Từ đó mục đích nghiên cứu có tính ứng dụng và ý nghĩa thực tiễn nên nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và điều khiển hệ tay máy khí nén và băng tải ứng dụng trong dây chuyền phân loại sản ph
GIỚI THIỆU CHUNG
Giới thiệu đề tài
Hiện nay, ngành công nghiệp đang ngày càng phát triển và các doanh nghiệp đã áp dụng tự động hóa vào sản xuất nhằm quản lý dây chuyền và sản phẩm một cách hợp lý, tiết kiệm thời gian và dễ dàng hơn; đáp ứng yêu cầu này, nhóm chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình điều khiển hệ tay máy khí nén và băng tải ứng dụng trong dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao và vận chuyển, nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, tăng năng suất và độ chính xác trong phân loại sản phẩm bằng hệ thống tự động hóa tích hợp, góp phần nâng cao hiệu quả quản lý chuỗi cung ứng.
Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng cảm biến để xác định chiều cao của từng sản phẩm Sau đó, bộ kẹp được điều khiển bằng xilanh khí nén sẽ gắp sản phẩm theo đúng chiều cao và đưa vào gá đỡ, chuẩn bị cho các bước xử lý tiếp theo trong quy trình tự động hóa.
Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:
Giảm sức lao động và tránh sự nhàm chán trong công việc là mục tiêu quan trọng để cải thiện điều kiện làm việc cho con người Nhờ đó người lao động được tiếp cận với tiến bộ của khoa học kỹ thuật và công nghệ, đồng thời làm việc trong môi trường ngày càng văn minh, an toàn và hiện đại hơn Tất cả những yếu tố này phối hợp tạo nền tảng cho năng suất, sáng tạo và sự hài lòng nơi làm việc.
Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã nhanh chóng
Việc áp dụng hệ thống này giúp quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân xuống mức tối đa Giải pháp này còn tối ưu hóa quy mô nhân sự và nâng cao hiệu quả vận hành.
Nội dung và Mục đích của đề tài
Nội dung của đồ án tốt nghiệp nhóm em gồm 5 chương:
+ Chương II: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm
+ Chương III: Phân tích và lựa chọn giải pháp
+ Chương IV: Quy trình thiết kế tự động
+ Chương VI: Kết luận đánh giá
Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo mô hình:
+ Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao hoạt động ổn định, dễ dàng lắp đặt, sử dụng bảo trì dễ dàng, hiệu quả
Dựa trên các cơ sở hoạt động của hệ thống, có thể tính toán và thiết kế mô hình một cách chính xác và hiệu quả Được ứng dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt trong ngành công nghiệp, phương pháp này mang lại lợi ích thiết thực cho tối ưu hóa quy trình, tăng hiệu suất và hỗ trợ đổi mới công nghệ.
+ Có thể dễ dàng điều chỉnh các thông số theo mong muốn.
Phương pháp thực hiện đề tài
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
+ Đọc hiểu qua tài liệu, tham khảo qua sách vở
+ Tìm hiểu về các bài toán được học, mô hình, tham khảo lựa chọn các trang thiết bị điện và cơ khí
Đây là bài viết tìm hiểu cơ sở lý thuyết về các loại động cơ phổ biến trong tự động hóa như động cơ không đồng bộ ba pha, động cơ servo và động cơ bước, cùng với vai trò của các hệ thống cảm biến và các bộ điều khiển tự động như PLC trong thiết kế và vận hành máy móc Nội dung tập trung phân tích nguyên lý làm việc, đặc điểm về mô-men xoắn, tốc độ và hiệu suất của từng loại động cơ, ứng dụng thực tế và tiêu chí chọn động cơ phù hợp với yêu cầu kiểm soát vị trí, tốc độ và tải trọng Bên cạnh đó, bài viết xem xét cách tích hợp cảm biến với hệ thống điều khiển để tối ưu hoá tín hiệu và phản hồi trong quá trình vận hành, cũng như cách PLC xử lý dữ liệu, lập trình logic và giao tiếp với các thiết bị khác nhằm nâng cao hiệu suất và độ tin cậy của hệ thống tự động hóa trong công nghiệp.
+ Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, viết chương trình plc, arduino, thực tập kỹ thuật điện tử
1.3.2 Áp dụng kiến thức đã học để xây dựng mô hình thực nghiệm
+ Nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot
+ Tiến hành lắp mạch và test mô hình trực tiếp dưới sự góp ý của giáo viên hướng dẫn
+ Sử dụng phần mềm GX works 2 hoặc GX works với plc fx5u làm công cụ viết chương trình và mô phỏng mô hình
+ Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí.
Phạm vi đề bài
Đề tài hệ thống phân loại sản phẩm đã được nghiên cứu và phát triển, mang lại cơ sở lý thuyết và thực tiễn cho quản lý hàng hóa Hiện nay, các nhà máy, xí nghiệp đã có rất nhiều hệ thống hoàn thiện về chất lượng và thẩm mỹ sản phẩm Tuy nhiên, trong phạm vi một đồ án tốt nghiệp, đề tài nên được giới hạn để tập trung giải quyết một số vấn đề chủ chốt, mang tính khả thi và ứng dụng cao trong thực tế sản xuất.
+ Bộ điều khiển trung tâm: PLC fx1n
+ Phần mềm lập trình PLC GX works 2
+ Các cơ cấu chấp hành: động cơ DC có giảm tốc, bộ chuyền băng tải, cảm biến tiệm cận, cảm biến quang
+ Bộ chuyển đổi nguồn 24VDC
+ Nguồn cấp điện cho hệ thống 220VAC
+ Đấu nối phần cứng và kiểm tra I/O
+ Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển
+ Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển
+ Lập trình trên PLC điều khiển mô hình lưu kho tự động.
Dự kiến kết quả đạt được
Trong quá trình thực hiện nghiên cứu về đề tài được nhận, nhóm em đưa ra những kết quả sau:
Phân tích hệ thống và lựa chọn phương pháp cùng giải pháp phù hợp là bước nền tảng để tối ưu vận hành và chi phí Đồng thời, thiết kế mô hình và mô phỏng hoạt động của hệ thống cho phép thử nghiệm hiệu suất, đánh giá tính khả thi và tinh chỉnh tham số trước khi triển khai thực tế, từ đó giảm rủi ro và nâng cao độ tin cậy của hệ thống.
+ Đưa ra được những rủi ro trong qua trình làm
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Nguyên lý làm việc và cấu trúc hệ thống
Các hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay thường hoạt động ở chế độ tự động hoặc bán tự động với nguyên lý vận hành tương tự nhau Khi sản phẩm đã được định hình hoặc đóng gói xong, chúng được đưa vào khu vực nhập hàng nhờ hệ thống vận chuyển là băng tải Tại vị trí lấy hàng, cảm biến phát hiện chiều cao của sản phẩm và hệ thống robot sẽ gắp, sau đó phân loại: các sản phẩm cao được đưa lên kệ sản phẩm, còn các sản phẩm thấp được chuyển vào khu vực dành cho hàng thấp Các giải pháp phân loại tự động này giúp tối ưu quy trình nhập hàng, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu sai sót trong xử lý hàng hoá.
Hệ thống phân loại sản phẩm được điều chỉnh dựa trên yêu cầu công nghệ và đặc tính của sản phẩm, đảm bảo mỗi loại được đánh giá đúng theo khả năng áp dụng Đồng thời, việc phân loại còn dựa trên cách khách hàng muốn sử dụng sản phẩm để hỗ trợ quá trình lựa chọn và thiết kế đúng với các yêu cầu đặt ra Nhờ đó, các yêu cầu của khách hàng được đáp ứng một cách hiệu quả, giúp thiết kế và sản phẩm phù hợp với mục đích sử dụng.
Hệ thống phân loại sản phẩm theo từng loại sản phẩm:
Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động dựa trên nguyên lý sử dụng cảm biến màu để xác định màu sắc của sản phẩm Sau đó, vitme tượng trưng cho xe chở hàng được dùng để phân loại các sản phẩm có màu sắc khác nhau đến các kho hàng định trước.
Trong hệ thống phân loại hàng hóa dùng băng tải để vận chuyển, quá trình phân loại được thực hiện bằng xilanh đưa các sản phẩm vào thùng tương ứng với màu sắc của từng sản phẩm, từ đó tự động hoá đóng gói và đảm bảo sự phù hợp giữa màu sắc sản phẩm và thùng đựng, nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quy trình.
