nghiên cứu thiết kế chế tạo hoàn thiện mô hình hệ thống điều khiển mini-cim

Công ty Các hệ thống tự ñộng và máy tính CASA The Computer and Automated Systems Association ñịnh nghĩa: CIM là một hệ thống tích hợp có khả năng cung cấp sự trợ giúp của máy tính cho tấ

-

HÀ THANH SƠN

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ

HÌNH HỆ THỐNG ðIỀU KHIỂN MINI-CIM

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Chuyên ngành: ðIỆN KHÍ HÓA NÔNG NGHIỆP VÀ NÔNG THÔN

Mã số : 60.52.54

HÀ NỘI - 2010

LỜI CÁM ƠN Trong quá trình học tập và nghiên cứu tại lớp học Cao học Cơ điện Khóa 17 chuyên ngành điện khắ hóa Nông nghiệp và Nông thôn tại trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội, tôi ựã nhận ựược sự giúp ựỡ giảng dạy nhiệt tình của các thầy cô giáo trong và ngoài trường Nhân dịp này tôi xin chân thành cám ơn tới các Giáo sư, Tiến sĩ và các thầy cô giáo Khoa Sau đại Học, Khoa Cơ điện Trường đại học Nông Nghiệp Hà Nội

Tôi xin chân thành cám ơn trường đại học Phương đông; Phòng Thắ nghiệm Cơ điện Vilas 019, Viện Cơ điện Nông Nghiệp và Công Nghệ Sau Thu Hoạch ựã tận tình hướng dẫn, giúp ựỡ tôi hoàn thành ựề tài nghiên cứu này

Với lòng biết ơn sâu sắc nhất, tôi xin chân thành cám ơn PGS.TS Trần Mạnh Hùng ựã tận tình hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn cao học này

Tôi cũng xin chân thành cám ơn các bạn bè ựồng nghiệp và gia ựình

ựã ựộng viên và giúp ựỡ tôi trong quá trình học cao học và làm luận văn thạc sỹ

Do trình ựộ và thời gian thực hiện ựề tài có hạn, không tránh khỏi những thiếu sót, rất mong tiếp nhận ựược sự ựóng góp ý kiến của các thầy

cô giáo và các bạn ựồng nghiệp ựể ựề tài ựược hoàn thiện

Tôi xin chân thành cám ơn!

Hà nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Học viên

Hà Thanh Sơn

LỜI CAM ðOAN

Tôi xin cam ñoan các thiết kế tôi làm chưa từng ñược ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác

Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm về các kết quả nghiên cứu trình bày trong luận văn

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Hà Thanh Sơn

MỤC LỤC

Trang

MỤC LỤC iii

DANH MỤC HÌNH vi

DANH MỤC BẢNG viii

MỞ đẦU 1

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 3

1.1 TỔNG QUAN VỀ CIM 3

1.1.1 Khái quát chung 3

1.1.2 Cấu trúc ựiển hình của CIM 3

1.2 ỨNG DỤNG VÀ HIỆU QUẢ CỦA CIM 7

1.2.1 Ứng dụng của CIM 7

1.2.2 Hiệu quả của CIM 8

1.3 Sự phát triển của CIM trên thế giới 9

1.4 Hướng phát triển của CIM 11

1.5 Sự phát triển của CIM ở Việt Nam 14

1.6 định hướng xây dựng mô hình MiniCIM Trường ựại học Phương đông 15

1.7 Hiện trạng mô hình MiniCIM của trường đại học Phương đông 18

1.7.1 Hiện trạng hệ thống ựiều khiển toàn bộ mô hình 18

1.7.2 Hiện trạng cánh tay robot 19

1.8 Nhiệm vụ của ựề tài: 20

1.9 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của ựề tài 21

CHƯƠNG 2: đỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 22

2.1 đối tượng nghiên cứu: 22

2.2 Phương pháp nghiên cứu 22

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm 22

2.2.2 Sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế và mô phỏng 22

2.2.3 Tiến hành thực nghiệm và ựánh giá kết quả thực nghiệm 22

2.3 Phương tiện nghiên cứu 22

2.3.1 Phần Mềm 22

2.3.1.1 ORCAD 23

2.3.1.2 PROTEUS 23

2.3.1.3 CodeVisionAVR 24

2.3.1.4 SolidWork 24

2.3.2 Dụng cụ 24

2.3.2.1 Máy tắnh 24

2.3.2.2 đồng hồ vạn năng 24

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE đIỀU KHIỂN VÀ HỆ THỐNG đIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 25

