1 CHUONG 1: TONG QUAN VE DE TAI Với những khả năng ưu việt đó của robot mà nó đã không chỉ giải phóng được sức lao động cho con người mà còn đảm bảo được những yêu câu khắt khe nhất tro
Trang 1GIAI THUONG “KHOA HOC SINH VIEN-EUREKA”
LAN THU 9 NAM 2007
TEN CONG TRINH:
THIET KE HE THONG DIEU KHIEN
VA LAP TRINH CHO ROBOT HAN BIET HOC
Trang 2
GIAI THUONG “KHOA HOC SINH VIEN-EUREKA”
LAN THU 9 NAM 2007
TEN CONG TRINH:
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
VA LẬP TRÌNH CHO ROBOT HÀN BIẾT HỌC
THU WIEN TRƯỜNG PH KĨ THUẬT CÔNG NGHỆ TP.HCM
Trang 3
MUC LUC
Chương 1: Tổng quan về dé tal .cetesmsnssasecntanmacessmresmmiatensenmeneees 1
Chương 2: Giới thiệu robot hàn Osacom và mục tiêu của để tài 2
2.1 Các đặc điểm về robot hàn Osacom - -~c<~vessexee „3 2.2 Mục tiêu của để tài - -.-c-c.~e=czcervrrerrrxrzrrserrverzsesrsree 3 Chương 3: Các phương án giải quyết -.=-5e =+~vxszerirevrcke 4
3.1 Sử đụng mạch điều khiển PLC832 (card plc832) 4 3.1.1 Giới thiệu card plc832 - - << c3 nse=srrrsmre 4
3.1.2 Cấu trúc hệ thống - -.-.=.=cezseerrrrrrmszsesee 4
3.1.3 Đặc điểm từng thành phần - - - ~.<-=cces.ree 5 3.1.4, Un va Khuyét didim sesscsasnsnsesnisusesnsesnsamensnememsnenince 5
3.2 Sử dụng PLC kết hợp véi module nội suy mở rộng 5
3.2.1 Giới thiệu PLC ho A Mitsubishi va module AD7% a) 3.2.2 Cấu trúc hệ thống, -.«-~.s.zvesz.eitrierermerae 6 3.2.3 Đặc điểm từng thành phân - ~.~.-e ecscserevee 6 3.2.4 Ưu và khuyết điểm - 2.-.e :~c<5czvee~ezstererrrrmee 6 3.3 Phương án sử dụng vi điểu khiển và các IC số 7
4.2.2 Mạch điều khiển trung tâm và phần mềm 10
4.2.3 Mạch kết nối máy tính ~.-.~-<+~cveszere~eerree 16
4.2.4 Hộp điều khiển (Teach pendant) -.-.-.s. -se: 17 4.2.5 Phần mêm máy tính - 2 << mmee simeeserree 19 Chương 5: lập trình chương trình điều khiển - -.- -.~ „ 21
5.1 Lập trình chương trình cho máy tính ~.~.<.~.e.n mg 21 5,1.1 Thiết kế giao điện - -.-.~-~cercetxeezeretrrreszseree 21 5.1.2 Lap trimbn 22 5.2 Lập trình chương trình cho teach pendantL ~ -.~.- 24 5.3 Lập trình chương trình mạch điều khiển trung tâm 28 Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài ò 30
6.1 Hướng phát triển của để tài -.-.- 5 -5c~<+~v2v~xxeveszcrer 30 6.2 Kt WAM n A A 30
2 lẻ , +” aeiqgss 6.1 Hướng phát triển của để tài -.-.«. <.+:<-~cx-zreretmreezee 30
Trang 4
LOI NOI DAU
Trong xu thế gia nhập WTO như hiện nay của Việt Nam, các mặt hàng va sản
phẩm của nước ngoài được mở rộng cửa đi vào, thâm nhập nhiều vào thị trường
việt nam Nhiều chính sách thông thoáng về kinh tế được chính phủ đưa ra đã thúc
đẩy sự đầu tư mạnh mẽ của nhiều nhà đâu tư nước ngoài vì vậy muốn tìm được chỗ
đứng trên thị trường hiện nay các doanh nghiệp nội địa cần phải nâng cao chất
lượng sản phẩm của mình và tăng năng suất sản xuất |
Ở Việt Nam trong công nghiệp hàn, để hàn những chỉ tiết cơ khí mang tính
thẩm mỹ và độ chính xác cao hầu như đều trông cậy vào năng lực của công nhân
Các công nhân chuyên về hàn sẽ đảm nhận chức vụ này, tuy nhiên số công nhân
có tay nghề trong công việc này đôi khi tìm kiếm rất khó khăn, lương trả cho công
nhân này tương đối cao, độ chính xác và mức độ giống nhau của loạt chỉ tiết hàn
không cao vì thế chất lượng sản phẩm không đồng đều và tính thẩm mỹ thấp
Trên thế giới họ đã giải quyết vấn để này bằng cách chế tạo các robot hàn chuyên dụng để thay thế cho con người Các robot được thiết kế cơ khí chính xác
và lập trình nên có khả năng hàn một các rất chính xác, đẹp và nhanh Các robot
này được đưa vào ứng dụng trong nhiều ngành nhu: san xuất ô tô, xe máy, máy bay
Thế nhưng tại Việt Nam, việc sử dụng công nghệ này vào sản xuất đang ở
mức độ nào?