Hình 2 1 Phân loại sản phẩm theo màu sắc (Nguồn Internet)
Hình 2 2 Phân loại sản phẩm băng tải (Nguồn Internet)
Hệ thống phân loại sản phẩm là một hệ thống được lắp đặt để kiểm tra và phân loại mã sản phẩm, nhằm tăng năng suất và giảm sức lao động cho con người Hệ thống này được ứng dụng trong ngành bưu kiện và vận chuyển nhanh, cho phép xử lý đa dạng các loại mặt hàng một cách hiệu quả và nhanh chóng.
Một hệ thống phân loại sản phẩm hiện đại được tích hợp đầy đủ các thành phần chính như máy check mã vạch, bộ POP-UP phân loại và băng tải tốc độ nhanh Máy check mã vạch đảm bảo xác thực thông tin sản phẩm và theo dõi vị trí hàng hóa, trong khi bộ POP-UP phân loại tự động sắp xếp từng mặt hàng vào đúng nhãn hoặc khu vực phân loại, tăng hiệu suất và giảm sai sót vận hành Băng tải tốc độ nhanh đảm bảo khối lượng và lượng hàng hóa vận chuyển được xử lý liên tục, tối ưu hóa chu trình logistics và mang lại hiệu quả cao cho quy trình quản lý kho và vận chuyển.
Hệ thống được lập trình trên máy tính điện tử và vận hành qua giao diện màn hình xử lý thông tin, cho phép người dùng thao tác dễ dàng và điều chỉnh linh hoạt các tham số đầu vào theo khối lượng sản phẩm để tối ưu quy trình sản xuất Việc điều chỉnh tham số này giúp nâng cao hiệu suất vận hành và đảm bảo tính linh hoạt của hệ thống trước sự biến đổi của sản phẩm.
Các thành phần cơ bản của hệ thống phân loại sản phẩm
Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao có cấu trúc cơ bản gồm băng tải vận chuyển sản phẩm, giá đỡ sản phẩm để phân loại và cánh tay robot để gắp hoặc lấy sản phẩm Các trạm được liên kết với nhau thành một hệ thống cố định, giúp quá trình phân loại tự động và hiệu quả hơn.
Hệ thống vận chuyển sản phẩm trong kho hiện nay rất đa dạng, được thiết kế dựa trên yêu cầu công nghệ, loại hàng hóa và hình thức xuất nhập khẩu Vì vậy, có nhiều phương thức vận chuyển hàng trong kho tương ứng với từng ứng dụng cụ thể Các nước đã áp dụng các hệ thống vận chuyển kho phổ biến như băng tải, xe tự hành và máy nâng để tối ưu hóa quá trình di chuyển, xếp dỡ và quản lý lưu kho, từ đó nâng cao hiệu suất và giảm chi phí.
Hình 2 3 Mô hình thiết kế
Hệ thống băng tải là giải pháp tối ưu cho kho tự động của các siêu thị và các công ty sản xuất hàng tiêu dùng, giúp vận chuyển hàng hóa từ kho đến nơi giao hàng cho khách hàng một cách hiệu quả Băng tải có nhiệm vụ tăng năng suất, rút ngắn thời gian xử lý và tối ưu chu trình hoạt động của kho Có rất nhiều loại băng tải khác nhau, mỗi loại được sử dụng để vận chuyển một loại vật liệu riêng biệt, phù hợp với đặc tính của sản phẩm và yêu cầu vận chuyển.
Hệ thống điện điều khiển
Hệ thống điện điều khiển bao gồm bộ nguồn điều khiển trung tâm, cảm biến, rơle trung gian
Hệ thống điện điều khiển nhận tín hiệu điều khiển và điều chỉnh hoạt động của các cơ cấu chấp hành, từ đó vận hành hệ thống cánh tay robot để gắp và phân loại sản phẩm một cách hiệu quả Việc điều khiển chính xác các cơ cấu chấp hành giúp robot cánh tay hoạt động ổn định, tăng năng suất và độ chính xác trong quá trình phân loại sản phẩm.
Hình 2 4 Hệ thống băng chuyền (Nguồn Internet)
Hệ thống chấp hành gồm các động cơ và cơ cấu cơ khí đảm nhận vai trò biến đổi và truyền động, trực tiếp vận chuyển và phân loại sản phẩm trong kho Nhờ thiết kế tối ưu, hệ thống nâng cao hiệu suất vận hành, tối ưu hóa quy trình di chuyển hàng hóa và đảm bảo phân loại chính xác, giúp tăng tốc độ xử lý và quản lý tồn kho.
Bộ điều khiển PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển có khả năng lập trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình nhất định Người ta có thể lập trình PLC để thực hiện một chuỗi trình tự và sự kiện trong hệ thống tự động hóa PLC hoạt động theo phương thức quét trạng thái I/O, mỗi vòng quét được gọi là một scan, và thời gian đáp ứng phụ thuộc vào chu trình quét PLC được dùng để thay thế các mạch relay vốn dĩ cồng kềnh và phức tạp trong thực tế, mang lại giải pháp điều khiển tự động nhỏ gọn, đáng tin cậy và dễ bảo trì cho hệ thống công nghiệp.
2.3.2 Nguyên lý hoạt động Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào cpu thông qua module đầu vào sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì cpu sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn
Chu kỳ quét hay vòng quét là một quy trình liên tục của hệ thống, gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực thi chương trình, truyền thông nội bộ, tự kiểm tra lỗi và gửi cập nhật tín hiệu đầu ra Trong mỗi chu kỳ, dữ liệu được tiếp nhận và xử lý theo chương trình, các thành phần hệ thống giao tiếp với nhau qua truyền thông nội bộ để đảm bảo đồng bộ Kết thúc chu kỳ, tín hiệu đầu ra được cập nhật và phát đi cho các phần liên quan, đảm bảo hệ thống có thể tiếp tục hoạt động chính xác ở chu kỳ kế tiếp.
Vòng quét PLC thường diễn ra trong thời gian rất ngắn, từ 1 ms đến 100 ms Thời gian của vòng quét phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài của chương trình và tốc độ giao tiếp giữa PLC với các thiết bị ngoại vi.
2.3.3 Cấu trúc của bộ điều khiển PLC
Bộ điều khiển PLC có cấu trúc gồm các thành phần chính sau: bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng bằng các bộ nhớ EPROM bên ngoài), một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng để kết nối và ghép nối với PLC, và các module vào/ra (I/O) nhằm tiếp nhận tín hiệu và điều khiển thiết bị trong hệ thống.
Một bộ điều khiển PLC hoàn chỉnh thường đi kèm với một đơn vị lập trình, có thể là bằng tay hoặc bằng máy tính Các đơn vị lập trình nhỏ có đủ RAM để chứa chương trình ở dạng hoàn chỉnh hoặc ở dạng bổ sung Nếu đơn vị lập trình là loại xách tay, RAM thường là loại CMOS có pin dự phòng; chỉ khi chương trình đã được kiểm tra và sẵn sàng sử dụng mới truyền sang bộ nhớ PLC Đối với PLC lớn, người ta thường lập trình trên máy tính nhằm hỗ trợ cho việc viết, đọc và kiểm tra chương trình Các đơn vị lập trình kết nối với PLC qua các cổng RS-232, RS-422, RS-485.
Để khắc phục nhược điểm của bộ điều khiển dùng dây nối (bộ điều khiển bằng Relay), người ta đã chế tạo ra bộ điều khiển PLC nhằm đáp ứng các yêu cầu thiết yếu như lập trình dễ dàng và ngôn ngữ lập trình dễ học, từ đó nâng cao tính linh hoạt, độ tin cậy và hiệu quả vận hành của hệ thống tự động.
+ Gọn nhẹ, dể dàng bảo quản, sửa chữa
+ Dung lượng bộ nhớ lớn để có thể chứa được những chương trình phức tạp
+ Hoàn toàn tin cậy trong môi trường công nghiệp
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng, các môi Modul mở rộng
+ Giá cả cá thể cạnh tranh được
2.3.4 Ứng dụng của bộ điều khiển plc
+ Hệ thống nâng vận chuyển
+ Các robot lắp giáp sản phẩm
+ Dây chuyền xử lý hoá học
+ Công nghệ sản xuất giấy
+ Dây chuyền sản xuất thuỷ tinh
+ Công nghệ chế biến thực phẩm
+ Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn
+ Dây chuyền lắp giáp tivi
+ Điều khiển hệ thống đèn giao thông
+ Quản lý tự động bãi đậu xe
+ Dây chuyền may công nghiệp
+ Dây chuyền sản xuất xe ôtô
+ Kiểm tra quá trình sản xuất
Phần mềm lập trình
Trong đề tài trên nhóm đã sử dụng phần mềm GX works 2 để lập trình cho hệ thống
PHÂN TÍCH VÀ LỰA CHỌN GIẢI PHÁP
Phân tích và lựa chọn giải pháp thiết kế cơ khí
Thiết kế sản phẩm phải đáp ứng mục đích sử dụng và yêu cầu của khách hàng, từ đó lựa chọn vật liệu thích hợp để thiết kế và đảm bảo chịu được môi trường làm việc khắc nghiệt Trong thời gian thực tập và khảo sát thực tế, nhóm nhận thấy mô hình phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot cần có khả năng chịu tải và chống va đập tốt, đồng thời phải lựa chọn vật liệu chất lượng để làm mô hình và đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật đặt ra.