3.1 Phân tắch các phần tử của mô hình MiniCIM của trường đại Học Phương đông 25

3.2 Thiết kế chế tạo các module 26

3.2.1 Thiết kế Module phần cứng 26

3.2.1.1 Thiết kế Module ựiều khiển ựộng cơ DC 26

3.2.1.2 Thiết kế Module ựiều khiển ựộng cơ bước 32

3.2.1.3 Thiết kế Module ựiều khiển xilanh khắ nén 35

3.2.1.4 Thiết kế Module xử lý trung tâm 37

a Thiết kế Module nhận tắn hiệu vào 40

b Thiết kế Module ựưa tắn hiệu ra 41

c Thiết kế Module nhân tắn hiệu với tần số cao 42

d Thiết kế Module truyền thông RS485 43

e Thiết kế Module truyền thông SPI 44

g Thiết kế Module truyền thông PS2 45

h Hình ảnh của module ựiều khiển 46

3.2.1.5 Module xử lý tắn hiệu nút bấm 48

3.2.2 Lập trình Module phần mềm 49

3.2.2.1 Thiết kế cấu trúc chương trình 49

3.2.2.2 Lập trình Module ựiều khiển ựộng cơ bước theo tọa ựộ 53

3.2.2.3 Lập trình Module ựiều khiển ựộng cơ secvo theo tọa ựộ 56

3.2.2.4 Lập trình Module tiếp nhận sử lý tắn hiệu và chống nhiễu tại các công tắc hành trình 59

3.2.2.5 Thiết kế Module tiếp nhận truyền thông từ bàn phắm 59

3.2.3 Nhận xét về các module: 61

3.3 Thiết kế chế tạo cánh tay robot 61

3.3.1 Phân tắch kết cấu cánh tay robot 61

3.3.2 Yêu cầu tắnh năng của cánh tay robot 63

3.3.3 Xây dựng giao diện bảng ñiều khiển cánh tay Robot 64

3.3.4 Tính toán và chọn phần cứng 65

3.3.5 Xây dựng phần mềm ñiều khiển robot 66

3.3.5.1 Cấu trúc xây dựng giao diện phần mềm ñiều khiển: 66

3.3.5.2 Xây dựng giao diện phần mềm ñiều khiển bằng tay cho robot 68

3.3.5.3 Xây dựng giao diện phần mềm ñiều khiển tự ñộng cho robot 70

3.3.5.4 Xây dựng giao diện phần mềm cài ñặt hệ thống ñiều khiển robot 73

3.3.6 Kết quả chế tạo cánh tay robot 78

3.3.7 Thử nghiệm cánh tay robot 79

3.3.8 Nhận xét về cánh tay robot mới 84

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ ðỀ NGHỊ 85

4.1 Kết luận 85

4.2 ðề nghị 86

TÀI LIỆU THAM KHẢO 87

PHỤ LỤC 88

6.1 Giới thiệu vi ñiều khiển AVR [12] 88

6.2 Giới thiệu về ñộng cơ 1 chiều [6] 90

6.3 Thông số ñiện dung và ñiện cảm của tran trường IRF250P (8) 91

6.4 Thống số cơ bản của tran C945 (8) 91

6.5 Thống số cơ bản của tran A1015: (8) 92

6.6 Giới thiệu ñộng cơ bước (6) 92

6.7 Giới thiệu về IC L297 và L298 (7) 95

6.8 Thông số cơ bản của MMBT2222A: (8) 96

6.9 Thông số thời gian ñáp ứng của TLP621 (8) 96

6.10 Thông số ñặc trưng của K1254 (8) 97

6.11 Giới thiệu về giao tiếp SPI (11): 97

6.12 Lập trình ñiều khiển robot 100

DANH MỤC HÌNH

Trang

Hình 1.1: Mô hình CIM tắch hợp hệ thống phụ trợ 4

Hình 1.2: Sơ ựồ thiết kế MiniCIM của trường đH phương đông 16

Hình 1.3: Ảnh chụp tàn bộ hệ thống trước khi sửa chữa 18

Hình 1.4: Cánh tay robot trước khi sửa chữa 19

Hình 3.1: Sơ ựồ khối module ựiều khiển ựộng cơ DC 27

Hình 3.2: Nguyên lý cầu H 27

Hình 3.3: Sơ ựồ nguyên lý ựiều khiển ựộng cơ DC[10] 28

Hình 3.4: Nguyên lý ựiều khiển tran trường chất lượng cao 30

Hình 3.5: Tranzitor ựiều khiển relay 31

Hình 3.6: Module ựiều khiển ựộng cơ DC 32

Hình 3.7: Sơ ựồ khối module ựiều khiển ựộng cơ bước 33

Hình 3.8: Sơ ựồ nguyên lý ựộng cơ bước 34

Hình 3.9: Module ựiều khiển ựộng cơ bước 35

Hình 3.10: Nguyên lý ựiều khiển van khắ nén 37

Hình 3.11: Phần nguồn module ựiều khiển 40

Hình 3.12: Sơ ựồ nguyên lý của khối nhận tắn hiệu vào 41

Hình 3.13: Sơ ựồ nguyên lý ựầu ra tắn hiệu ựiều khiển 42

Hình 3.14: Sơ ựồ nguyên lý tiếp nhận tần số cao 43

Hình 3.15: Sơ ựồ nguyên lý giao tiếp RS485 44

Hình 3.16: Nguyên lý ựệm giao tiếp SPI 45

Hình 3.17: Module giao tiếp PS2 46

Hình 3.18: Lớp 2 nguyên lý module ựiều khiển 46

Hình 3.19: Lớp 1 nguyên lý module ựiều khiển 46

Hình 3.20: Module ựiều khiển trung tâm không có vỏ 47

Hình 3.21: Module ựiều khiển trung tâm 47

Hình 3.22: Module ựiều khiển trung tâm có ựóng vỏ 47

Hình 3.23: Sơ ựồ nguyên lý của module nút bấm 48

Hình 3.24: Module nút bấm 49

Hình 3.25: Sơ ựồ cấu trúc chung của chương trình theo trình tự chắp 50

Hình 3.26: Sơ ựồ cấu trúc chung của chương trình 51

Hình 3.28: Sơ ñồ khối module lập trình ñộng cơ bước 54

Hình 3.29: Lưu ñồ thuật toán ñiều khiển tọa ñộ và tốc ñộ ñộng cơ bước 55

Hình 3.30: Giải thuật nhận biết tọa ñộ 58

Hình 3.31: Lưu ñồ thuật toán ñiều khiển ñộng cơ DC_Secvol theo tọa ñộ 58

Hình 3.32: toàn bộ cánh tay robot 62

Hình 3.33: Giao diện ñiều khiển 65

Hình 3.35: Lưu ñồ thuật toán thực hiện lệnh của robot 71

Hình 3.36: Bản ñiều khiển cánh tay robot 78

Hình 3.37: Ảnh toàn bộ cánh tay robot 79

DANH MỤC BẢNG

Trang

Bảng 3.1: Trạng thái ñộng cơ DC 29

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của IRFP250 30

Bảng 3.3 trạng thái tín hiệu ở 2 kênh A,B 57

Bảng 3.4 Kết quả thử nghiệm ño tọa ñộ ñiểm ñến thực của encoder 81

Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm ðộ dài dây cung và góc quay của Robot 83

Bảng 3.6 So sánh tính năng robot mới với robot cũ 84

MỞ ðẦU

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học & cơng nghệ, cùng với những diễn biến phức tạp của cuộc cạnh tranh thị trường hàng hĩa thế giới, CIM đĩng vai trị rất quan trọng đối với sự phát triển nền kinh tế của xã hội CIM được hiểu là một khái niệm dùng để chỉ phương thức sản xuất tiên tiến dựa trên những thành tựu của cơng nghệ thơng tin

Hệ thống CIM, cĩ khả năng trợ giúp bằng máy tính cho tất cả các khâu sản xuất và thương mại của một chu trình sản xuất hàng hĩa CIM tiếp nhận đơn đặt hàng, thiết kế và sản xuất, lập kế hoạch sản xuất, xây dựng quy trình cơng nghệ, quản lý thơng tin dữ liệu (bao gồm thu thập, lưu trữ và truy xuất

dữ liệu), điều khiển robot, kiểm sốt chất lượng sản phẩm, cho đến khâu cung cấp, phân phối sản phẩm của một nhà máy Như vậy CIM cho phép thiết lập nên một hệ thống sản xuất tồn cầu cĩ khả năng đáp ứng nhanh nhất nhu cầu của thị trường, đạt được hiệu quả kinh tế cao, ứng dụng nhanh chĩng các sáng kiến và các cơng nghệ mới vào sản xuất

Hiện nay, việc ứng dụng hệ thống CIM đã mang lại nguồn lợi khổng lồ cho các tập đồn sản xuất lớn trên thế giới như MICROSOFT, SAMSUNG,

HP, TOSHIBA, …

Nhiều nhà chiến lược kinh tế thế giới đã nhận định rằng CIM chính là hướng phát triển tất yếu của sản xuất hiện nay Tuy nhiên để áp dụng CIM vào sản xuất cũng gặp rất nhiều khĩ khăn, đặc biệt là đối với nền sản xuất cịn yếu như Việt Nam ðể áp dụng được CIM vào sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, đĩ là khả năng tài chính của nhà sản xuất, năng lực của người lao động, năng lực quản lý, khả năng tiếp cận với cơng nghệ mới tựu chung

là 2 yếu tố chính: Tài chính và con người cĩ tri thức cao

Ở Việt Nam, hiện nay CIM cịn là khái niệm khá mới mẻ Hầu như chưa thấy ứng dụng của hệ thống CIM trong sản xuất Tuy nhiên trước trào lưu phát triển mạnh mẽ của kinh tế thế giới Hơn thế nữa là thời hạn gia nhập

WTO ngày càng ựến gần thì yêu cầu ựào tạo nguồn nhân lực có tri thức cao

có thể thắch ứng ựược với nền sản xuất công nghiệp hiện ựại càng trở lên cấp bách

Công tác ựào tạo nguồn nhân lực cao trong các trường ựại học và cao ựẳng không chỉ chú trọng kiến thức lý thuyết mà phải ựặc biệt chú trọng ựến thực hành Các bài giảng cần ựựơc thể hiện bằng mô hình thực tế, bằng trực quan sinh ựộng Tạo ựiều kiện cho sinh viên dễ dàng hơn trong việc tiếp cận với nền sản xuất tiên tiến Giúp cho họ có thể nắm bắt kịp thời với nền khoa học kỹ thuật hiện ựại của các nước trong khu vực cũng như trên thế giới Tuy nhiên, trong ựiều kiện kinh tế của nước ta hiện nay còn nhiều khó khăn, nhập thiết bị - học cụ của nước ngoài phải chịu giá rất cao, cho nên việc trang bị hàng loạt các máy móc công cụ hiện ựại phục vụ tất cả các trường ựại học, cao ựẳng và dạy nghề trong cả nước thì không phải dễ dàng

để giải quyết bất cập trên, năm 2008 tại trường đại học Phương đông

ựã bắt ựầu tiếp cận hệ thống CIM, xây dựng mô hình hệ thống MINI CIM phục vụ cho ựào tạo Tuy nhiên mô hình con nhiều thiều sót như ựộ chắnh xác thấp, dễ hỏng hóc khi vận hành, ắt chức năng Do vậy tiến hành ựề tài

ỘNGHIÊN CỨU THIẾT KẾ CHẾ TẠO HOÀN THIỆN MÔ HÌNH HỆ THỐNG đIỀU KHIỂN MINI Ờ CIMỢ ựã có của trường đại học Phương đông, nhằm

góp phần phục vụ hiệu quả cho công tác giảng dạy của trường và ựáp ứng nhu cầu chung cho các trường kỹ thuật chuyên ngành liên quan trong cả nước Là việc làm có ý nghĩa khoa học và thực tiễn

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 TỔNG QUAN VỀ CIM

1.1.1 Khái quát chung

CIM (Computerize Integrate Manufacturing) là hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính Hiện nay có rất nhiều quan niệm khác nhau

về CIM tùy vào mục ñích sử dụng

Công ty Các hệ thống tự ñộng và máy tính CASA (The Computer and Automated Systems Association) ñịnh nghĩa: CIM là một hệ thống tích hợp

có khả năng cung cấp sự trợ giúp của máy tính cho tất cả các chức năng thương mại, bao gồm các hoạt ñộng từ khâu tiếp nhận ñơn ñặt hàng cho ñến cung cấp sản phẩm của một nhà máy sản xuất