Trang 5
1
CHUONG 1: TONG QUAN VE DE TAI
Với những khả năng ưu việt đó của robot mà nó đã không chỉ giải phóng được sức lao động cho con người mà còn đảm bảo được những yêu câu khắt khe nhất trong công
nghệ hàn, đem lại năng suất sản xuất rất lớn Thay vì trước đây các chỉ tiết cơ khí được
hàn bằng tay tính chính xác và đồng đều thấp thì bây giờ robot đã thay thế một cách
hoàn hảo Các robot được sắp đặt thành một dây chuyên, các chỉ tiết di chuyển từ vùng
robot này sang vùng robot khác, và được các robot này lần lượt hàn và đầu ra là sản phẩm
Đối với các doanh nghiệp vừa và nhỏ, những công việc liên quan đến hàn và cần
những yêu cầu thẩm mỹ và năng xuất cao như hàn khung cửa, khung bàn ghế thì các
robot này xem ra hết sức cần thiết Thế nhưng để đầu tư cho hệ thống hàn bằng robot này thì quả là vấn để khó khăn, giá thành của các robot này rất đắt (500 triệu đêng cho một
robot)
Nhận thấy nhu cầu đó và sự tiến bộ trong công nghệ điện tử, lập trình tại nước ta những năm qua, một số chủ doanh nghiệp đã mạnh dạng mua những xác robot đã qua sử
dụng nhưng hệ thống cơ khí còn tốt về tự thiết kế bộ điều khiển riêng sao cho phù hợp
với công việc của mình Tuy nhiên công việc này còn đang bỏ ngỏ Chính vì khái niệm robot còn khá mới mẻ nên người Việt Nam ta thường cảm thấy e ngại khi nói đến việc tái sử dụng lại nó Cũng đã có một vài người đi vào làm việc này nhưng vì sử dung các mạch điều khiển của nước ngoài để điều khiển nên giá thành khá cao, nó chỉ thích hợp trong việc nghiên cứu chứ chưa đưa ra làm hàng loạt được Vậy vấn để ở đây là làm sao
thiết kế được một hệ thống điều khiển cho những robot này, có tính ổn định cao, giá thành hợp lý và có khả năng điều khiển robot hàn đa năng
Xây dựng được một hệ thống điều khiển như vậy rõ ràng đem lại lới ích rất lớn, các doanh nghiệp không cần phải đâu tư một khoảng tiễn quá lớn để có được một robot hàn
có chất lượng và thông minh Từ đó giảm giá thành sản phẩm, nâng cao được chất lượng sản phẩm , năng suất sản xuất và tính cạnh tranh với các sản phẩm ngoại nhập
Tóm lại : Giá thành xác các robot cũ này khá rẻ (từ 10 đến 20 triệu đồng), việc chế
tạo được hệ thống điều khiển này để tái sử dụng lại các robot này thật sự mang lại hiệu quả kinh tế lớn Các sẵn phẩm sẽ được cải thiện về chất lượng và tính thẩm mỹ cũng như tính đồng đều của loại sản phẩm Vì vậy tôi nghĩ trên đây làm một ý tưởng nhằm góp
phân mang lại lợi ích cho doanh nghiệp Việt Nam, tăng tính cạnh tranh với các sẵn phẩm
Hước ngoài.