Hình 3 1 Thép hộp mạ kẽm (Nguồn Internet)
+ Kích thước phong phú dễ lựa chọn
+ Độ bền cao, khả năng chịu tác động bên ngoài lớn cũng như chống bào mòn và gỉ sét chịu được trong môi trường thời tiết khắc nhiệt
+ Tính thẩm mĩ cao, dễ thiết kế cũng như lắp đặt, thay thế và rất phù hợp trong môi trường khắc nghiệt trong công nghiệp
+ Giá thành cao, khó lắp đặt
+ Gây tiếng ồn lớn trong quá trình làm việc
Hình 3 2 Thép chữ V đa năng (Nguồn Internet)
+ Dễ mua, nhiều kích thước được lựa chọn
+ Có nhiều điểm đặt, bắt vít cũng như bulong đai ốc
+ Dễ lắp ghép thành khung
+ Có rãnh giúp việc lắp đặt dịch chuyển khá dễ
+ Tính thẩm mỹ không cao
+ Dễ bị biến dạng khi lắp đặt
+ Dễ bị gỉ sét trong môi trường khắc nghiệt
Hình 3 3 Thép chữ U đa năng (Nguồn Internet)
+ Dễ mua, tìm kiếm với nhiều kích thước lựa chọn
+ Có điểm bắt vít và bulong đâi ốc giúp dễ lắp đặt
+ Có rãnh , dễ trong việc lắp đặt và chính xác
+ Khó lắp với một cách chính xác
Kết luận: Dựa trên những ưu nhược điểm đã nêu và các yêu cầu đặt ra cho mô hình đồ án, chúng em quyết định lựa chọn vật liệu thép hộp mạ kẽm để đảm bảo độ phẳng và khả năng chịu tác động, đồng thời tăng cường liên kết chặt chẽ của các mối hàn Bên cạnh đó, bạc đạn được lắp trên thanh sắt hộp khi trượt sẽ không bị biến dạng, đảm bảo vận hành ổn định và bền bỉ cho toàn bộ hệ thống.
3.1.2 Băng tải và cánh tay robot
Băng tải có mục đích chính là chuyển tải một sản phẩm từ vị trí A sang vị trí B Nói một cách khác, ta có thể hình dung băng tải như một cụm thiết bị vận chuyển độc lập, tương đương với một bộ truyền động bằng đai nhưng có kích thước lớn hơn nhiều Bộ truyền động bằng đai chỉ đảm nhận vai trò dẫn động rulô, còn băng tải đảm nhiệm việc vận chuyển sản phẩm giữa hai vị trí.
Băng tải có lòng máng
Sản phẩm tải cần truyền tải có hai dạng cơ bản: dạng rời, còn gọi là hàng xá, đổ trực tiếp lên băng tải mà không tràn biên; và dạng đóng gói, như hộp carton hoặc các sản phẩm đã được đóng gói, hoặc có hình dạng vật lý giúp chúng không tràn biên và không rơi ra ngoài khi vận hành Do đó, khi thiết kế hệ thống vận chuyển và băng tải, cần xác định đặc tính từng loại sản phẩm để lựa chọn giải pháp phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả tải hàng, tối ưu hóa quy trình và giảm thiểu rủi ro tràn hoặc rơi hàng.
19 chúng ta không cần thiết kế taọ hình lòng máng cho dây băng làm gì cho phức tạp hệ thống và không đúng ứng dụng.
+ Giảm chi phí lao động
+ Tăng độ chính xác cao và năng suất
+ Chi phí đầu tư, bảo trì khá cao
+ Không tích hợp cho sản phẩm đóng hộp
Lý thuyết đơn giản nhất là khi sản phẩm định hình, cố định, dạng khối hộp… thì thiết kế băng tải mặt dây băng dạng phẳng
Hình 3 4 Thiết kế con lăn băng tải (Nguồn Internet)
+ Giảm chi phí lao động
+ Thích hợp cho sản phẩm định hình
+ Cơ cấu đơn giản gọn nhẹ, vững chắc
+ Chỉ sử dụng sản phẩm đóng hộp, sản phẩm gọn
+ Khi sử dụng dễ rớt ra ngoài
Hình 3 5 Băng tải mặt phẳng (Nguồn Internet)
Kết luận: Dựa trên những ưu và nhược điểm đã phân tích, nhóm quyết định chọn phương pháp sử dụng băng tải mặt phẳng Phương pháp này phù hợp với mô hình và sản phẩm đã được định hình, giúp giảm chi phí thiết kế và bảo trì, đồng thời dễ vận hành và tối ưu hóa hoạt động sản xuất.
Cánh tay robot cố định
Robot được thiết kế với 4 bậc tự do tương ứng với 4 trục chuyển động, mỗi trục được định hướng bởi ray trượt cố định Các cơ cấu chấp hành dẫn động các trục thông qua hệ thống truyền động, cho phép điều khiển chính xác và ổn định của toàn bộ hệ thống Thiết kế này tối ưu cho các ứng dụng tự động hóa nhờ khả năng di chuyển linh hoạt trên 4 trục đồng thời đảm bảo độ tin cậy và hiệu suất cao.
+ Cơ cấu đơn giản gọn nhẹ, vững chắc
+ Không yêu cầu sử dụng công nghệ dẫn đường
+ Có thể sử dụng nguồn điện trực tiếp thay vì sử dụng pin
+ Mang lại sự chính xác cao khi hoạt động
+ Nâng cao sự an toàn
+ Tối ưu không gian làm việc
+ Chỉ sử dụng ở một khu vực cố định
+ Không thể chuyển mục đích sử dụng
Hình 3 6 Cánh tay robot cố định (Nguồn Internet)
Hình 3 7 Cánh tay robot có trục xoay (Nguồn Internet)
+ Cơ cấu đơn giản gọn nhẹ, vững chắc
+ Không yêu cầu sử dụng công nghệ dẫn đường
+ Có thể sử dụng nguồn điện trực tiếp thay vì sử dụng pin
+ Mang lại sự chính xác cao khi hoạt động
+ Nâng cao sự an toàn trong khi làm việc
+ Tối ưu không gian làm việc
+ Sử dụng được mọi không gian
+ Giá thành cao, phí bảo trì bão dưỡng cao
Sau khi cân nhắc kỹ lưỡng các ưu nhược điểm, nhóm quyết định chọn cánh tay robot có trục xoay với dẫn hướng cố định bởi các ổ bi và cây dẫn hướng, nhằm đảm bảo sự ổn định và chính xác trong thao tác Thiết kế này cho phép làm việc trên trục xoay 180 độ, tối ưu cho việc gắp và phân loại sản phẩm của đề tài.
Phân tích và lựa chọn giải pháp truyền động cơ khí
Hệ thống truyền động đảm nhiệm điều khiển quá trình hoạt động của cánh tay robot, đảm bảo các chuyển động diễn ra nhịp nhàng và chính xác Nguyên lý hoạt động của robot được xây dựng trên 4 chuyển động tịnh tiến cơ bản, giúp cánh tay robot có thể vận động linh hoạt và đạt được vị trí mong muốn Trong đó: 1) chuyển động tịnh tiến dọc theo trục X để định vị theo chiều ngang; 2) chuyển động tịnh tiến dọc theo trục Y để điều chỉnh theo chiều sâu; 3) chuyển động tịnh tiến dọc theo trục Z để nâng/hạ và thay đổi độ cao; 4) chuyển động tịnh tiến bổ sung để căn chỉnh hoặc mở rộng phạm vi làm việc của hệ thống.