Công ty máy tính của MỸ IBM cho rằng: CIM là một ứng dụng, có khả năng cung cấp cơ sở nhận thức cho việc tích hợp dòng thông tin của thiết kế sản phẩm, của kế hoạch sản xuất, của việc thiết lập và ñiều khiển các nguyên công

Hãng SIEMENS của ðức lại cho rằng: CIM không phải là một sản phẩm hoàn thiện mà là một chiến lược và là một khái niệm ñể ñạt các mục ñích thị trường của một nhà máy

Từ ñiển của công nghệ tiên tiến AMT ñịnh nghĩa: CIM là một nhà máy

tự ñộng hóa toàn phần, nơi mà tất cả các quá trình sản xuất ñược tích hợp và ñược ñiều khiển của máy tính

1.1.2 Cấu trúc ñiển hình của CIM

CIM là một công nghệ tiên tiến ñể quản lý công ty sản xuất thông qua dòng thông tin Công nghệ thông tin là một công cụ tích hợp rất mạnh và là

cơ sở hạ tầng ñể ñạt mục ñích trong một xí nghiệp tích hợp Trong thế giới hiện nay, công nghệ thông tin ñóng vai trò quyết ñịnh trong quản lý xí nghiệp ðồng thời sự phát triển của các tiêu chuẩn liên kết ñã có ảnh hưởng lớn ñến CIM và ñã mở ñường cho việc tích hợp hóa

Các công nghệ tắch hợp trong CIM rất ựa dạng và bao gồm nhiều lĩnh vực công nghệ phức tạp khác nhau Tuy nhiên ở ựây chỉ ựề cập ựến một số công nghệ tiên tiến của CIM [1]

Hình 1.1: Mô hình CIM tắch hợp hệ thống phụ trợ

Tự ựộng hóa văn phòng: đó là việc tự ựộng hóa các quá trình của văn

phòng bằng các công nghệ thắch hợp Nó có thể ựược xem như một máy tắnh

mà từ ựó hầu hết các tài liệu văn phòng ựược truyền ựi các mạng ựể nối kết tất

cả các thiết bị sản xuất và các công nghệ của một công ty nào ựó bằng các hệ thống thông tin quản lý Tự ựộng hóa văn phòng cho phép: Tạo ra nhiều thông tin thương mại; Quay vòng nhanh các tư liệu thương mại; Giảm sai số trong quản lý; Giảm mặt bằng làm việc; Phục vụ khách hàng tốt hơn; Khả năng ra quyết ựịnh tốt hơn; Giảm số nhân viên văn phòng; Nâng cao trình ựộ của nhân viên văn phòng

Thiết kế có sự trợ giúp của máy tắnh CAD: Rất quan trong trong CIM

có rất nhiều lợi ắch ựi liền với CAD như: Nâng cao năng suất và giảm thời gian thiết kế sản phẩm; Giảm thời gian thiết kế dụng cụ và ựồ gá ựược 12 ọ

25%; Nâng cao chất lượng thiết kế, do ựó nâng cao ựược chất lượng sản

phẩm; Tạo ra ựược tài liệu có chất lượng cao; Loại trừ ựược các công việc lặp lại; Tiết kiệm thời gian và giảm giá thành khi chế tạo sản phẩm mới; Tiêu chuẩn hóa tốt hơn; Hoàn thiện giao diện giữa thiết kế và sản xuất; Giảm thời gian trả lời kết quả ựấu thầu [1]

Máy ựiều khiển số CNC: cho phép gia công chi tiết theo một chương

trình lập sẵn cho mọi kắch thước mong muốn và theo một quy trình công nghệ

ựã lập sẵn Các máy CNC cho phép loại trừ ảnh hưởng của công nhân và nâng cao chất lượng sản phẩm Các máy CNC ựược sử dụng cho nhiều mục ựắch khác nhau như: Gia công, làm sạch, ựánh bóng, kiểm tra, nén ép, rèn hoặc dập

quy trình gia công trên máy tắnh Kết hợp với CAM cũng như các phần tử CNC và cơ sở dữ liệu giúp cho việc lập chương trình gia công và thay ựổi chương trình gia công trở lên nhanh chóng Ưu ựiểm của hệ thống CAM là :Tăng năng suất lao ựộng; Nâng cao chất lượng sản phẩm; Giảm diện tắch sản xuất; đáp ứng nhu cầu của khách hàng nhanh hơn; Cải thiện ựiều kiện làm việc của công nhân và loại trừ những ựiều kiện làm việc nguy hiểm

Kiểm tra chất lượng có sự trợ giúp của máy tắnh: Bao gồm quá trình

giám sát và quá trình ựo kiểm tra sản phẩm Hệ thống kiểm tra chất lượng có

sự trợ giúp của máy tắnh CAQC (Computer Aided Quality Control) cho phép: Giảm thời gian giám sát quá trình sản xuất; Giảm chi phắ gián tiếp cho các giám sát viên; Giảm chi phắ tương ựối ựể ựạt chất lượng sản phẩm xuống 50 ọ 90%; Nâng cao chất lượng sản phẩm; Giảm công việc lặp lại trong quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm; Cải thiện ựiều kiện làm việc.[1]

Hệ thống bảo quản và tìm kiếm tự ựộng: Là hệ thống xử lý vật liệu ựể

cấp phát chi tiết cho các khu vực và tìm kiểm chi tiết từ các khu vực Hệ thống bảo quản và tìm kiếm tự ựộng cho phép; Kiểm tra vật liệu bằng máy tắnh, xác ựịnh trạng thái và vị trắ của vật liệu Thông qua mạng ựể ựiều khiển

các hệ thống phụ trợ và CIM; Giảm phế phẩm gia công; Loại trừ quá trình xử

lý lặp lại ñối với vật liệu; Tăng năng suất lao ñộng; Giảm thời gian lắp ráp (khoảng 25%)

Công nghệ nhóm: Là cách thức sản xuất theo nhóm tùy thuộc vào ñặc

tính của quy trình công nghệ Việc ghép các nhóm làm việc với nhau theo quy trình công nghệ sẽ ñem lại những kết quả khả quan: Hoàn thiện khâu thiết kế

và tăng tính tiêu chuẩn hóa của thiết kế Giảm khối lượng công việc trong khâu xử lý vật liệu Giảm 20% ÷ 80% thời gian sản xuất Giảm 15% ÷ 20% khối lượng lao ñộng Giảm 20% ÷ 30% chi phí dụng cụ cắt Giảm 20% ÷ 60% thời gian chuẩn bị sản xuất Giảm 15% ÷ 30% thời gian ñặt hàng và cấp hàng ðơn giản hóa việc lập quy trình sản xuất và rút ngắn chu kỳ sản xuất Hoàn thiện quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm Khả năng thích ứng nhanh với thị trường, do ñó giảm ñược thời gian ñặt hàng và thời gian cấp hàng Tăng cường sự hợp tác giữa các tổ chức của công ty Nâng cao năng suất lao ñộng Giảm 15% ÷ 70% phế liệu sản xuất

Lập quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính: CAPP

(Computer Aided Process Planning) là xác ñịnh thứ tự nguyên công với nhiều thông số công nghệ ñể chế tạo hoặc ñể lắp ráp CAPP cho phép lập ñược quy trình mới ñể gia công chi tiết, thay ñổi quy trình ñang ñược ứng dụng ñể có quy trình mới tiên tiến hơn hoặc ñể thực hiện các công việc lập chương trình nào ñó một cách nhanh chóng và thuận tiện CAPP cho phép: Giảm thời gian thiết kế sản phẩm mới; Giảm chi phí cho việc tiếp nhận chi tiết mới; Giảm thời gian thiết kế dụng cụ cắt; Tăng khả năng khai thác hệ thống CIM; Giảm thời gian lập quy trình công nghệ; Giảm số lượng dụng cụ cắt bị hỏng [1]

Tế bào gia công: CM (Cellular Manufacturing) là thiết bị sản xuất

thường dùng ñể chế tạo các chủng loại chi tiết khác nhau Công nghệ nhóm trong quy trình sản xuất ñã tạo ra CM Hệ thống sản xuất của một công ty ñược tổ chức thành các tế bào gia công Các tế bào gia công bao gồm: Máy

gia công và các quy trình ñể chế tạo một loại chi tiết nào ñó Tế bào gia công cho phép: Giảm ñáng kể thời gian gia công chi tiết; Giảm 20 ÷ 30% khối lượng lao ñộng; Giảm 15 ÷ 30% chi phí cho thiết kế xỹ thuật; Giảm thời gian chuẩn bị sản xuất; ðạt hiệu quả cao trong xử lý vật liệu; Nâng cao chất lượng sản phẩm; ðơn giản hóa việc lập quy trình công nghệ chế tạo và quy trình kiểm tra

