Nghiên cứu chế tạo robot gắp sản phẩm trong công nghiệp

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT GẮP TRONG DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT 1.1 Tồng Quan Robot gắp trong công nghiệp là tay máy tự động được đặt cố định hoặc di động bao gồm thiết bị dạng tay máy có số b

là nhiều điều, từ những kiến thức bổ ích, những kỹ năng mềm tới tác phong làm việc, để áp dụng vào công việc mai sau cũng như trong cuộc sống hằng ngày

Đồng thời chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới anh Lê Việt Thanh, người

đã giám sát, hướng dẫn chúng em, chỉ bảo những chỗ thiếu sót, sai lệch, giúp

đề tài nghiên cứu của em được hoàn thiện hơn

Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Điện - Điện

tử đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu, để chúng em có hành trang bước vào đời

Vũng tàu, ngày … tháng … năm 2015

Sinh viên thực hiện

(Ký và ghi rõ họ tên)

Nguyễn Văn Sỹ

Nguyễn Văn Hoàng Thanh

MỤC LỤC

ĐỀ MỤC Trang

NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI……… i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

LỜI MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT GẮP TRONG DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT 2

1.1 Tồng Quan 2

1.2 Phân loại robot gắp 4

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT ROBOT GẮP VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 6

2.1 Trình tự thiết kế và lắp đặt 6

2.2 Thiết bị sử dụng 7

2.3 Kết nối và lắp đặt 13

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG 18

3.1 Yêu cầu 18

3.2 Phương pháp thiết kế 18

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 24

4.1 Yêu cầu 24

4.2 Phương pháp lập trình và giải thuật 24

4.2.1 Chương trình chính 24

4.2.2 Chương trình điều khiển bằng tay 26

4.2.3 Chương trình điều khiển tự động Auto 1 27

4.2.4 Chương trình điều khiển tự động Auto 2 38

4.2.5 Chương trình điều khiển tự động Auto 3 43

4.3 Kết nối 47

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 49

5.1 Chạy thử nghiệm 49

5.2 Kết quả đạt được 50

5.3 Vấn đề cần khắc phục 50

5.4 Kết luận 50

5.5 Hướng phát triển của đề tài 50

TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Thời gian đầu, các công đoạn sản xuất đều phải có công nhân vận hành

và làm việc trực tiếp, nên cần lượng nhân công rất lớn làm tăng chi phí nhân công, các công đoạn hầu như được làm thủ công nên năng suất không cao vì tốc độ làm việc của con người có giới hạn, làm việc với thời gian dài và liên tục sẽ khiến cho con người giảm bớt sự tập trung, thiếu chính xác, sẽ khiến cho sản phẩm bị lỗi, gây thiệt hại về kinh kế, cũng như sự bất cẩn của con người dẫn đến những thao tác sai lệnh gây hậu quả nặng nề, thậm chí ảnh hưởng tới tính mạng con người Một số môi trường đặc biệt mà con người không thể làm việc được, như những môi trường độc hại, khói bụi, hóa chất, phóng xạ, nhiệt độ cao, tiếng ồn lớn, đòi hỏi phải có một thiết bị, công cụ có thể thay thế con người, và làm tốt hơn khả năng của con người mang lại hiệu quả cao

Trước những yêu cầu đó nhóm chúng em đã nghiên cứu và chế tạo ra một Robot có được những yêu cầu như trên Robot có khả năng phát hiện vật, phân loại sản phẩm nhựa và kim loại một cách chính xác với tốc tộ cao, chắc chắn, làm việc không ngừng nghỉ và thay thế hoàn toàn con người trong khâu sản xuất này

Nội dung đề tài là: “NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT GẮP SẢN PHẨM TRONG CÔNG NGHIỆP“ Yêu cầu robot phải có khả năng tùy biến bằng tay do người vận hành thao tác, và có chế độ chạy tự động, đếm sản phẩm đồng thời giám sát qua màn hình

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT GẮP TRONG DÂY TRUYỀN

SẢN XUẤT 1.1 Tồng Quan

Robot gắp trong công nghiệp là tay máy tự động được đặt cố định hoặc

di động bao gồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng hoạt động và điều khiển trong quá trình sản xuất

Robot gắp trong công nghiệp được cấu hình bởi các yếu tố sau:

+ Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tượng

+ Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành

+ Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trường

+ Hệ thống điều khiển hiện nay thường là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot

Kết cấu tay máy gắp sản phẩm

+ Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết

bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật

+ Ban đầu người ta chế tạo tay máy phỏng tay người còn hiện nay tay máy rất

đa dạng và nhiều loại khác xa tay người tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ như vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy

Trong thiết kế tay máy người ta quan tấn đến các thông số ảnh hưởng khả năng làm việc:

+ Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay

+ Tầm với của vùng làm việc

+ Khả năng định vị, định hướng phần công tác

Kết cấu gồm các khâu được nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở các khớp chủ yếu là khớp quay và khớp trượt tuỳ theo cách bố chí mà các khớp có thể tạo ra tay máy có toạ độ đề các, độ trục tạo độ cầu SCARA và kiểu tay người

Một số hình ảnh robot gắp sản phẩm trong công nghiệp:

Hình 1.1.1 Robot gắp kính

Hình 1.1.2 Robot phân loại hàng hóa

1.2 Phân loại robot gắp

Robot gắp được phân loại chủ yếu theo nguồn dẫn động:

 Robot dùng động cơ điện

Nguồn cấp điện cho robot thường là DC để điều khiển động cơ DC Hệ thống dùng nguồn AC cũng được chuyển đổi sang DC Các đông cơ sử dụng thường là động cơ bước, động cơ DC servo, động cơ AC servo Robot loại này có thể thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác, các ứng dụng phổ biến

Hình 1.2.2 Robot khí nén

 Robot dùng hệ thống thủy lực

Nguồn thuỷ lực sử dụng lưu chất không nén được là dầu thuỷ lực Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu Robot loại này được sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn

Hình 1.2.3 Robot dùng hệ thống thủy lực

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT ROBOT GẮP VÀ PHÂN

Hệ thống dây

nối

Bảng điều khiển

Màn hình HMI

2.2 Thiết bị sử dụng

PLC S7-300

Thiết bị điều khiển logic khả trình (programmable logic controller) là loại thiết bị thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay vì phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số Như vậy, PLC là một bộ điều khiển gọn, nhẹ và dễ dàng trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài (với các PLC khác hoặc máy tính) Toàn bộ chương trình điều khiển được lưu trữ trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình và được thực hiện theo chu kỳ của vòng quét (scan)

Hình 2.2 Cấu trúc bên trong của một PLC

 Các module mở rộng

Hình 2.6 Module nguồn PS307 -5a

Hình 2.7 Module truyền thông CP 343-1

Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ít phụ thuộc vào điện áp mạng, của tải và nhiệt độ Để đạt được yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng) Các mạch cấp nguồn cổ điển thường dùng biến áp, nên kích

thước và trọng lượng của nó khá lớn Ngày nay người ta có xu hướng dùng các mạch cấp nguồn không có biến áp

Công tắc

Công tắc là tên của một thiết bị (xét trong mạch điện), hoặc một linh kiện (xét trong một thiết bị điện) sử dụng với mục đích để ngắt - mở dòng điện hoặc chuyển hướng trạng thái đóng - ngắt trong tổ hợp mạch điện có sử dụng chung một công tắc

Piston

Hình 2.17 Piston khí nén

Solenoid valve

Hình 2.18 Solenoid valve

2.3 Kết nối và lắp đặt

Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát

Hình 2.20 Sơ đồ kết nối

 Bảng điều khiển

Bảng điều khiển đóng vai trò là tủ điện, đồng thời là nơi điều khiển robot

ở chế độ điều khiển bằng tay (Manual)

Hình 2.21Sơ đồ bảng điều khiển

I0.7 : Sensor kim loại

I1.0 : Switch Man-Auto

I1.1 : Button Stop

I1.2 : Button Start

I1.3 : Sensor a1 (Giới hạn dưới pitston A)

I1.4 : Sensor a2 (Giới hạn trên pitston A)

I1.5 : Sensor c (Giới hạn dưới pitston C)

I1.6 : Sensor tay gắp

Ngõ ra (output): Các ngõ ra được kết nối với các relay

Q0.5 - solenoid valve tay gắp

Q0.6 - motor băng chuyền

I1.3 - Sensor a1 (Giới hạn dưới piston A)

I1.4 - Sensor a2 (Giới hạn trên piston A)

I1.5 - Sensor c (Giới hạn dưới piston C)

I1.6 - Sensor tay gắp

Mass (plc)

Mass (plc)

c Mạch động lực

Sử dụng van khí nén điện từ solenoid điều khiển các pitston khí nén

Tín hiệu từ PLC điều khiển đóng mở cuộn dây làm đóng mở dòng khí nén vào pitston

Sơ đồ kết nối:

- Valve solenoid A nối với pitston A

- Valve solenoid B nối với pitston B

- Valve solenoid C nối với pitston C

- Valve solenoid D nối với tay gắp

d Cảm biến

Cảm biến là thành phần quan trọng không thể thiếu, gồm có cảm biến nam châm, cảm biến lazer, cảm biến kim loại