+ Chuyển động tịnh tiến của cơ cấu cánh tay xoay 90 0 để cánh tay lấy và bỏ sản phẩm + Chuyển động lên xuống của cơ cấu nâng hạ
+ Chuyển động đẩy ra, vào của cơ cấu đỡ hàng để đưa đến vị trí cần bỏ và lấy sản phẩm
+ Chuyển động gắp, và giữ sản phẩm để không bị rớt
Kết luận: Hình thức chuyển động nhóm em mong muốn ở đây là chuyển động tịnh tiến
Ròng rọc là một loại máy cơ đơn giản, hữu ích trong cuộc sống hàng ngày và được ứng dụng rộng rãi trên toàn thế giới Nó cho phép thay đổi hướng của lực tác động và giúp nâng hoặc di chuyển vật nặng một cách dễ dàng hơn, mang lại hiệu quả công việc và tiết kiệm sức lao động Có hai loại ròng rọc phổ biến là ròng rọc cố định và ròng rọc động, mỗi loại có ứng dụng riêng trong các hệ thống nâng hạ, vận chuyển và lắp đặt.
Ròng rọc cố định giúp đổi hướng của lực tác dụng lên nó mà không làm thay đổi cường độ lực, nên lực tác dụng vẫn là F Đây là loại ròng rọc không mang lại lợi về lực nhưng có lợi về chiều, tức là có thể thay đổi hướng kéo hoặc đẩy mà vẫn giữ nguyên giá trị lực.
Hình 3 8 Ròng rọc cố định (Nguồn Internet)
Ròng rọc động là hệ thống giúp kéo vật lên cao với lực nhỏ hơn trọng lượng của vật, tức là F < P Loại ròng rọc này không được lợi về chiều dài đường đi nhưng được lợi về lực Khi dùng ròng rọc động, ta được lợi hai lần về lực nhưng lại thiệt hai lần về đường, theo công thức 2F = P.
Ngoài ròng rọc, pa lăng còn giúp đổi hướng lực và giảm lực cần thiết, nhưng đổi lại đường đi sẽ bị thiệt đi bấy nhiêu lần Pa lăng gồm cả hai loại ròng rọc đã nêu ở trên Bộ phận của một ròng rọc đơn giản gồm khối trụ kim loại, giá đỡ, ròng rọc và dây kéo Khi có n ròng rọc động trên pa lăng thì sẽ lợi 1/2n lần về lực đồng thời thiệt 1/2n về đường đi.
Ròng rọc có kết cấu nhỏ gọn, cho phép kéo vật lên cao dễ dàng hơn chỉ bằng sức người Nhờ cơ chế ròng rọc, lực kéo cần thiết được giảm xuống và vật có thể được nâng lên cao với một lực nhỏ hơn trọng lực của nó Thiết kế gọn nhẹ và tiện ích của ròng rọc được ứng dụng trong các công việc nâng hạ trong gia đình và công trình, giúp tiết kiệm công sức và tăng hiệu quả làm việc Sử dụng ròng rọc là giải pháp tối ưu để nâng vật lên độ cao mong muốn mà không phải dùng lực quá lớn.
Ròng rọc cố định làm thay đổi hướng của vật còn ròng rọc động được lợi về lực hơn Giá cả thì rẻ
Hình 3 9 Ròng rọc động (Nguồn Internet)
+ Ròng rọc cố định chỉ kéo được vật nhẹ vì không làm giảm bớt trọng lực của vật nhiều
Ròng rọc tuy có cấu tạo đơn giản nhưng về mặt an toàn và độ bền vẫn còn hạn chế, khiến việc sử dụng lâu dài có thể gây hao mòn Điều này làm tăng nguy cơ đứt dây cáp hoặc dây cáp bị trượt khỏi ròng rọc, ảnh hưởng đến hiệu quả làm việc và an toàn vận hành.
Động cơ có một chi tiết quan trọng là không gian cho piston chuyển động trong quá trình vận hành Xi-lanh là bộ phận chịu trách nhiệm tạo ra không gian hút và nén khí, cho phép piston di chuyển lên xuống liên tục Nó làm việc trong điều kiện áp suất và nhiệt độ luôn thay đổi theo chu kỳ của quá trình hút và nén, đảm bảo quá trình nạp khí và đốt diễn ra hiệu quả.
Hình 3 10 Cấu tạo của xilanh (Nguồn Internet)
+ Số lượng: không khí có ở khắp mọi nơi, sẵn sàng để nén với số lượng không hạn chế
+ Vận chuyển: khí nén có thể vận chuyển dễ dàng bằng đường ống, ngay cả ở khoảng cách xa
Lưu trữ khí nén là giải pháp tối ưu cho hệ thống máy nén: máy nén không nhất thiết phải vận hành liên tục, khí nén có thể được tích trữ trong các bình chứa để dùng dần theo nhu cầu và có thể vận chuyển dễ dàng trong các bình chứa đến vị trí sử dụng.
+ Nhiệt độ: khí nén không nhạy với sự thay đổi nhiệt độ.
Hình 3 11 Các thiết bị của khí nén (Nguồn Internet)
+ Cháy nổ: không nguy hiểm về cháy nổ
+ Chế tạo các thiết bị bằng linh kiện khí nén khác nhau thì đơn giản Vận tốc: khí nén là một lưu chất chảy rất nhanh, có thể đạt vận tốc làm việc rất cao (vận tốc làm việc của xi lanh khí có thể đạt từ 1 đến 2m/s)
+ Điều chỉnh: Vận tốc và lực tác dụng của các thiết bị khí nén có thể điều chỉnh được dễ dàng bằng các thiết bị tiết lưu khí nén
+ Quá tải: các công cụ và các thiết bị khí nén đảm nhận tải trọng cho đến khi chúng dừng hoàn toàn cho nên không xảy ra quá tải
+ Khí nén sạch: trường hợp bị rò rỉ trên đường ống hoặc thiết bị; không sợ gây ô nhiễm, cháy nổ Đặc tính này là cần thiết trong các ngành kỹ nghệ thực phẩm, dệt, gỗ và da
Xử lý khí nén trước khi sử dụng là bắt buộc: loại bỏ nước ngưng tụ, lọc bụi và các tạp chất để đảm bảo khí nén sạch và khô Trong các ngành nhạy cảm như y tế, dược phẩm và thực phẩm, khí nén sạch, không ẩm và đã được khử mùi là điều kiện bắt buộc trước khi đưa khí vào máy sử dụng Quá trình này giúp bảo vệ chất lượng sản phẩm, tăng hiệu suất vận hành và giảm rủi ro nhiễm khuẩn Đối với ngành sơn tĩnh điện, khí nén phải hoàn toàn khô và không còn nước trước khi phun để tránh hiện tượng rỗ bề mặt.
Khí nén TPC đã giải quyết được vấn đề nhờ hệ thống tối ưu gồm máy sấy khí Refrigerated Air Dryer TAD-5-TAD-800, lọc khí nguồn trung tâm High Performance Air Dryer TAD 15A-300A và các bộ lọc trên thiết bị như bộ lọc đơn, bộ lọc đôi, lọc ba và tách nước, mang lại chất lượng khí nén ổn định và hiệu suất vận hành cao.
Khí nén có tính nén khiến piston không thể đạt vận tốc đồng nhất theo một hằng số Lực sinh ra từ hệ thống piston phụ thuộc vào áp suất và tiết diện của piston: thông thường áp suất làm việc là 6-7 bar và áp suất tối đa là 10 bar, do đó lực sinh ra bị giới hạn bởi tiết diện của piston.
+ Thoát khí: khí thoát ra gây tiếng ồn, nhưng nhờ vào bộ giảm tiếng ồn siliencer series
SN của hãng TPC-Hàn Quốc, ngày nay vấn đề này đã được giải quyết
Kết luận: Sau khi phân tích ưu nhược điểm như trên, nhóm đã lựa chọn hệ thống truyền động là xi lanh nhờ các ưu điểm phù hợp và độ chính xác cao Lựa chọn này còn mang lại giá thành sản phẩm và phí bảo trì hợp lý, có khả năng tự hãm và lực truyền lớn, nên rất phù hợp với các yêu cầu của hệ thống truyền động của đề tài.
Phân tích và lựa chọn giải pháp truyền động điện
Mô hình cánh tay gắp và phân loại sản phẩm dựa trên băng tải là trọng tâm của hệ thống tự động, trong đó băng tải đóng vai trò then chốt trong vận chuyển sản phẩm và đòi hỏi sự nhanh nhạy cùng độ chính xác cao Mục tiêu là vừa đảm bảo tốc độ xử lý nhanh vừa chính xác trong phân loại, đồng thời duy trì momen xoắn phù hợp để có thể tải và vận chuyển sản phẩm khi cánh tay gắp hoạt động Vì vậy nhóm em chú trọng lựa chọn loại động cơ dẫn động có thể điều khiển chính xác theo yêu cầu và duy trì momen tải hàng hóa ở mọi trạng thái làm việc.