Robot: Các lợi ích mà robot ñem lại: Tăng năng suất lao ñộng; Nâng

cao chất lượng sản phẩm; Giảm phế liệu và chi phí cho những công việc lặp lại; Giảm chi phí cho nguyên công kiểm tra chất lượng sản phẩm; Giảm chi phí lao ñộng trực tiếp; Có khả năng thực hiện nhiều nguyên công khác nhau

Hệ thống FMS: FMS ñược coi là phiên bản ñầu tiên của CIM, ứng

dụng hệ thống FMS cho phép: Tăng tính linh hoạt khi gia công các loại chi tiết khác nhau; Xử lý nhiều loại vật liệu khác nhau; Hệ thống sản xuất tiếp tục hoạt ñộng khi có một máy ngưng hoạt ñộng; Hoàn thiện sức lao ñộng của con người; Hoàn thiện quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm; Giảm 50% giá thành sản xuất; Giảm 30% chi phí cho dụng cụ cắt; Giảm 50 ÷ 90% khối lượng lao ñộng; Tăng hệ số sử dụng máy; Nâng cao chất lượng sản phẩm; Giảm phế liệu; Giảm 42% diện tích mặt bằng sản xuất; Nâng cao năng suất lao ñộng tới 200 ÷ 350%

1.2 ỨNG DỤNG VÀ HIỆU QUẢ CỦA CIM

1.2.1 Ứng dụng của CIM

CIM là một vấn ñề không ñơn giản nó không chỉ phụ thuộc vào khả năng tài chính của công ty mà còn phụ thuộc vào ñội ngũ nhân lực của công ty ñó việc ứng dụng một hệ thống CIM vào sản xuất của một công ty phải ñược xem xét một cách kỹ lưỡng Thực tế khi mà sản xuất phát triển, nhu cầu của khách hàng thay ñổi thường xuyên và không ngừng nâng cao, sự cạnh tranh mạnh

mẽ của nhiều công ty trên phạm vi toàn cầu thì yêu cầu ứng dụng một hệ

thống CIM cho sản xuất là rất cần thiết Trong hệ thống CIM chức năng thiết

kế và chế tạo ñược gắn kết với nhau cho phép khép kín chu trình chế tạo sản phẩm và tạo ra sản phẩm một cách nhanh chóng bằng các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả Với hệ thống CIM, nó có khả năng cung cấp sự trợ giúp máy tính cho tất cả các chức năng thương mại gồm các hoạt ñộng từ khâu tiếp nhận ñơn ñặt hàng cho ñến cung cấp, phân phối sản phẩm của một nhà máy

lắp ráp, gia công, sơn phủ ñánh bóng, gia công hàn, kiểm soát chất lượng sản phẩm, ñóng gói, vận chuyển và phân phát hàng hoá

giúp máy tính (CAD/CAM) Lập kế hoạch sản xuất và quy trình công nhgệ có trợ giúp của máy tính (Computer Aided Process Planning/Computer Aided Engineering) (CAPP/ CAE)

CIM bao gồm mạng và các hệ thống: các phần cứng và phần mềm truyền thông trong nhà máy, quản lý thông tin dữ liệu bao gồm cả việc thu thập, lưu trữ và truy xuất dữ liệu

CIM tham gia vào việc cải thiện không ngừng các quá trình sản xuất: lập kế hoạch và kiểm soát nguyên liệu ñầu vào, các hệ thống theo dõi và kiểm soát chất lượng, các kỹ thuật và phương pháp thanh tra giám sát như lập kế hoạch và quản lý nguồn lực sản xuất, lập kế hoạch và quản lý của công ty, kiểm tra chất lượng toàn bộ và phương thức sản xuất ñáp ứng kịp thời sự thay ñổi nhanh chóng của các chủng loại sản phẩm

1.2.2 Hiệu quả của CIM

Hệ thống CIM có thể tạo ra lợi nhuận vững chắc cho người sử dụng hơn là các hệ thống sản xuất thông thường khác CIM cho phép một nhà máy sản xuất thích ứng nhanh chóng với sự thay ñổi của thị trường và cung cấp các hướng phát triển cơ bản của sản phẩm trong tương lai Với sự trợ giúp của các máy tính trong CIM, các hoạt ñộng phân ñoạn của quá trình sản xuất ñược

tích hợp thành một hệ thống sản xuất thống nhất, hoạt ñộng trôi chảy với sự giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất ñồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm Trong hệ thống CIM cho phép sử dụng tối ưu các thiết bị, nâng cao năng suất lao ñộng, luôn ứng dụng các công nghệ tiên tiến và giảm thiểu sai

số gây ra bởi con người, kinh nghiệm sử dụng CIM cho thấy những lợi ích ñiển hình sau ñây: Nhanh chóng cho ra ñời sản phẩm mới kể từ lúc nhận ñơn ñặt hang; Giảm 15- 30% giá thành thiết kế; Giảm 30- 60% thời gian chế tạo chi tiết; Tăng năng suất lao ñộng lên tới 40- 70%; Nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm ñược 20- 50% phế phẩm; Quản lý vật tư hàng hoá sát thực tế hơn; Tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm và ñáp ứng nhu cầu thị trường; Hoàn thiện ñược phương pháp thiết kế sản phẩm, ví dụ: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với máy tính cho phép thực hiện phép tính nhanh hơn

30 lần so với các phương pháp thông thường khác cho nhiều phương án thiết

kế khác nhau

1.3 Sự phát triển của CIM trên thế giới

sự phát triển của công cụ xử lý lập trình tự ñộng ñã mở ñầu cho sự xuất hiện của CAM CAD bắt ñầu xuất hiện vào khoảng năm 1960 với công nghệ thiết

kế cao nhờ có sự trợ giúp của máy tính Với sự xuất hiện của vi mạch vào ñầu những năm 1970, máy tính ñược ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực của sản suất [1]

1973 Mặc dù khái niệm về CIM của ông chưa ñược hoàn chỉnh, ngày nay danh từ CIM ñã trở nên rất quen thuộc trong cách nói về sản xuất CIM ñã trở thành chiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua các máy tính hoặc các bộ xử lý tự ñộng.[1]

kế hoạch phát triển ở tầm vĩ mô của công ty Sự tích hợp có hiệu quả ñòi hỏi

kiến thức chuyên sâu về tất cả các quá trình công nghệ và hiệu biết sâu sắc về tất cả các thiết bị sản xuất của công ty ðể cho việc ứng dụng CIM có hiệu quả thì việc tích hợp các công nghệ tiên tiến AMT phải ñược thực hịên thông qua các máy tính Máy tính chỉ hoạt ñộng như các toạ ñộ phụ cho công nghệ Tuy nhiên, không có máy tính thì việc tích hợp sẽ không có hiệu quả

sự trợ giúp của máy tính của lực lượng không quân AFCAM Chương trình này cho phép tiếp cận tốt hơn ñối với công nghệ sản xuất Nhờ kết quả ñó mà sản xuất có sự trợ giúp của máy tính tích hợp ICAM ñã ñược xây dựng vào năm 1976 tại phòng thí nghiệm vật liệu của không quân Hoa Kỳ dưới sự chỉ ñạo của Uỷ ban kỹ thuật và Viện hàn lâm Quốc gia NAEC về sản xuất có sự trợ giúp của máy tính CAM Sau khi bỏ chương trình ICAM vào năm 1985, không quân Hoa Kỳ bắt ñầu xây dựng chương trình CIM

sản xuất SME ñã ñược thành lập vào năm 1975 ñể tập chung kiến thức trong lĩnh vực máy tính và tự ñộng hoá cho sự phát triển của sản xuất Là một hội khoa học và ñào tạo, CASA/SME ñã truyền bá khái niệm về CIM tới ñông ñảo quần chúng và ñã xây dựng vòng tròn CIM nhằm cung cấp cho công nghiệp sản xuất một cái nhìn ñúng ñắn về CIM Hội ñồng kỹ thuật của CASA/SME ñã thống nhất 5 vấn ñề cơ bản của vòng tròn CIM như sau: Quản

lý sản xuất và nguồn nhân lực, sản xuất và quá trình, lập kế hoạch sản xuất và kiểm tra, nhà máy tự ñộng hoá và quản lý nguồn thông tin Vòng tròn CIM

mô tả khía cạnh tích hợp của CIM ñối với quan ñiểm về quản lý sản xuất

CIM có những ưu ñiểm sau ñây:

