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

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

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

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

 Loại van 5 cửa 2 vị trí

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

 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

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

lĩnh 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

+ 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)

+ 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

 Tiếp điểm: Silver alloy

 Số lần đóng cắt: 100.000 lần

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

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

 Độ phân giải: 1280 * 720

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

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

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

cần 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

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

 Ba đèn D1, D2, D3 tương ứng với ba loại sản phầm 1, 2 và 3, khi camera xác định được

mã hàng, thông qua giao tiếp OPC của PLC và máy tính giám sát, ngõ ra của PLC sẽđược kích sáng lên và đèn sẽ sáng theo từng loại hàng riêng biệt

vận hành các xi lanh gắp thả vật theo lập trình bằng cách kích các relay trung gian để bậttắt tuần tự các van khí, làm cho xi lanh đẩy ra hoặc thu vào để vận chuyển hàng hóa mộtcách trơn tru nhất

hàng hóa liên tục, thông qua relay trung gian, sử dụng module hạ áp LM2596 kết nối vớiđộng cơ nhằm mục đích biến điện áp 24VDC từ ngõ ra của PLC xuống thành 12VDC đểđộng cơ quay chậm lại, phù hợp với tốc độ gắp thả vật của cánh tay khí nén

 Bên cạnh đó, đèn D4 sẽ là đèn báo trạng thái hoạt động của hệ thống, khi nhấn nút Start,

hệ thống hoạt động và đèn sẽ sáng lên.

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

thái

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