Trang 6
2
CHƯƠNG 2 : GIGI THIEU ROBOT HAN OSACOM
vA MUC TIEU CUA DE TAI :
Robot han osacom là mẫu robot mà tôi thực hiện đê tài này Nó là một xác robot điển
hình được mua nhiễu về Việt Nam
2.1 Các đặc điểm về robot hàn osacom
- Cơ khí : robot có 5 bậc tự do với các khớp bản lễ, c
động cơ ẠC Servo
ác khâu được truyền động bằng
Trang 7
3
- Tủ điện: Gỗm 5 bộ driver (ngõ vào điều khiển áp) điều khiển 5 động cơ ÁC servo của 5 trục, mạch điều khiển trung tâm có chức năng tính các bài toán nội suy và đưa ra
các mức điện áp cho các bộ driver điều khiển các trục, một bộ nguồn cung cấp các mức
điện áp cho hệ thống điện
2.2 Mục tiêu của đề tài
Mặc dù robot được sản xuất khá lâu tuy nhiên độ chính xác của hệ thống cơ khí và độ
ổn định phân điện vẫn còn rất tốt Tuy nhiên mạch điều khiển trung tâm không có kha
năng hỗ trợ những công việc cụ thể mà như cầu tại Việt Nam đang cần như: robot không - chỉ có khả năng hàn mà có khả năng sơn ., việc thay đổi công cụ làm việc và day cho robot sẽ dễ dang thay đổi được chức năng của robot Chính tính xưa cũ của hệ thống điều khiển đã làm cho công việc can thiệp vào nó và tái sử dụng hoàn toàn hệ thống này trở
nên bất khả thi và đây chính là vấn đề cốt lõi của để tài đó chính là thiết kế một mạch
điều khiển trung tâm có khả năng thay thế được mạch cũ, giá thành chấp nhận được và
có thể thực hiện được những chức năng như đã nêu
Trang 8
4
'CHƯƠNG 3: CÁC PHƯƠNG ÁN GIẢI QUYẾT
Mỗi ý tưởng đều có những cách giải quyết riêng, mỗi cách giải quyết đâu có ưu điểm
và nhược điểm riêng Tôi cũng xin đưa ra một vài ¡ phương án giải quyết mà tôi nghĩ hoàn ` toàn thực hiện được
3 1.1 Giới thiệu card pic832
Card điều khiển PLC832 là một sản phẩm của hãng điện tử Advantech Card sử
dụng kỹ thuật phân tích vi phân số ï để thực hiện điều khiển vị trí Mỗi trục có một Chíp - điểu khiển vị trí riêng biệt, cho phép điều khiển hoàn toàn độc lập đến 3 động cơ Có mạch đồng bộ đặc biệt có khả năng thực hiện một cách đồng bộ chuyển động 3 trục
- _ Điều khiển vòng kín liên tục
- _ Giao tiếp với encoder 2 phase | tiêu chuẩn công nghiệp
- Ngõ ra analog 12 bit D/A có tâm : +10V thích hợp điều khiển driver của robot
đã chọn ˆ
- Nội suy: tuyến tính trên 3 trục
-_ Giao tiếp với máy tính qua khe ISA (Indust Standard Architecture)
3.1.2 Cấu trúc hệ thống
Trang 9- H6p diéu khién: ding để công nhân thao tác robot va day
- Card plc832 : si dung 2 card để diéu khiển cho 5 trục
- Hé thống cơ khí và driver sử dụng lại phân có sẵn của robot
3.1.4 Ưu và khuyết điểm
+ Giá thành của card PLC832 khá đắt (700USD/1Card)
+ Phải sử dụng các máy đời cũ để có được khe cắm ISA
3.2.1 Gidi thigu PLC ho A Mitsubishi va module AD75
PLC Mitsubishi ho A có nhiều tính năng mạnh mẽ Đây là loại PLC thích hợp với môi trường điểu khiển trong các xưởng máy lớn Những đặc điểm nối bật có thể nhận thấy ở loại PLC này đó là tốc độ xử lý của CPU nhanh hơn, bộ nhớ rộng hơn, khả năng kết nối mạng tốt hơn và tập lệnh được bổ sung thêm một số lệnh chuyên dùng Ngoài
ra tính module hoá cao của PLC họ A cũng là một trong những tính năng dễ nhận thấy
Trang 10