- Tính linh hoạt của sản phẩm, sản lượng và vật liệu

- Nâng cao năng suất và chất lượng của gia công

- Hoàn thiện giao diện giữa thiết kế và sản xuất

- Giảm lao ñộng trực tiếp và gián tiếp

- Thiết kế có năng suất và ñộ chính xác cao

- Tiêu chuẩn hoá cao và sử dụng vật liệu hợp lý

- Tiết kiệm thời gian và mặt bằng sản xuất

- Tạo cơ sở dữ liệu chung ñể loại trừ các bộ phận chứa dữ liệu ñộc lập

- Loại trừ các công việc lặp lại không cần thiết

- Giảm thời gian giám sát sản xuất và số cán bộ thực hiện công việc này

- Có ưu ñiểm cạnh tranh với các ñối thủ cạnh tranh

ñược ý tưởng thực tế, tuy nhiên với công nghệ ngày nay thì CIM ñạt ñược mục ñích không mấy khó khăn Tương lai của kỹ thuật là ứng dụng CIM với táo ñộng của trí tuệ Sản xuất trí tuệ là con ñường của tương lai Vì vậy, công nghệ sản xuất các hệ thống CIM sẽ bao gồm trí tuệ ñể giúp ñỡ các nhà máy chế tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao, giá thành hạ

1.4 Hướng phát triển của CIM

trên phạm vi toàn cầu ñể giải quyết tất cả các vấn ñề từ sản xuất ñến phân

phối sản phẩm [1]

Ngày nay ñã có nhiều sự liên kết toàn cầu trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp Do dó, nhà máy ảo ñã ñược ñịnh nghĩa như một mạng liên kết toàn cầu và chỉ có nhà máy ảo mới ñảm bảo ñược sự cạnh tranh và thị trường toàn cầu Từ khái niệm nhà máy ảo người ta ñưa ra khái niệm về CIM ảo Nghiên cứu về CIM ảo và ứng dụng nó trên phạm vi toàn cầu ñã trở nên bức thiết Ứng dụng CIM ảo là một bước tiến quan trọng trong sản xuất tương lai ñã ñược Lin (năm 1977) khởi xướng Tuy nhiên, vào thời ñiểm dó cũng rất nhiều công trình về nhà máy ảo của Makatsoris và Besant ñược công bố CIM ảo có thể thích ứng với sản xuất và phân bố toàn cầu.[1]

Trung tâm nghiên cứu công nghệ sản xuất tiên tiến của trường ðại học tổng hợp nam Australia ñã ñưa ra khái niệm về vòng tròn CIM ảo Vòng tròn CIM ảo này mô tả các ñiều kiện thị trường toàn cầu

nhà sản xuất SME (Society of Manufacturing Engineers) phát triển và nó ñã ñược giải thích như sau (Giải thích bắt ñầu từ vòng tròn ngoài cùng)

cầu, sự quan tâm môi trường, hàng hoá thoả mãn nhu cầu của khách hàng, chu kỳ chế tạo sản phẩm ngắn, yêu cầu sáng tạo sản phẩm và trả lời nhanh

thống sản xuất toàn cầu và những hoạch ñịnh sản xuất mang tính chiến lược

sản xuất, sự lên kết của các công nghệ tiên tiến, sự chuyên môn hóa và phân phối riêng biệt nhưng ñược quản lý chung

thời sự cần thiết phải phân chia dữ liệu giữa các hệ thống

toàn cầu thông qua cấu trúc tích hợp

công nghiệp sản xuất, nhiều nhà nghiên cứu ñã tìm ra những giải pháp ñể ứng dụng CIM ðây là một số hướng nghiên cứu về CIM :Hợp lý hoá CIM và chiến lược quản lý CIM; Nhà máy tích hợp cho CIM và danh giới ñịa lý; Mạng liên kết của CIM; Công cụ và công nghệ tiên tiến cho việc ứng dụng CIM; Mô hình hệ thống sản xuất; Ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI (Artifical Intelligence) như Fuzzy logic, mạng notron ñể tích hợp trí tuệ toàn phần các

hệ thống sản xuất

Chỉ tiêu “hợp lý hoá và chiến lược quả lý CIM” ñược nghiên cứu theo chiều hướng: các nghiên cứu ñều tập chung và việc ñảm bảo cho nhà quản lý các nguyên tắc ứng dụng CIM trong môi trường sản xuất của mình

cứu theo cáu trúc và mô hình hoá của nhà máy tích hợp, theo hợp tác CAD/CAM toàn cầu thông qua các hệ thống phụ trợ của CIM

vi rộng và Internet cho CIM, tăng cường thông tin bằng dữ liệu tích hợp mối quan hệ giữa khách hàng và nhà sản xuất, các dữ liệu quản lý trong các hệ thống CIM

nghiên cứu vể robot, tự ñộng hoá và sản xuất trí tuệ

mô hình thông tin với các mô hình chức năng của CIM, mô hình mô phỏng tích hợp của CIM và các hệ thống thiết kế của CIM

ứng dụng các mạng notron trong tự ñộng hoá sản xuất, hệ thống hoạch ñịnh trí tuệ và các mô hình thích nghi của CIM

CIM, sự phát triển của hệ thống thông tin quản lý ñã thúc ñẩy việc ứng dụng

hệ thống trợ giúp ra quyểt ñịnh DSS trong môi trường ra quyết ñịnh theo nhóm Hơn nữa, sư thay ñổi nhanh chóng của công nghệ và tri thức ñã tác ñộng ñến các mô hình tĩnh và lạc hậu của xí nghiệp Vì vậy, ñể hợp lý hoá và tối ưu hoá ñầu tư cho nhà máy ảo cần có hệ thống trợ giúp ra quyết ñịnh theo nhóm GDSS (Group Decision Support Systems) [1]

Hệ thống GDSS cho phép tính hiệu quả các công nghệ tiên tiến AMT trong cơ cấu tổ chức toàn cầu ðồng thời hệ thống GDSS giúp các nhà ra quyết ñịnh phân tích hiệu quả ñầu tư của một công ty hay xí nghiệp nào ñó

toàn cầu với nhiều nhà máy, xí nghiệp ñược phân bố trên các vùng lãnh thổ khác nhau

mục ñích phát triển CIM Các hướng nghiên cứu ñó là: Nghiên cứu về nhà máy tích hợp của CIM; Nghiên cứu về mạng liên kết và Internet của CIM; Nghiên cứu về robot và tự ñộng hoá ñể ứng dụng vào CIM; Nghiên cứu về hợp lý hoá và tối ưu hóa CIM; Nghiên cứu khả năng ứng dụng của CIM ảo và sản xuất trí tuệ

1.5 Sự phát triển của CIM ở Việt Nam

Manufacturing Systemp) & CIM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong ñó hai yếu tố: Lực lượng lao ñộng có trình ñộ chuyên môn cao và nguồn tài chính ñóng vai trò quan trọng nhất FMS & CIM là những hệ thống sản xuất có mứu ñộ

tự ñộng hoá cao, chúng ñã và ñang ñược ứng dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển Tuy ở Việt Nam sản xuất tự ñộng hoá mới chỉ ở giai ñoạn ñầu của sự phát triển, nhưng ñể hoàn thành quá trình công nghiệp hoá và hiện ñại hoá ñất nước thì việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các hệ thống FMS & CIM ñã và ñang ñược quan tâm ñặc biệt

như chưa thấy sự ứng dụng của hệ thống CIM trong sản xuất mà chỉ có rất ít các hệ thống Mini CIM ñược sử dụng ñào tạo tại một số trường ðại học về kỹ thuật Tiêu biểu là hệ thống Mini CIM của trường ðại học Bách Khoa Hà nội

gia nhập WTO, các hệ thống sản xuất tự ñộng toàn phần ñang phát triển

nhanh chóng và trong tương lai CIM sẽ ựược ứng dụng vào sản xuất để bắt kịp với sự phát triển nhanh chóng của nền công nghiệp thế giới, việc ựào tạo

ra một ựội ngũ cán bộ vận hành và quản lý có kiến thức về CIM là rất quan trọng Vì vậy việc giảng dạy về FMS & CIM ựang ựược ựặc biệt chú trọng tại các trường ựại học kỹ thuật của Việt Nam

1.6 định hướng xây dựng mô hình MiniCIM Trường ựại học Phương đông

Các công nghệ tắch hợp trong CIM rất ựa dạng và chúng bao gồm nhiều lĩnh vực khác nhau Nhưng trong giới hạn mô hình học cụ của nhà trường chưa ựủ ựiều kiện xây dựng ựược một cách toàn diện và chưa thể hiện hết lý tưởng của CIM Tuy nhiên mô hình ban ựầu của trường ựại học Phương đông