Động cơ điện một chiều có giảm tốc đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp giao thông vận tải và được ứng dụng cho các thiết bị cần điều khiển tốc độ quay liên tục ở phạm vi lớn, như máy cán thép, máy công cụ lớn và đầu máy điện So với động cơ không đồng bộ cùng kích thước, động cơ điện một chiều có giá thành cao hơn do sử dụng nhiều kim loại màu, chi phí bảo quản và chế tạo cổ góp phức tạp Tuy nhiên, máy điện một chiều vẫn không thể thiếu trong nền sản xuất hiện đại nhờ những ưu điểm nổi bật cho phép điều khiển tốc độ và mô-men xoắn một cách linh hoạt và ổn định.
Ưu điểm của động cơ điện một chiều là:
Động cơ điện một chiều được sử dụng làm động cơ hoặc máy phát điện trong nhiều điều kiện làm việc khác nhau Ưu điểm nổi bật của động cơ điện một chiều là khả năng điều chỉnh tốc độ nhanh chóng và linh hoạt, kể cả khi làm việc ở điều kiện quá tải Hơn nữa, mạch điều khiển của động cơ điện một chiều tương đối đơn giản, cho phép điều chỉnh rộng và chính xác đồng thời mang lại chất lượng vận hành cao hơn so với động cơ điện không đồng bộ.
Động cơ điện một chiều có nhược điểm chủ yếu là hệ thống cổ góp và chổi than, khiến quá trình vận hành kém chính xác và không đảm bảo an toàn Trong các môi trường rung chấn, sự tác động của cổ góp và chổi than dễ gây mòn, quá nhiệt, từ đó làm tăng nguy cơ cháy nổ.
Hình 3 12 Động cơ DC (Nguồn Internet)
+ Động cơ bước có khả năng cung cấp mô men xoắn lớn ở dải vận tốc trung bình và thấp
+ Có thể điều chỉnh chính xác góc quay
+ Động cơ bước có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ
+ Động cơ bước dễ dàng lắp đặt, thay thế
+ Động cơ bước có giá thành thấp
Động cơ bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước, làm cho vị trí không còn chính xác Nguyên nhân chủ yếu là lực từ từ nam châm vĩnh cửu yếu và/hoặc nguồn điện cấp cho động cơ không đủ, dẫn đến thiếu mô-men và lệch pha trong mỗi bước Để khắc phục, cần tăng độ mạnh của từ trường hoặc cải thiện chất lượng nam châm, đảm bảo nguồn điện ổn định và đủ công suất (kiểm tra điện áp, dòng điện và tín hiệu điều khiển), điều chỉnh các tham số của driver (giới hạn dòng điện, chế độ microstepping) và xem xét giảm tải hoặc tối ưu hóa tải trọng để tránh hiện tượng trượt bước, từ đó nâng cao độ chính xác và hiệu suất hoạt động của động cơ bước.
Hình 3 13 Mô phỏng động cơ DC (Nguồn Internet)
Động cơ bước có góc bước 1.8 độ nên cần 200 xung để quay đủ một vòng; tuy nhiên, khi xảy ra hiện tượng trượt bước, số xung cần thiết sẽ lớn hơn 200 để quay trọn một vòng.
Động cơ bước khi hoạt động có hiện tượng bị trượt bước Về cơ bản, dòng điện cấp từ driver tới cuộn dây động cơ không thể tăng hoặc giảm trong quá trình vận hành, nên khi động cơ gặp quá tải sẽ bị trượt bước và gây sai lệch trong điều khiển.
Động cơ bước thường ồn và nóng khi hoạt động, nhưng với các driver điều khiển động cơ bước thế hệ mới nhất, độ ồn và nhiệt lượng được giảm đáng kể, giúp cải thiện hiệu suất và kéo dài tuổi thọ cho hệ thống tự động hóa.
+ Đông cơ bước gây ra nhiều nhiễu và rung động hơn động cơ servo + Động cơ bước không thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao
Hình 3 14 Động cơ bước (Nguồn Internet)
Kết luận: Với những ưu nhược điểm đã nêu và yêu cầu điều khiển ở mức độ chính xác không quá cao, nhóm đã chọn động cơ có giảm tốc Động cơ này đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đề ra và còn có lợi thế là giá thành rẻ, bảo trì thấp và dễ dàng điều khiển, nên rất phù hợp với điều kiện và mong muốn của nhóm.
Phân tích và lựa chọn giải pháp cảm biến
Khi sản phẩm được vận chuyển đến vị trí gắp trên cánh tay robot, cần có thiết bị xác nhận và thông báo cho bộ xử lý trung tâm PLC một cách nhanh chóng và chính xác nhất Để đáp ứng yêu cầu này, nhóm sẽ đề xuất các giải pháp công nghệ và phân tích chi tiết nhằm lựa chọn phương án tối ưu nhất cho hệ thống tự động hóa và kiểm soát quá trình vận hành.
Trong quá trình vận hành của một cánh tay robot công nghiệp, việc có thể tự ý dừng lại mà không có cảm biến là rất khó, và ta cũng không thể phát hiện sớm khi xảy ra lỗi ở các trục hoặc vị trí chuyển động Vì vậy, nhóm nghiên cứu cần một thiết bị giám sát và tự động dừng cánh tay robot theo một quy trình đã được định sẵn, nhằm đảm bảo an toàn vận hành và nâng cao hiệu quả sản xuất.
Cảm biến tiệm cận điện cảm
+ Không chịu ảnh hưởng của độ ẩm
+ Không có bộ phận chuyển động
+ Không chịu ảnh hưởng của bụi bặm
+ Không phụ thuộc vào màu sắc
+ Ít phụ thuộc vào bề mặt đối tượng hơn so với các kỹ thuật khác
+ Không có khu vực mù
+ Có thể lắp ở mọi vị trí
+ Tín hiệu đáp ứng nhanh, chính xác
+ Chỉ phát hiện được đối tượng là kim loại
+ Có thể chịu ảnh hưởng bởi các vùng điện từ mạch
+ Phạm vi hoạt động ngắn so với các kỹ thuật khác
Hình 3 15 Cảm biến tiện cận điện cảm (Nguồn Internet)
Cảm biến tiệm cận điện dung
+ Có thể cảm nhận vật dẫn điện và không dẫn điện
+ Tính chất tuyến tính và độ nhạy không phụ thuộc vào vật liệu kim loại + Nó có thể cảm nhận được vật thể nhỏ, gọn, nhẹ
+ Độ bền cao, và ổn định cũng cao đối với nhiệt độ
+ Bị ảnh hưởng bởi độ ẩm
+ Dây nối với sensor phải ngắn để điện dung dây không ảnh hưởng đến độ cộng hưởng ng của cảm biến tiệm cận điện dung:
+ Dùng trongcủa bộ dao động
* Một số ứng dụng công nghiệp thực phẩm
+ Dùng đo mực chất lỏng
+ Dùng trong sản xuất chế biến gỗ
Hình 3 16 Cảm biến tiện cận điện dung (Nguồn Internet)
+ Có độ nhạy cao hơn
+ Có thể gửi và nhận tín hiệu quang trên khoảng cách xa
+ Tránh phải chuyển đổi giữa điện tử và quang tử riêng biệt tại mỗi vị trí cảm biến, do đó giảm chi phí và tng tính linh hoạt
+ Phát hiện vật ở khoảng cách xa mà không cần tiếp xúc trực tiếp
+Có thể phát hiện nhiều vật thể khác
Một khó khăn chung của tất cả các cảm biến, cả quang học và cảm biến thông thường, là bị nhiễu bởi nhiều hiệu ứng ảnh hưởng đến độ chính xác Ví dụ, các cảm biến dùng để đo độ căng hoặc đo áp suất có thể rất nhạy cảm với nhiệt độ, khiến biến đổi nhiệt độ có thể làm lệch kết quả và đòi hỏi các biện pháp hiệu chỉnh hoặc bù nhiệt để đảm bảo độ chính xác cao.
+ Có điểm mù, hoạt động không tốt khi bề mặt bị bụi bẩn và trong môi trường nhiều bụi
Hình 3 17 Cảm biến quang (Nguồn Internet)
+ Khả năng chịu đựng dòng tải lớn
+ Đáp ứng tốt các điều kiện cần đến độ chính xác và có tính lặp
+ Tiêu thụ ít năng lượng
+ Thời gian đáp ứng chậm
+ Cần có sự tác động của vật đối với công tác hành trình
+ Bộ phận cơ khí hay bị mòn do tiếp xúc với vật
Kết luận: Trong quá trình thực tập thực tế, sau khi cân nhắc ưu nhược điểm và tham khảo tài liệu, nhóm quyết định sử dụng cảm biến quang ở vị trí cuối băng tải để nhận biết sản phẩm và cảm biến tiệm cận được gắn trên xilanh để nhận biết quá trình tịnh tiến của cánh tay, nhằm tăng độ chính xác và tính tự động của hệ thống Việc kết hợp cảm biến quang và cảm biến tiệm cận cho phép theo dõi sản phẩm nhanh chóng đồng thời điều khiển quá trình dịch chuyển của cánh tay một cách ổn định, từ đó tối ưu hóa quy trình sản xuất trong môi trường thực tập.