Module diéu khiển vị trí AD75 là một loại module chuyên dùng có chức năng mạnh trong việc tính toán nội suy và điều khiển vị trí được dùng nhiều trong các ứng dụng © CNC va Robot
- Máy tính : là nơi lưu trữ đữ liệu các toạ độ robot và các bài học cho robot
- _ Hộp điểu khiển : dùng để công nhân thao tác với robot va day
-_ PLC :sử dụng PLC họ A của Mitsubishi
- Module néi suy : AD75 cia Mitsubishi
- Hé théng cd khi va driver st? dung lai phần có sẵn của robot
3.2.4 Ưu và khuyết điểm
-_ Uụ điểm:
+ Đảm bảo được yêu cầu của để tài
Trang 11+ Tính linh hoạt trong ngôn ngữ lập trình cho PLC rất kém nên việc xây dựng
một chương trình lớn xem ra rất khó khăn
hơn.Vi diéu khiển đảm nhận chức năng tính toán các giá trị tốc độ và xuất cho các IC
DAC (Digital Analog Convert) đông thời đọc cdc gid tri encoder ti các trục để kiểm soát sự chuyển động các khâu của robot
Trang 12
8
- Board két néi : dé tang khodng c4c truyén dif liệu từ máy tính xuống cho board
điều khiển Kết nối 485
- Board diéu khién : sit dung cdc loại linh kiện thông dụng để thiết kế Board điều
khiển nhận đữ liệu trên máy tính về các toạ độ di chuyển từ máy tính và đưa ra các giá trị tốc độ cho từng trục và kiểm soát sự chuyển động các trục dựa vào xung của encoder đưa về từ các khớp
- _ Hệ thống cơ khí và driver sử dụng lại phần có sẵn của robot
3.3.4 Uu và khuyết điểm
- - Ưu điểm : + Đảm bảo được yêu cầu của để tài
+ Giá thành chế tạo board điều khiển rẻ hơn nhiều so với mua các thiết bị có
sẵn đã giới thiệu trong hai phướng án trước (250USD/1 Board)
+ Sử dụng các linh kiện thông dụng nhưng cao cấp nên tính ổn định cao
+ Lập trình bằng ngôn ngữ C nên tính linh hoạt cao và có thể thực hiện chương
trình phức tạp một cách khá dễ đàng
+ Dễ dàng đưa vào sản xuất hàng loạt board điểu khiển này
- - Nhược điểm : + Phân lập trình khá phức tạp
Tổng Kết : với những đặc điểm của các phương án tôi nghĩ phương án thứ 3 là phương
án khả thi nhất vì nó đã hoàn toàn giải quyết được tất cả tiêu chí đặt ra trong phân tổng
quan đề ti
Trang 13- Hệ thống cơ khí và driver : sử dụng phần có sẵn của robot Osacom
- Mạch điều khiển trung tâm và phần mềm điều khiển : lấy dữ liệu toa độ trên máy
tính, tính toán các giá trị tốc độ các trục, xuất giá trị tốc độ, đọc giá trị encoder và kiểm
soát chuyển động của robot Mạch đòi hỏi phải có tốc độ xử lý nhanh để đáp ứng được
tốc độ di chuyển của robot (tần số encoder), mạch hoạt động ổn định trong môi trường
công nghiệp và điều khiển linh hoạt
- Mạch kết nối : chuyển đổi chuẩn giao tiếp từ RS232 sang RS485 để có khả năng kết nối máy tính và robot với khoảng cách xa và độ ổn định cao
- Hộp điều khiển : dùng để công nhân thao tác với robot và dạy Kết nối mạng với mạch điều khiển trung tâm về máy tính
- Máy tính và phần mềm: chọn máy tính có cấu hình tương đối Máy tính chỉ đóng vai
trò lưu trữ dữ liệu các toạ độ chuyển động và các bài học của robot và lần lượt tải xuống cho mạch điều khiển các đữ liệu này nên cấu hình máy không cần cao Lựa chọn máy PIII tốc độ CPU 700 chạy hệ điều hành Windows XP
Trang 14
10
4,2, Giải quyết từng thành phần hệ thống
4.2.1 Hệ thống cơ khí và driver