ựã giới thiệu ựược tổng quát hình ảnh thu nhỏ của hệ thống CIM, giúp cho sinh viên có ựược nhận thức ban ựầu về hệ thống sản xuất hiện ựại Mô hình này còn rất nhiều thiếu sót cần ựược cải tiến

để có cái nhìn toàn diện về quá trình thiết kế mô hình MINI CIM phục

vụ cho ựào tạo ựề tài ựã ựề xuất sơ ựồ thiết kế MINI CIM tại trường đại học Phương đông như hình 1.2.để phát triển mô hình MiniCIM này cần phải có hiểu biết tốt và ựầu tư rất nhiều thời gian, công sức, kinh phắẦ

Sơ ựồ phát triển MINI CIM cũng cho thấy mô hình có hai phần chắnh là: (1) Hệ thống phần mềm hỗ trợ ựiều hành: Bao gồm các phần mềm về CAD, CAM Các phần mềm về quản lý thống kê Các phần mềm về giám sát, kiểm tra, cảnh báo

(2) Hệ thống máy mô hình bao gồm 4 phần tử máy: CNC, cánh tay Robot, băng tải vận chuyển và phân loại, lắp ráp xếp và quản lý kho

Hình 1.2: Sơ ựồ thiết kế MiniCIM của trường đH phương đông

Trong khuôn khổ của luận văn cao học thì phần Hệ thống phần mềm hỗ trợ và ựiều hành, chọn giải pháp chọn sử dụng các phần mềm chuyên ngành

có trên thị trường, trên cơ sở phát triển ứng dụng hệ thống

Như vậy trong nội dung luận văn cao học, tôi chỉ tập trung vào phần (2)

là thiết kế nâng cấp hệ thống ựiều khiển của các phần tử máy mô hình

Trình tự thiết kế mô hình MiniCIM như sau:

Giai ựoạn 1: Xây dựng phần cứng là các phần tử máy của mô hình MINI CIM

Như sơ ựồ của mô hình cho thấy các phần tử máy của mô hình MINI CIM bao gồm:

phôi cho máy và có thể thực hiện ựược các công ựoạn lắp rápẦ

Ớ Phần tử vận chuyển và phân loại: Là phần tử giúp vận chuyển và phân loại các phôi vật liệu cho quá trình gia công

Việc thiết kế phần cứng liên quan ựến 2 chuyên ngành chắnh là Cơ ựiện tử và Tự ựộng hóa đây là lĩnh vực mà tôi và các ựồng nghiệp thuộc khoa điện Ờ điện tử của trường đại học Phương đông chúng tôi ựang nghiên cứu Chúng tôi nhận thấy rằng hoàn toàn có ựủ khả năng tiến hành nội dung này Chắnh vì vậy tôi ựã xác ựịnh phạm vi nghiên cứu của ựề tài là chỉ tập trung nghiên cứu thiết kế hoàn thiện hệ thống ựiều khiển các phần tử máy mô hình của MINI CIM

Giai ựoạn 2: Thiết kế hệ thống phần mềm hỗ trợ ựiều hành

Việc thiết kế phần mềm hỗ trợ ựiều hành là một vấn ựề rất lớn, viết phần mềm cho hệ thống hỗ trợ ựiều hành là ựiều rất khó khăn

để giải quyết ựược vấn ựề này chúng ta không nên viết từ ựầu các phần mềm ứng dụng cho hệ thống mô hình Vì các phần mềm này ựòi hỏi chất xám rất lớn, cần có cả một hệ thống lớn lập trình viên mới viết ựược, tốn nhiều thời gian, công sức, kèm theo ựó là không hiệu quả Chắnh vì vậy giải pháp tôi ựưa ra với phần mềm hỗ trợ ựiều hành và ứng dụng cho mô hình này là sử dụng các phần mềm của các hãng phần mềm lớn trên thị trường như:

Master CAMẦ

hãng Microsoft như Excel và phần mềm của hãng khácẦ

Vậy với giải pháp phần mềm tôi sử dụng các phần mềm có sẵn trên thị trường, chỉ cần lập trình kết nối các phần mềm với nhau và lúc này có thể cá nhân có thể viết ựược những chương trình kết nối

1.7 Hiện trạng mô hình MiniCIM của trường đại học Phương đông

Năm 2008 nhóm nhiên cứu của trường đại học Phương đông ựã bắt ựầu tiếp cận với CIM, và ựã tiến hành nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình MiniCIM phục vụ cho ựào tạo Mô hình ựã thành công bước ựầu, nhưng còn rất nhiều thiếu sót cần phải hoàn thiện thêm

Hình 1.3: Ảnh chụp tàn bộ hệ thống trước khi sửa chữa

Mô hình có tắnh năng mô phỏng một công ựoạn của một nhà máy sản xuất tự ựộng hoàn toàn với các khâu cấp phôi, vận chuyển, gia công và lưu kho

1.7.1 Hiện trạng hệ thống ựiều khiển toàn bộ mô hình

Hiện nay mô hình ựã hoạt ựộng nhưng rất hay có hỏng hóc sự cố Hệ thống ựiều khiển còn tồn tại những vấn ựề lớn sau:

* Hệ thống vận hành chưa ổn ựịnh rấ dễ bị cháy nổ, khi chạy còn rung lắc nhiều

* Toàn bộ hệ thống ựiều khiển ựược cấu tạo bởi một một khối thống nhất, rất khó cho các việc: nâng cấp, sửa chữa, báo dưỡng, thay thếẦ

Tram lưu phôi

Băng tải vận chuyển

* Mỗi một phần tử máy mô hình trong hệ thống còn có những khuyết ñiểm riêng Nhưng trong ñó phần tử Cánh tay robo là hoạt ñộng kém ổn ñịnh nhất cần phải hoàn thiện và nâng cấp

1.7.2 Hiện trạng cánh tay robot

Hiện nay cánh tay robot là phần tử của mô hình hoạt ñộng thiếu ổn ñịnh nhất và tồn tại rất nhiều thiếu sót

Hình 1.4: Cánh tay robot trước khi sửa chữa

không ñủ công suất

và hỏng ñường dây

Một trong những nguyên nhân khiến phần cơ khí hoạt ñộng không tốt

là do phần ñiều khiển hoạt ñộng chưa tốt, do những nguyên nhân sau:

o Phần ựiều khiển ựộng cơ thân robot chưa có khả năng ựiều khiển với công suất lớn

thiết bị ựếm số vòng quay có số xung/vòng ắt (20 xung/vòng) và không

có khả năng phản hồi chiều quay, nên không kiểm soát ựược sự vượt quá tọa ựộ khi ựiều chỉnh Chắnh vì vậy việc di chuyển thân robot có sai

số lớn (theo thực tế ựo ựược là 2mm)

yếu và ựộng cơ bước có ựộ phân giải thấp là 400 bước/vòng nên ựộ

ựộng theo lệnh của bộ ựiều khiển trung tâm ra lệnh, với tập lệnh rất ựơn giản Chưa có khả năng ựiều khiển bằng tay và không có khả năng thay ựổi chương trình trên robot

1.8 Nhiệm vụ của ựề tài:

đề tài cao học của tôi sẽ giải quyết một phần trong các khâu thiết kế chế tạo hệ thống MiniCIM Giúp hoàn thiện hơn cho phiên bản ựầu tiên của mô hình MiniCIM trường đại học Phương đông vốn còn nhiều thiếu sót đề tài tập chung hoàn thiện cánh tay robot, là phần tử hoạt ựộng thiếu ổn ựịnh nhất trong mô hình MiniCIM Nội dung bao gồm:

1.9 Ý nghĩa khoa học và ý nghĩa thực tiễn của ñề tài

Ý nghĩa khoa học:

- Công trình nghiên cứu rất nghiêm túc và công phu, tìm hiểu về khả năng nghiên cứu phát triển hệ thống học cụ tiên tiến ở các trường học của Việt Nam ñã thu ñược kết quả khả quan, mở ra một lĩnh vực nghiên cứu mới - nghiên cứu về CIM phục vụ cho công tác ñào tạo

- Thành công của ñề tài là cơ sở khích lệ sự nghiên cứu sáng tạo của thanh niên Việt Nam, nâng cao tinh thần tự chủ dân tộc, giảm bớt lệ thuộc vào công nghệ nước ngoài

CHƯƠNG 2: đỐI TƯỢNG, PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU VÀ

PHƯƠNG TIỆN NGHIÊN CỨU 2.1 đối tượng nghiên cứu:

Mô hình hệ thống MINI CIM của trường đại học Phương đông phục vụ cho công tác giảng dạy

2.2 Phương pháp nghiên cứu

2.2.1 Nghiên cứu lý thuyết kết hợp với thực nghiệm

đề tài kết hợp nghiên cứu lý thuyết với thực nghiệm, thừa kế các kết quả của những ựề tài ựã ựược triển khai trong và ngoài nước nhằm xác ựịnh các thông số công nghệ, lựa chọn các nguyên lý cho việc thiết kế chế tạo

2.2.2 Sử dụng các phần mềm hỗ trợ thiết kế, mô phỏng và xử lý số liệu

đề tài sử dụng các công cụ phần mềm chuyên ngành nhằm hỗ trợ thiết kế chắnh xác, khảo sát ựánh giá và chọn vật liệu phục vụ cho việc thiết kế chế tạo

đề tài sử dụng các phần mềm:

- Phần mềm Orcad: Hỗ trợ thiết kế mạch ựiện tử

- Phần mềm Proteus: Mô phỏng các mạch logic và thử nghiệm lập trình ựiều khiển

- Phần mềm Codeversion: Hỗ trợ lập trình cho vi ựiều khiển

- Phần mềm Solid Word: Thiết kế giao diện ựiều khiển

- Phần mềm Excel: Xử lý các số liệu thống kê

2.2.3 Tiến hành thực nghiệm và ựánh giá kết quả thực nghiệm

đề tài sử dụng phương pháp thực nghiệm ựơn yếu tố ựể ựánh giá ựộ chắnh xác của từng bộ phận, kết hợp với phầm mềm Excel ựể xử lý kết quả thực nghiệm

2.3 Phương tiện nghiên cứu

2.3.1 Phần Mềm

2.3.1.1 ORCAD

OrCAD — gói phần mềm dùng ñể tự ñộng hóa thiết kế ñiện tử ðược dùng chính trong chế tạo các bản ñiện tử mạch in ñể chế tạo mạch in, cũng như ñể tạo các sơ ñồ ñiện tử và các chế bản của chúng

Tên gọi OrCAD ñược tạo ra từ các từ Oregon và CAD

Các sản phẩm của chuỗi OrCAD thuộc về công ty Cadence Design Systems Bản cuối cùng của OrCAD có khả năng tạo và hỗ trợ cơ sở dữ liệu các vi mạch sẵn có Cơ sở dữ liệu có thể ñược bổ sung bằng cách gói các thành phần sản xuất, như Texas Instruments

Trong gói có các module sau:

Capture — biên tập các sơ ñồ nguyên lý,

Capture CIS Option — ñiều hành các thư viện Active Parts,

PSpice Analog Didital — gói của chế bản tương tự-số,

PSpice Аdvanced Аnalysis — gói của tối ưu tham số,

PSpice SLPS option — giao diện liên lạc với gói Matlab,

PCB Designer — biên tập các mạch in,

SPECCTRA for OrCAD — chương trình của tương tác và tự ñộng,

Signal Explorer — module phân tích sự nguyên vẹn của các tín hiệu và của các biến dạng giao

2.3.1.2 PROTEUS

Proteus ra ñời và phát triển trên 12 năm nay bởi Labcenter Electronics – một công ty CAD của Anh và ñược hàng nghìn người sử dụng trên thế giới, với nhiều gói phần mềm nhỏ Trong ñó gói phần mềm ISIS chuyên dùng ñể

mô phỏng hầu hết các dạng mạch ñiện tử ISIS cho phép thiết kế hoàn chỉnh một hệ thống vi ñiều khiển bao gồm toàn bộ mạch phần cứng giao diện bên ngoài, sau ñó mô phỏng sự tương tác giữa chúng ISIS còn quan tâm ñến việc thiết kế mạch in (Printed Circuit Borad-PCB) với sự hỗ trợ liên kết xuất mạch ñiện sang ARES hoặc một chương trình CAD layout khác ñể vẽ mạch in

2.3.1.3 CodeVisionAVR

CodeVisionAVR là một phần mềm tích hợp môi trường lập trình C và Asembly cho vi ñiều khiển AVR, ñược phát triển bởi hãng phần mềm InforTech Phần mềm này có hỗ trợ rất nhiều tính năng cũng như các module

ñể lập trình với vi ñiều khiển AVR Kèm theo ñó hỗ trợ giao diện sử dụng cho người làm việc với vi ñiều khiển AVR không cần phải nhớ quá nhiều về phần cứng

2.3.1.4 SolidWork

Hãng SolidWorks ñã ra mắt dòng sản phẩm SolidWorks® 2010, cho phép giúp việc thiết kế cơ khí trở lên nhanh tróng và dễ dàng Trong ñề tài này, phần mềm SolidWork ñược sử dụng ñể thiết kế các giao diện ñiều khiển

2.3.2 Dụng cụ

2.3.2.1 Máy tính

Là một công cụ không thể thiếu ñược trong quá trình làm việc Nhất là với

sự phát triển của các phần mềm giả lập và các phần mềm hỗ trợ thiết kế làm cho máy tính có một vài trò quan trong trong công việc làm ñồ án này mà không thể thiếu ñược

2.3.2.2 ðồng hồ vạn năng

Là công cụ sử dụng ñể kiểm tra, ño ñạc và ñánh giá các thông số trong quá trình thực nghiệm và chế tạo của ñề tài ðồng hồ vạn năng là ñồng hồ do viện

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CHẾ TẠO CÁC MODULE đIỀU KHIỂN VÀ

HỆ THỐNG đIỀU KHIỂN CÁNH TAY ROBOT 3.1 Phân tắch các phần tử của mô hình MiniCIM của trường đại Học Phương đông

Các phần tử máy của mô hình ựã có phần cơ khắ ựược chế tạo sẵn trong

mô hình MINI CIM ban ựầu Trên nền cơ khắ ựó tôi tiến hành thiết kế hệ thống ựiều khiển nhằm nâng cao hiệu quả của toàn bộ hệ thống MINI CIM

để ựánh giá chi tiết về thiết kế cơ khắ của mô hình ban ựầu và rút ra phương án thiết kế cải tiến, tôi tiến hành phân tắch hiện trạng như sau:

200Ω

200Ω

200Ω

Dựa trên các thiết bị ựã thống kê ở trên tôi thấy rằng ựa số các phần tử máy có những thiết bị mang ựặc ựiểm giống nhau Vậy phải có phương án thiết kế module ựiều khiển phải có công suất phù hợp ựể ựiều khiển chung ựược các phần tử máy Tôi sẽ trình bầy chi tiết ở phần thiết kế Modul (3.2)

Cần thiết có các module ựiều khiển cơ cấu chấp hành là:

Tuy nhiên, ựây là phần ựiều khiển kết cấu chấp hành, mỗi máy cần phải

có thiết bị ựiều khiển trung tâm, màn hình hiển thị, giao tiếp kết nối với máy tắnh và thiết bị khácẦNên cần thêm các module sau:

ra lệnh ựiều khiển; có các ựầu vào Ờ ra; giao tiếp; hiển thị

truyền tắn hiệu về module ựiều khiển trung tâm

3.2 Thiết kế chế tạo các module

3.2.1 Thiết kế Module phần cứng

3.2.1.1 Thiết kế Module ựiều khiển ựộng cơ DC

Phần cơ khắ của mô hình MiniCIM của trường đại học Phương đông ựã ựược thiết kế trước có sử dụng 3 loại ựộng cơ DC, nhưng ựều có chung một mức ựiện áp ựiều khiển là 24V, công suất của 3 loại ựộng cơ DC khác nhau, ựộng cơ công suất lớn nhất là 200W và nhỏ nhất là 30W (trình bầy ở phần 3.1) Vậy ựể thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ phải phù hợp với 3 loại ựộng

cơ DC trên ta nên thiết kế với ựộng cơ có công suất lớn nhất, vì nếu phù hợp với ựộng cơ công suất lớn, thì cũng phù hợp với ựộng cơ công suất nhỏ

Như vậy, vấn ựề cần ựặt ra ở ựây là thiết kế module ựiều khiển ựộng cơ

DC có công suất là 200W và ựiện áp ựiều khiển là 24V

Thiết kế nguyên lý module ựiều khiển ựộng cơ DC

Việc thiết kế module ựiều khiển phải ựáp ứng ựược yêu cầu là ựiều khiển tốt các ựộng cơ ựã có sẵn trong mô hình do phần cơ khắ ựã thiết kế trước