Hình 3 18 Công tắc hành trình (Nguồn Internet)
Công tắc và nút nhấn
Công tắc công nghiệp là thiết bị được sử dụng thực hiện chức năng đóng/bật hoặc ngắt/mở dòng điện (công tắc on/off) trong các hệ thống thực tế Trong các tổ hợp mạch điện dùng chung một công tắc, thiết bị này còn có chức năng chuyển hướng trạng thái đóng-ngắt của mạch điện, giúp điều khiển luồng điện một cách an toàn và hiệu quả.
Hoạt động của công tắc quyết định việc các thiết bị sử dụng điện trong hệ thống mạch điện công nghiệp có hoạt động hay ngừng hoạt động Vì vậy, vai trò của công tắc là rất quan trọng đối với vận hành an toàn và hiệu quả của hệ thống điện công nghiệp.
Phân tích và lựa chọn giải pháp điều khiển
Mô hình phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot hoạt động ở hai chế độ MANUAL và AUTO, với chế độ chạy lên tục đòi hỏi độ chính xác cao Vì tính ứng dụng cao trong công nghiệp, hệ thống này phải phù hợp và dễ tích hợp với quy trình sản xuất hiện có nên việc lựa chọn bộ điều khiển thích hợp là yếu tố then chốt để đảm bảo hiệu suất, ổn định và độ tin cậy của quá trình phân loại Việc tối ưu hóa điều khiển giúp cánh tay robot thực hiện phân loại nhanh chóng, chính xác và đáp ứng yêu cầu tự động hóa trong công nghiệp.
Hình 3 19 Công tắc nút nhấn (Nguồn Internet)
Sử dụng vi điều khiển
+ Tuỳ biến được tốt hơn, lập trình được các chương trình phức tạp nên phù hợp dùng trong các mạch điều khiển công suất nhỏ
+ Vi điều khiển hoạt động như một máy vi tính
+Tích hợp cao hơn bên trong vi điều khiển làm giảm chi phí và khích thước hệ thống
+ Khả năng chống nhiễu thấp
+ Không làm việc được trong môi trường khắc nghiệt
Hình 3 20 Ví dụ về một loại của vi điều khiển (Nguồn Internet)
+ Độ ổn định và tin cậy rất cao
+ Dễ dàng thay đổi chương trình điều khiển theo ý muốn
+ Chống nhiễu tốt, phù hợp trong môi trường công nghiệp
+ Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào và ra của plc
+ Chức năng lập trình dễ, ngôn ngữ dễ hiểu
+ Dung lượng chương trình lớn, có thể chứa được nhiều chương trình phức tạ
+ Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác
Hình 3 21 Ví dụ 1 số dòng PLC (Nguồn Internet)
+ Mạnh điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa
+ Giá thành phần cứng cao, một số hãng phải mua thêm phần mềm lập trình
+ Đòi hỏi người sử dụng phải có trình độ chuyên môn cao
Kết luận: Từ các ưu điểm đã phân tích, nhóm quyết định chọn PLC để điều khiển mô hình, vì PLC là giải pháp tối ưu cho điều khiển cánh tay robot và mang lại độ chính xác cao trong công nghiệp Nhóm đã làm quen với PLC và có cơ hội tiếp xúc với việc làm và học hỏi thực tế từ quá trình học tập trên ghế nhà trường, từ đó nâng cao kỹ năng vận hành hệ thống tự động và sẵn sàng áp dụng PLC vào các dự án nghiên cứu.
Giải pháp phần mềm lập trình và mô phỏng
Hình 3 22 Giao diện phần mềm GX works 2
– Phần mềm GX-Work 2 là phần mềm được Mitsubishi nâng cấp và thay thế cho
GX Developer là phần mềm lập trình PLC với giao diện trực quan và dễ sử dụng, cho thao tác lập trình mượt mà Nó còn bổ sung hỗ trợ các ngôn ngữ lập trình khác như FBD (Function Block Diagram) và SFC (Sequential Function Chart), giúp mở rộng khả năng thiết kế và tối ưu hóa chu trình điều khiển Nhờ giao diện cải tiến và đa ngôn ngữ, GX Developer phù hợp cho các dự án PLC ở mọi quy mô, từ nhỏ đến lớn, tăng hiệu suất làm việc và rút ngắn thời gian phát triển ứng dụng.
– GX Works2 là một công cụ lập trình dùng để thiết kế, gỡ lỗi, và duy trì chương trình trên Window
– GX Works2 đã cải thiện chức năng và khả năng thao tác, với những tính năng dễ sử dụng hơn khi so sánh với GX Developer đã có
Chức năng chính của GX Works2
– GX Works2 quản lý các chương trình và thông số đầu vào của dự án cho mỗi CPU điều khiển khả trình
– Chương trình có thể được tạo ra trong một Dự án đơn giản theo cách tương tự với
– Lập trình cấu trúc trong một dự án cấu trúc cũng khả thi với GX Works2
– Tham số cho CPU điều khiển khả trình và tham số cấu hình mạng có thể được đặt với GX Works2
– Tham số cho khối chức năng thông minh cũng có thể được cài đặt
Viết/đọc dữ liệu đến/từ một CPU điều khiển khả trình
Xây dựng một chương trình tuần tự có thể được viết và đọc từ một CPU điều khiển có khả năng sử dụng Read từ PLC và Write từ chức năng PLC Việc tích hợp sâu giữa CPU và PLC cho phép trao đổi dữ liệu nhanh chóng, tối ưu hóa luồng điều khiển và đảm bảo đồng bộ hóa giữa các bước xử lý trong hệ thống tự động hóa Đồng thời, với chương trình này, người vận hành có thể quản lý, bảo trì và mở rộng quy trình một cách linh hoạt, gia tăng độ tin cậy và hiệu quả cho các ứng dụng công nghiệp.
43 thay đổi chức năng trực tuyến, chương trình tuần tự có thể bị thay đổi ngay cả khi CPU điều khiển khả trình đang chạy (RUN)
Chúng ta có thể tạo một chương trình tuần tự dành cho CPU điều khiển thiết bị, cho phép quản lý và theo dõi giá trị vận hành của thiết bị trong quá trình hoạt động Chương trình này được viết để hỗ trợ giám sát ở cả chế độ trực tuyến và ngoại tuyến, giúp tối ưu hiệu suất, nâng cao độ tin cậy và thuận tiện cho việc chẩn đoán sự cố cũng như bảo trì hệ thống.