- Sensor a1 bằng 1 khi pitston A xuống điểm giới hạn dưới

- Sensor a2 bằng 1 khi pitston A xuống điểm giới hạn trên

- Sensor c bằng 1 khi pitston C xuống điểm giới hạn dưới

- Sensor d bằng 1 khi pitston tay gắp tác động

CHƯƠNG 3 : THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƯỜI DÙNG

Sử dụng phần mềm Wincc flexible 2008 của hãng siemen

Thiết kế năm màn hình hiển thị

Tạo một dự án mới bằng phần mềm Wincc flexible 2008

Hình 3.1 Phần mềm Wincc flexible 2008

Tạo các tag liên kết với PLC S7-300, các tag phải có địa chỉ tương ứng với các tag của PLC s7-300 như bảng 3.1 dưới đây

Bảng 3.1 Tag liên kết

 Thiết kế giao diện màn hình chính

Màn hình chính là màn hình đầu tiên khi truy cập, dùng để giám sát hệ thống, và truy cập vào từng chế độ

Các tag sử dụng: Tag 19, tag 9,tag 28

Hình 3.2 Màn hình chính

 Thiết kế giao diện hiển thị chế độ điều khiển bằng tay

Hiển thị trạnh thái của các piston, trạng thái của các cảm biến, trạng thái của băng chuyền

Các tag sử dụng: Tag 23, tag 24, tag 25, tag 26, tag 16, tag 35, tag 39, tag

8, tag 31, tag 12, tag 13, tag 14, tag 15

Hình 3.3 Màn hình hiển thị chế độ điều khiển bằng tay

 Thiết kế giao điện menu chọn chế độ điều khiển tự động

Cho phép giám sát truy cập vào ba chế độ tự động: Auto1, auto 2, auto 3 Các tag sử dụng: Tag 17, tag 18, tag 19, tag 20

Hình 3.4 Màn hình chọn chế độ điều khiển tự động

 Thiết kế giao diện chế độ auto 1

Giao diện chế độ auto 1 hiển thị trạng thái của các piston, trạng thái của các cảm biến, trạng thái của băng chuyền, hiển thị số lƣợng sản phẩm cho từng loại

Các tag sử dụng: Tag 26, tag 37, tag 22, tag 23, tag 24, tag 25, tag 16, tag

12, tag 35, tag 39, tag 8, tag 12, tag 13, tag 14, tag 15, tag 38, tag 34, tag 17

Hình 3.5 Màn hình hiển thị chế độ Auto 1

 Thiết kế giao diện chế độ auto 2

Giao diện chế độ auto 2 hiển thị trạng thái của các piston, trạng thái của các cảm biến, trạng thái của băng chuyền, hiển thị số lƣợng sản phẩm cho từng loại

Các tag sử dụng: Tag 26, tag 22, tag 23, tag 24, tag 25, tag 12, tag 35, tag

39, tag 31, tag 13, tag 14, tag 15, tag 17

Hình 3.6 Màn hình hiển thị chế độ Auto 2

 Thiết kế giao diện chế độ auto 3

Giao diện chế độ auto 3 hiển thị trạng thái của các piston, trạng thái của

các cảm biến, trạng thái của băng chuyền, hiển thị số lƣợng sản phẩm cho

từng loại

Các tag sử dụng: Tag 26, tag 37, tag 23, tag 24, tag 25, tag 16, tag 12, tag

35, tag 39, tag 13, tag 14, tag 15, tag 17

Hình 3.7 Màn hình hiển thị chế độ Auto 3

CHƯƠNG 4: CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN 4.1 Yêu cầu

Kết hợp với màn hình hiển thị giám sát điều khiển robot Chương trình điều khiển trong sáng,chiếm ít bộ nhớ, hoạt động chính xác, thời gian đáp ứng nhanh

Chương trình gồm 2 chế độ: Điều khiển bằng tay và điều khiển tự động

4.2 Phương pháp lập trình và giải thuật

Sử dụng phần mềm SIMATIC manager của hãng Siemen, để lập trình cho PLc S7-300

Lập trình theo kiểu tuần tự, các câu lệnh nối tiếp nhau theo một chu kỳ cố định

4.2.1 Chương trình chính

Chương trình chính được thực hiện trong khối OB1, PLC thực hiện đầu tiên và luôn thực hiện chương trình này Chương trình cho phép tắt – mở hệ

thống, chọn chế độ điều khiển bằng tay và chế độ điều khiển tự động

Chương trình điều khiển:

4.2.2 Chương trình điều khiển bằng tay

Chương trình điều khiển bằng tay cho phép người vận hành điều khiển

robot trực tiếp bằng các công tắc trên bảng điều khiển

Chương trình điều khiển:

4.2.3 Chương trình điều khiển tự động Auto 1

Chương trình Auto 1 cho phép phát hiện, gắp và phân loại sản phẩm, bỏ vào thùng hàng tương ứng

Gồm hai chương trình con là chương trình con phân loại sản phẩm kim loại, và chương trình con phân loại sản phẩm nhựa

Chương trình con phân loại kim loại (FC7):

Hình 4.1 Lưu đồ giải thuật chương trình con phân loại kim loại

Chương trình con phân loại nhựa (FC6):

Hình 4.2 Lưu đồ giải thuật chương trình con phân loại nhựa

4.2.4 Chương trình điều khiển tự động Auto 2

Hình 4.3 Lưu đồ giải thuật chương trình Auto 2

Chương trình tự động Auto 2 cho phép phát hiện và gắp sản phẩm kim loại, đồng thời bỏ vào thùng sản phẩm kim loại, sản phẩm nhựa robot sẽ không gắp và bỏ qua

Chương trình điều khiển:

4.2.5 Chương trình điều khiển tự động Auto 3

Hình 4.4 Lưu đồ giải thuật chương trình Auto 3

Chương trình tự động Auto 3 cho phép phát hiện và gắp sản phẩm nhựa, đồng thời bỏ vào thùng sản phẩm nhựa, sản phẩm kim loại robot sẽ không gắp

và bỏ qua

Chương trình điều khiển:

4.3 Kết nối

Kết nối qua cổng internet, thông qua cáp RJ485

Chọn card mạng LAN mà mình đang sử dụng

Hình 4.5 Cài đặt hệ thống

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 5.1 Chạy thử nghiệm

Chế độ MAN: Các thiết bị đều được kết nối với bảng điều khiển, ta dễ dàng điều khiển robot gắp thông qua các nút nhấn, công tắc ở chế độ Man Chế độ Auto 1: Được kết nối với bảng điều khiển, hoạt động thông qua các thuật toán cài đặt sẵn Chế độ Auto 1 hoạt động robot có thể phân biệt được kim loại và nhựa riêng biệt bỏ vào vị trí tương ứng, đồng thời robot còn đếm số lượng sản phẩm từng loại đã gắp

Chế độ Auto 2: Tương tự chế độ Auto 1 nhưng robot chỉ phân biệt kim loại bỏ vào vị trí tương ứng và đếm số lượng sản phẩm kim loại đã gắp

Chế độ Auto 3: Tương tự chế độ Auto 1 nhưng robot chỉ phân biệt nhựa

bỏ vào vị trí tương ứng và đếm số lượng sản phẩm nhựa đã gắp

Hình 5.1 Robot khi vận hành thực tế

5.2 Kết quả đạt được

Robot đã đáp ứng được những yêu cầu đề ra, khi vận hành chạy ổn định, chắc chắn, tác động nhanh, gắp chính xác, không bị rơi rớt vật khi gắp, phân loại sản phẩm chính xác theo chất liệu, bỏ vào vị trí tương ứng, đồng thời đếm

số lượng sản phẩm

5.3 Vấn đề cần khắc phục

- Chân đế robot còn hơi rung lắc

- Lượng khí nén bị thất thoát nhiều do valve bị hư hỏng

5.4 Kết luận

Trong suốt quá trình chế tạo robot làm đề tài nghiên cứu khoa học, các thành viên trong nhóm đều có lòng nhiệt huyết và đam mê robot Đồng thời chúng em nhận được rất nhiều ý kiến đóng góp quý báu của quý thầy cô và các anh chị trong Khoa Điện - Điện tử

Là đề tài nghiên cứu của sinh viên, nên chắc chắn còn nhiều thiếu sót, song chúng em đã vận dụng hết kiến thức mình đã học được, cố gắng nỗ lực hết sức mình

Qua đồ án này chúng em được giao lưu học hỏi với các sinh viên ở nhóm khác giúp chúng em tích lũy thêm kinh nghiệm để có thể phục vụ công việc của chúng em sau khi ra trường

5.5 Hướng phát triển của đề tài

- Gắn thêm cảm biến giúp tăng tốc độ làm việc

- Thiết kế lại chân đế, tăng độ vững chắc

- Thay đổi đầu gắp để gắp được nhiều loại sản phẩm

- Thay thế các valve solenoid và piston hư hỏng