ðiều khiển ñộng cơ sẽ cần phải ñiều khiển hai thông số cơ bản là tốc ñộ

và tọa ñộ Nhưng ñể có thể ñiều khiển ñược tọa tộ và tốc ñộ chính xác cần có

bộ phận phản hồi và bộ phận sử lý thông tin

Thiết kế module ñiều khiển ñộng cơ là phải phân tích ñược nguyên lý làm việc và tính năng của linh kiện Trên cơ sở ñó ñể chọn các thông số của linh kiện, ñảm bảo ñiều khiển ñược một cách chính xác, không bị quá tải, ñiều khiển ñộng cơ an toàn

Ở công trình này ñối tượng ñiều khiển là ñộng cơ DC-24V, tín hiệu ñiều khiển có dải ñiện áp vào từ 0 ñến 24V (do phần cơ khí ñã thiết kế trước), và cần 3 trạng thái ñiều khiển: Quay thuận; Quay ngược; Dừng

Dựa trên những phân tích trên ñưa ra ñuợc sơ ñồ khối sau:

Hình 3.1: Sơ ñồ khối module ñiều khiển ñộng cơ DC

Phân tích nguyên lý ñiều khiển chiều quay của ñộng cơ một chiều theo phương pháp Mạch cầu H (H Bridge) như hình 3.2 [9]:

SW1 nut1

SW2 nut2

SW3 nut4

SW4 nut3

Sơ ñồ nguyên lý trên cho thấy:

+ ðể ñộng cơ chạy thuận thì nút 1 và nút 4 ñóng và nút 2 và nút 3 mở + ðể ñộng cơ quay ngược ta thì nút 2 và nút 3 ñóng, nút 1 và nút 4 mở Vậy với sơ ñồ trên ñã giải quyết ñược vấn ñề chiều quay của ñộng cơ, 2 trạng thái cấm là nút 1 nút 2 không ñược ñóng cùng một lúc; nút 3 nút 4 không ñược ñóng cùng một lúc vì khi ñó dòng ñiện sẽ không ñi qua ñộng cơ, nút bấm và ñường dây sẽ phải chịu tải với dòng ñiện rất lớn

sử dụng relay ñể giải quyết vấn ñề ñảo chiều dòng ñiện cho ñộng cơ

12V

Q10 IRF250

relay

C8 104

CS3 CS4

DC1_DC1

CON2

1 2 D19

FR107

Q7 c945

D20 DIODE 1A

R24 4k7

LS1 RELAY

3 2 4

6 7 5 1 8 R55

4k7

Hình 3.3: Sơ ñồ nguyên lý ñiều khiển ñộng cơ DC

ta có thể ñiều khiển ñược cả chiều thuận và ngược cho ñộng cơ nhờ một relay

2 cặp tiếp ñiểm Có thể ñiều khiển cuộn hút qua một tranzitor C945

IRF250

 Vậy với nguyên lý như trên sẽ ñã ñảm bảo ñược tính logic của vấn ñề ñiều khiển ñộng cơ Nguyên lý này có hai Bit ñiều khiển ñộng cơ theo tổ hợp như trong bảng 3.1

Theo bảng trạng thái này rất an toàn cho mạch công suất vì không có trạng thái cấm

Ưu ñiểm của nguyên lý này: Hiệu suất cao vì chỉ bị tổn hao ñiện áp qua một tầng bán dẫn; Không có trạng thái cấm nên rất an toàn cho hệ thống

Tính toán chọn linh kiện cho module ñiều khiển ñộng cơ DC:

ðộng cơ cần ñiều khiển có công suất ñộng cơ là: 200W hoạt ñộng

ở ñiện áp 24V

Vậy dòng ñiện ñịnh mức là 200/24 = 8.4Ampe

Dòng ñiện lúc khởi ñộng bằng 2,5 ñến 3 lần dòng ñiện ñịnh mức Vậy dòng ñiện khởi ñộng khoảng 24A

Trên cơ sở ñó ta có thể chọn ñược relay ñiều khiển có giá trị khoảng 8.4*1.3 = 10.92 ≈ 11A (1.3 là hệ số an toàn)

Loại tran trường ta cần chọn là Ich ≥ 24A trở lên ñiện áp là Uch ≥ 24V Theo như sơ ñồ trên thì loại tran trường tôi chọn là IRFP250 Nếu xét về tiêu chí dòng ñiện và ñiện áp thì loại tran trường này ñủ tiêu chuẩn ñể có thể ñiều khiển ñược ñộng cơ như tính toán ở trên

Các thông số cơ bản ñược lựa chọn trong bảng trích dẫn (Bảng 3.2)

 Vậy ta ñã chọn ñược 2 linh kiện chịu công suất là Relay và tranzitor trường IRFP250

Theo bảng 3.2 cho thấy: Loại tran IRFP250 thông số chịu áp rất lớn, nhưng thông số dòng ñiện cũng chỉ vừa ñủ và hơn ñịnh mức tính toán là 9A

Tran IRFP250 ñã ñược chúng tôi thử nghiệm và kết quả cho thấy hoạt ñộng rất tốt trong mô hình trên ðộng cơ làm việc có chịu tải, phát nhiệt trên

việc của linh kiện

Bảng 3.2 Các thông số cơ bản của IRFP250

Như trong hình 3.4, ñể ñiều khiển ñược tran IRFP250 ta cần thêm các linh kiện hỗ trợ ñể ñiều khiển mắc theo sơ ñồ:

Q10 IRF250

PWM1

Q8 a1015

Q7 c945

D20 DIODE 1A 12V

R24 4k7

Hình 3.4: Nguyên lý ñiều khiển tran trường chất lượng cao

Tran trường ñiều khiển bằng áp, trong trường hợp này chỉ cần ñiều khiển ở chế ñộ ñóng mở, cực G của tran trường là cực ñiều khiển, cực G cũng ñược coi như một con tụ dung lượng nhỏ Ta có thể xem thông số ñiện dung

và ñộ tự cảm của tran trường ở bảng phụ lục 6.5

Vậy ñể ñiều khiển tran trường với hiệu xuất cao trong trường hợp cần phải băm xung tần số cao ta cần phải có mạch hỗ trợ nạp tụ và xả tụ thật nhanh trên cực G

Với nguyên lý của mạch hình 3.4 ta có:

+ Q7(C945) giúp nạp dòng ñiện lớn vào cực G của IRF250 ñể nâng nhanh ñiện áp ở cực G

+ Q8(A1015) giúp xả ựiện áp trên cực G thật nhanh

+ Diode D20 giúp cho Q7 và Q8 không dẫn ựiện cùng một lúc

+ R24 giúp cho khi ở mức logic thấp thì ựiện áp trên cực G = 0 hoàn toàn

Q7 và Q8 không phải chịu công suất, nhưng lại ựòi hỏi ựộ khuếch ựại lớn Chắnh vì vậy nên chọn những loại tran công suất bé, chịu tần số cao, và

ựộ khuếch ựại lớn Có thể xem thông số kỹ thuật của chắnh của tran C945 và A1015 ở phụ lục 6.6 và 6.7

Cũng theo hình 3.3 trên ta ựiều khiển ựóng mở cuộn hút relay bằng tranzitor C945

R54 1k

Q9 c945

relay

Hình 3.5: Tranzitor ựiều khiển relay

Cuộn hút của relay có ựiện trở trong là 200Ω, ựiện áp ựiều khiển cuộn hút là 12V Vậy dòng ựiện qua cuộn hút là 12/200 = 0.06A = 60mA Theo như bảng trong phụ lục 6.6 ta biết tran C945 có thể chịu ựược dòng ựiện là 100mA = 0.1A Vậy hoàn toàn có thể sử dụng ựược tran này trong ựiều khiển relay

Tóm lại: Qua quá trình phân tắch và tắnh toán như trên, tôi ựã ựi ựến quyết ựịnh lựa chọn 2 linh kiện phù hợp với công suất thiết kế đó là Relay 11A và tranzitor trường IRFP250 và ựã chế tạo thành công Modul ựiều khiển ựộng cơ DC

Kết quả chế tạo module ựiều khiển ựộng cơ DC (hình 10)

Sau khi hoàn thành module ựiều khiển ựộng cơ DC, tôi ựã tiến hành thực nghiệm bằng cách viết một chương trình ựiều khiển cho ựộng cơ thay ựổi tốc ựộ và ựảo chiều liên tục, và cho ựộng cơ vận hành trong chế ựộ ựó liên tục trong 12 giờ Kết quả cho thấy ựộng cơ vẫn hoạt ựộng bình thường, nhiệt ựộ