– Trạng thái lỗi hiện tại và lịch sử lỗi của CPU điều khiển khả trìnhcó thể được chuẩn đoán
– Với chức năng chuẩn đoán, công việc khôi phục có thể được hoàn thành trong thời gian ngắn
– Trong GX Works2, loại dự án có thể được chọn từ những dự án đơn giản hoặc dự án cấu trúc
– Dự án đơn giản tạo ra các chương trình tuần tự sử dụng tập lệnh cho CPU điều khiển khả trình Mitshubishi
Hình 3 23 Đọc và viết dữ liệu từ PLC (Nguồn Internet)
QUY TRÌNH THIẾT HỆ THỐNG
Thiết kế phần cơ khí
Hình 4 2 Thông số kích thước giá đỡ sản phẩm
Hình 4 1 Thông số kích thước giá đỡ sản phẩm
Hình 4 3 Thông số kỹ thuật 4.1.2 Băng tải
Hình 4 4 Thông số kỹ thuật
Hình 4 5 Thông số kỹ thuật
4.1.4 Thông số chi tiết của mô hình
Hình 4 6 Thông số kỹ thuật
Hình 4 7 Thông số kỹ thuật
Hình 4 8 Thông số kỹ thuật
Tính toán và lựa chọn các thành phần hệ thống
4.2.1 Tính toán xilanh cho hệ thống
– m là khối lượng phôi (kg)
– μ = 0.1 hệ số ma sát giữa phôi và tay kẹp Áp suất hoạt động tối thiểu: 0,3 MPa Áp suất hoạt động tối đa: 0,7 MPa
Nhiệt độ lưu chất và môi trường: có cảm biến 5°C đến 70°C
Hình 4 9 Tính toán lực kẹp cho xilanh (Nguồn Internet)
51 Đường kính xilanh: D= 30 (mm) =3 (cm) Đường kính Piston: d = 5 (mm) = 0,5 (cm) Áp suất khí cấp vào: P = 2𝑘𝑔/𝑐𝑚 2
Ta chọn xilanh kẹp theo hãng CHANTO: với mã hàng KB16TH-F9B với áp suất từ 0.3 – 0.7 Mpa
Tính toán xilanh nâng hạ
Khối lượng cần nâng: khối lượng hàng hóa m1 = 1kg, khối lượng tay kẹp m2 = 0,5kg Hành trình xilanh: L = 20 mm
Tải trọng đáp ứng: F = (m1 + m2).g = (1+0,5).9,8 = 14,7N =1,47kg Áp suất làm việc: p = 2 bar = 2,1183 kg/𝑐𝑚 2 Đường kính xilanh: 55mm
Vậy chọn đường kính xilanh đôi: D = 150 mm
Chọn xy lanh CXSL15-50 chọn từ bảng thông số
Tính toán xilanh trượt, xoay
+ xilanh trượt: có đường kính 20mm, đường kính pittong 8mm, áp suất máy nén khí cung cấp 6 bar ta có:
Vậy xilanh trượt có các thông số trên sẽ có lực đẩy là 19.197 kg
+ xilanh xoay: có đường kính 16mm, đường kính pittong 6mm, áp suất máy nén khí cung cấp 6 bar ta có:
Bảng 4 1 Bảng thông số xilanh nâng hạ (Nguồn Internet)
Vậy xi lanh trượt có các thông số trên sẽ có lực đẩy là 12.2276 kg
4.2.2 Tính toán thiết kế băng tải
– Đường kính bánh dẫn và bị dẫn: D = D1 = D2 = 4cm
– Khoảng cách giữa 2 trục là L = 40cm
– Bề rộng của đai B = 7cm, B tùy thuộc vào kích thước của sản phẩm ta có bề rộng
– Khối lượng trung bình của vật có trên băng tải là m = 0,2kg
– Chọn vận tốc băng tải v=0,01 m/s Để vật cân bằng trên băng tải khi chuyển động, ta có tổng hợp lực:
Phản lực N của băng tải đối với sản phẩm là:
Lực ma sát của bộ truyền là:
Hình 4 10 Thiết kế con lăn
Trong đó k là hệ số ma sát giữa vật và băng tải
Công A thực hiện lực kéo là:
4.2.3 Lựa chọn các thành phần hệ thống
Nhóm đã phân tích ở chương 3 trong quá trình thực tập và khi tiếp xúc với các hệ thống thực tế, đồng thời xin ý kiến từ giáo viên hướng dẫn để đảm bảo tính khả thi và phù hợp với yêu cầu thực tế Dựa trên các ý kiến đóng góp của giảng viên, nhóm đã quyết định lựa chọn các thành phần cho hệ thống phân loại sản phẩm như sau.
+ Hệ thống điều khiển: bộ điều khiển trung tâm PLC fx1n
+ Cảm biến: cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, công tắc nút nhấn
+ Cơ cấu chấp hành: động cơ DC có giảm tốc, valve khí nén
+ Cơ cấu dẫn động: các xilanh 2 chiều
+ Rơle 24 điều khiển valve, cầu đấu
+ Nguồn cấp điện cho hệ thống: nguồn tổ ông 24v – 2.10A
4.2.3.1 Bộ điều khiển trung tâm PLC FX1n – 60MR
FX1N là một dòng PLC (bộ điều khiển logic lập trình) được thiết kế để kiểm soát nhiều ứng dụng tự động hóa trong các hệ thống công nghiệp Nhờ thiết kế nhỏ gọn, chi phí thấp và tập lệnh mạnh mẽ, FX1N mang lại những giải pháp tối ưu và linh hoạt cho các ứng dụng tự động hóa.
Toàn bộ CPU đều được tích hợp bảo vệ bằng mật khẩu để ngăn chặn truy cập trái phép vào PLC Ngoài ra, hệ thống còn có thể sử dụng các mô-đun truyền thông mở rộng, cho phép kết nối bằng các chuẩn RS485 hoặc RS232 để mở rộng khả năng giao tiếp và tích hợp với các thiết bị khác.
- Điện áp nguồn cung cấp: 12-24VDC hoặc 100/230VAC
- Bộ nhớ chương trình: 8000 bước
- Kết nối truyền thông: cung cấp chuẩn kết nối RS422, có thể giao tiếp theo chuẩn RS485/RS232 thông qua board mở rộng
- Bộ đếm tốc độ cao: 6 chân max 60Khz 1 phase, 2 chân max 30Khz 2 phases
- Loại ngõ ra: Relay, Transistor
- Phát xung tốc độ cao: 2 chân phát xung max 100khz
- Có thể mở rộng lên tới 132 I/O thông qua module
- Có thể mở rộng tối đa lên tới 2 module chức năng
4.2.3.2 Động cơ DC có giảm tốc
+ Đường kính động cơ: 34,5 MM
+ Đường kính hộp số: 36,8 MM
Hình 4 11 FX1n – 60MR (Nguồn Internet)
Hình 4 12 Động cơ giảm tốc (Nguồn Internet)
+ Trục đầu ra: 6 MM (vị trí phẳng là 4,9 MM)
+ Chiều dài trục đầu ra: 17 MM (từ bảng điều khiển) + Trọng lượng: 226 g
+ Mô-men xoắn: 25 KG (ước tính)
+ Xilanh trượt lên/xuống: MAL 20x200S CA
+ Xilanh trượt ra/vào: MAL 20x200S CA
Van điện từ Solennoid Valvel
Đây là dòng van điều khiển xilanh dừng ở giữa hành trình, bên cạnh người đồng nghiệp 4V230C-08 của Airtac Để điều khiển dòng van này có nhiều cách: một là dùng timer để cấp điện cho hai cuộn coil ở đầu van nhằm buộc xilanh dừng ở vị trí mong muốn; lưu ý căn thời gian dừng đúng điểm sẽ mất nhiều thời gian căn chỉnh ban đầu Hai là dùng cảm biến chuyển động được lắp trên thân xilanh để truyền tín hiệu về hai cuộn coil; cách này chỉ cần căn vị trí lắp cảm biến nhưng cần lưu ý quán tính của xilanh.
Van đảo chiều 5/3 là loại van có 3 vị trí, trong đó vị trí giữa là tính năng nổi bật nhất của van 5/3 Hai vị trí còn lại là để điều khiển xilanh khí nén đi hết hành trình và về hết hành trình.
Xi lanh được trang bị tính năng điều khiển 3 vị trí: vị trí đi hết hành trình, vị trí về hết hành trình và vị trí dừng ở giữa hành trình Với đặc tính này, xi lanh có thể đi ra đến cuối hành trình, quay về đầu và dừng ở giữa hoặc bất cứ điểm nào trên quãng đường di chuyển Khả năng dừng ở nhiều điểm trên hành trình mang lại sự linh hoạt, kiểm soát vị trí chính xác và tối ưu hóa các ứng dụng cơ khí và tự động hóa.
Hình 4 13 Xi lanh (Nguồn Internet)
Gồm 5 cổng: một cổng đưa áp suất vào (thường ký hiệu P hoặc 1); một cổng kích hoạt xi lanh thụt ra và một cổng điều khiển xi lanh rút về; hai cổng xả được đánh dấu là R và S Trong thực tế, hai cổng kích hoạt và điều khiển này thường được ký hiệu là A và B hoặc là 2 và 4 tùy từng cấu hình.
Hình 4 14 Van điện từ (Nguồn Internet)
Thông số kỹ thuật của van
CS1-F là cảm biến (sensor) quan trọng trong hệ thống điều khiển xilanh, cho phép tạm dừng ở giữa hành trình hoặc giới hạn hành trình và truyền tín hiệu về các thiết bị khác để điều khiển từ xa Là mã cảm biến của hãng Airtac, CS1-F được nhiều nhà sản xuất chọn dùng và đặt theo nhằm thuận tiện cho việc thay thế và sửa chữa, tối ưu hoá bảo trì và đảm bảo sự đồng bộ trong các bảng điều khiển khí nén.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống: khi vòng từ trong thân xilanh gặp cảm biến, mạch điện đóng lại và tín hiệu được gửi về tủ điện để điều chỉnh cơ cấu chấp hành Nhờ đó, hệ thống có thể đáp ứng nhanh chóng và chính xác nhu cầu vận hành trong các lĩnh vực như lắp ráp máy móc, chế biến lương thực thực phẩm, đột dập và máy ép cắt nhôm nhựa.