- Hệ thống cơ khí: Robot Osacom được sản xuất năm 1985 tuy nhiên hệ thống cơ khí
còn rất tốt, độ chính xác cao Robot có 5 bậc tự do, các khâu được làm từ nhôm đúc và
được truyễn động bằng động cơ AC Servo có hồi tiếp encoder (2000 xung)
- Driver đi kèm với robot những đặc điểm: điều khiển động cơ AC Servo, điều khiển ngõ vào bằng điện áp (thay đổi tốc độ độ cơ bằng điện áp tương tự từ bên ngoài
đưa vào) Dải điện áp điêu khiển +10VDC, tự ngắt khi quá tải và quá hành trình
- Mạch điều khiển trung tâm phải đáp ứng được những yêu cầu sau:
+ Mạch ghép nối được với máy tính và hộp điều khiển (Teach pendant)
+ Tốc độ xử lý nhanh
+ Tính ổn định cao
+ Có khả năng kiểm soát chuyển động các trục của robot mạnh mẽ
+ Có thiết bị hiển thị số hỗ trợ cho người lập trình
Trang 15
- Dựa vào những tiêu chí trên tôi đã xây dựng sơ đồ khối của mạch như sau:
nộ AXI AX2 AX3 _ AX4 | ¡ AXS
+ Vi điều khiển trung tâm (master): kết nối vơi máy tính, thu nhận đữ liệu,
tính toán, chia dữ liệu cho các vi điều khiển quản lý từng trục
+ Thiết bị hiển thị số: hỗ trợ người lập trình kiểm tra các biến trong chương
trình
+ Mạch kết nối 485: chuyển đổi chuẩn kết nối từ RS232 sang RS485
+ Mạch nguồn: lấy nguồn từ bộ nguồn có sẵn trong tủ điện robot Osacom
+ Vi diéu khién té (slave): kết nối với vi diéu khiển master để nhận dữ liệu
và tín hiệu điểu khiển, xuất giá trị số để điều khiển tốc độ động cơ của trục
tương ứng trên robot, đọc giá trị encoder trả về để kiểm soát hành trình
+ Bộ biến đổi số sang tín hiệu tương tự (DAC Convert)
+ Bộ đệm ngõ vào đọc giá trị encoder và tín hiệu công tắc hành trình home
4.2.2.2 Lựa chọn linh kiện cho mạch
- Vị điều khiển(VĐK): để đảm bảo khả năng xử lý nhanh và ổn định trong môi trường công nghiệp tôi chọn họ VĐK AVR và chọn chip ATMega32 Loại VĐK này được dùng nhiều trong điều khiển tự động công nghiệp và được sử dụng làm
cách công cụ điện tử chính xác Với nhiều tính năng được kết hợp bên trong, bộ
xử lý tốc độ cao, kết hợp ram, rom ,Eeprom, Timer, ADC, PWM, VĐK này cho phép thực hiện rất nhiều ứng dụng tuỳ thuộc vào khả năng lập trình
Trang 16
12
ADE MUX & NTERFACE
COUNTER POINTER COUNTERS
INSTRUCTION CERERAL WATCHODOS hate
REGISTER?
INSTRUCTION 7 MOU CTR
DECODER 3 & TAKS
ONTROK ean NTERNAL CONTRO INTERRUPT CA RA ep
STATUS AVR CPU REG %7ER
PRODI
oS
OME
WC ERFACE
SORTS CHQITAL UNTES RACE PORTO GOAL TERRE
POSTS DS VETS BLPFERS
Trang 17
13
- Thiết bị hiển thị số: tôi chọn loại màn hình LCD có bán sẵn ở trên thị trường Với như cầu sử dụng chỉ hiện thị chữ và số tôi chọn loại LCD của Sharp 20 ký tự nhân 2 dòng sử dụng IC điều khiển HD44780 loại LCD này có giao thức điều
khiển đơn giản, có IC tự làm tươi màn hình hiển thị, tốc độ xử lý cao, hiển thị
đẹp, rõ rằng, có đèn chiếu sáng trong bóng tối, có chế độ chỉnh tương phản và
- Mạch kết nối 485: đùng IC DS75176 chuyển đổi tính hiệu từ 232 sang 485
- Bộ biến đổi DAC: Với yêu cầu khắc khe về tính ổn định của điện áp ngõ ra tôi
sử dụng IC ADDAC0800CBI Đây là IC chuyển đổi tín hiệu số sang tín hiệu tương tự chuyên dùng cho các bộ điều khiển trong robot và CNC Với ngõ vào
12bit và ngõ ra +10VDC, Giá thành 30USD cho một ]C