Hình 4 15 Thông số kỹ thuật van (Nguồn Internet)
CS1-F cảm biến được dùng để lắp trên thân các loại xylanh vuông SC (Airtac, BLCH), TGC (STNC) và xylanh tròn MAL (Airtac), MA, CA (SMC) Điều kiện cần để lắp đặt CS1-F là có một cây xylanh hoặc SC50x75-S Điều kiện đủ để CS1-F hoạt động trên xylanh có vòng từ bên trong (thường ký mã S ở phần cuối, ví dụ MAL32x100-S) là sự phù hợp giữa cảm biến và vòng từ Theo chuẩn và thực tế, hai thành phần bắt buộc phải có là van điện từ dừng ở giữa dòng với các mã 4V230C-08, 4V330-10, 4V340-15 và một rơ le trung gian.
Cảm biến quang (tên tiếng Anh là Photoelectric Sensor) là một tổ hợp các linh kiện quang điện Thiết bị này thay đổi trạng thái khi được chiếu sáng; cảm biến quang dùng ánh sáng phát ra từ bộ phát để phát hiện sự hiện diện của vật thể Khi có sự thay đổi ở bộ thu, mạch điều khiển của cảm biến quang sẽ cho ra tín hiệu ở ngõ OUT Cảm biến quang đóng vai trò rất quan trọng trong lĩnh vực tự động hóa và sản xuất, được ứng dụng để nhận diện vật thể và điều khiển các quá trình công nghiệp theo tín hiệu ngõ OUT.
Hình 4 16 Cảm biến CS1-F (Nguồn Internet)
62 vực công nghiệp tự động hóa Nếu không có cảm biến quang thì khó mà có được tự động hóa, giống như làm việc mà không nhìn được vậy
Cấu tạo của cảm biến quang là gì ?
Thông thường, với một cảm biến quang, ta có ba bộ phận chính gồm bộ phận phát sáng, bộ phận thu sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra Các thành phần này phối hợp nhịp nhàng để nhận diện và biến đổi tín hiệu quang thành tín hiệu điện, từ đó cung cấp dữ liệu đầu ra cho các hệ thống giám sát, đo lường và tự động hóa.
Hình 4 17 Cảm biến quang (Nguồn Internet)
Hình 4 18 Cấu tạo cảm biến quang (Nguồn Internet)
Thông thường đối với một cảm biến quang, bộ thu sáng là phototransistor hay còn gọi là tranzito quang, có nhiệm vụ nhận ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ với cường độ sáng Hiện nay nhiều loại cảm biến quang sử dụng mạch ứng dụng tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit), mạch này tích hợp toàn bộ bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và các chức năng vào một vi mạch IC duy nhất Bộ phận thu có thể nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát (như trường hợp của loại thu-phát), hoặc ánh sáng phản xạ lại từ vật bị phát hiện (trường hợp phản xạ khuếch tán).
Mạch xử lý tín hiệu đầu ra:
Cảm biến quang chuyển đổi tín hiệu sáng nhận được từ tranzito quang thành tín hiệu ra ở dạng analog và sau đó được khuếch đại để tạo tín hiệu ON/OFF Khi lượng sáng thu được vượt ngưỡng xác định, tín hiệu ra của cảm biến sẽ được kích hoạt Trong các cảm biến thế hệ trước, một số loại tích hợp mạch nguồn và dùng tín hiệu ra là tiếp điểm rơ-le (relay), nhưng ngày nay phần lớn cảm biến quang sử dụng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang cũng có cả tín hiệu tỉ lệ ra để phục vụ các ứng dụng đo đếm.
Cảm biến quang khuếch tán (diffuse reflection sensor): Đặc điểm của cảm biến:
Thiết bị cảm biến quang phản xạ khuếch tán là loại cảm biến có bộ thu và phát chung, thường được dùng để phát hiện vật thể trên hệ thống máy móc tự động và để giám sát xem các thiết bị đã lắp đúng vị trí hay chưa Đặc điểm nổi bật của cảm biến quang phản xạ khuếch tán là bị ảnh hưởng bởi bề mặt và màu sắc của vật thể, với khoảng cách làm việc tối đa khoảng 2 mét Bạn có thể dễ dàng gặp chúng trên các dây chuyền sản xuất, trong quá trình đóng gói sản phẩm và dùng để đếm số lượng sản phẩm cho vào một thùng hoặc bộ lô.
Nguyên lý hoạt động như sau :
Cảm biến dạng này sẽ hoạt động theo 2 trạng thái duy nhất đó là:
THI CÔNG
Thi công cơ khí
Thiết kế mô hình phân loại sản phẩm trên phần mềm soliworks
Thiết kế phần băng tải
+ Băng tải vận chuyển sản phẩm được cấu tạo từ hai bộ phận chính khung băng tải và dây băng tải và một số bộ phận khác
+ Khung băng tải: Được làm bằng sắt hộp mạ kẽm Được hàn lại với nhau theo kích thước thiết kế
+ Dây băng tải: được làm bằng chất liệu PVC
Hình 5 3 Thi công băng tải
Thiết kế cánh tay robot
Hệ cơ cấu di chuyển hai trục X và Y được thiết kế linh hoạt nhờ bộ ray trượt chất lượng, cho phép di chuyển dễ dàng và chính xác trên mọi vị trí làm việc Khung máy được chế tạo từ sắt hộp mạ kẽm, liên kết với nhau bằng các ổ trượt bền chắc, đảm bảo độ ổn định và khả năng chịu lực cao Quá trình di chuyển lên xuống và lấy đẩy sản phẩm được thực hiện bằng xy-lanh, giúp tịnh tiến và trượt ra/vào một cách nhạy bén, tăng hiệu quả gắp sản phẩm Với thiết kế này, hệ thống cho phép định vị và thao tác gắp một cách nhanh gọn và chính xác, tối ưu hoá năng suất.
Hình 5 5 Thi công cánh tay gắpHình 5 4 Mô phỏng chuyển động trượt và cơ cấu gắp
Thiết kế khung và kệ đỡ sản phẩm
Kệ đỡ hành được chế tạo từ sắt hộp mạ kẽm, hàn liền theo kích thước thiết kế và có tấm lót đáy làm từ vật liệu mica Liên kết với khung bằng ốc tán siết chặt, giúp tháo lắp dễ dàng và tối ưu cho việc sắp xếp, bỏ sản phẩm lên kệ.
Hình 5 7 Mô phỏng khungHình 5 6 Mô phỏng kệ đỡ sản phẩm
Thi công lắp ráp mô hình
Hình 5 8 Thi công khung với kệ đỡ sản phẩm
Hình 5 9 Thi công hoàn thiện mô hình
Thi công phần điện
5.2.1 Sơ đồ kết nối phần cứng
Class Lable Name Data Type Device
VAR_GLOBAL XL_KEP Bit M0
VAR_GLOBAL XL_VAO Bit Y002
VAR_GLOBAL XL_RA Bit Y003
VAR_GLOBAL XL_XUONG Bit Y004
VAR_GLOBAL XL_LEN Bit Y005
VAR_GLOBAL LAY_SP Bit Y006
VAR_GLOBAL NHA_SP Bit Y007
VAR_GLOBAL BAO_LOI Bit Y010
VAR_GLOBAL AUTO_ON Bit X021
VAR_GLOBAL AUTO_OFF Pointer X022
VAR_GLOBAL SP_CAO Bit M3
VAR_GLOBAL SP_THAP Bit M4
5.2.2.2 Chương trình điều khiển PLC
Nguyên lý hoạt động của mô hình
Mô hình chạy theo 2 chế độ là: MANULA, AUTO
+ Chế độ manual: Điều khiển băng tải, cánh tay robot bằng công tắc gạt
Chế độ auto cho phép băng tải tự động hoạt động khi gạt công tắc sang Auto; hệ thống sẽ đưa sản phẩm tới cảm biến X6 (phát hiện sản phẩm cao) và X7 (phát hiện sản phẩm thấp) Xi lanh kẹp mở ra, cánh tay trượt ra va chạm cảm biến X1 để kẹp sản phẩm, sau đó trượt tới cảm biến X0 và cánh tay quay 90 độ đến cảm biến X5 để bỏ sản phẩm Nếu sản phẩm cao, cánh tay sẽ trượt lên tới cảm biến X3, sau đó trượt ra tới cảm biến X1 để nhả sản phẩm và quay về vị trí ban đầu Nếu sản phẩm thấp, quá trình trượt lên được bỏ qua.
Sơ đồ nguyên lý hoạt động như sau
Bảng 5 1 Bảng khai báo địa chỉ
Hình 5 11 Biểu đồ trạng thái
+ Chương trình con (chế độ MANUAL)
+ Chương trình con (chế độ AUTO)