Đồ án thiết kế cánh tay robot khí nén phân loại theo màu sắc sử dụng PLC S71200

Với những ưu điểm như vậy nhóm chúng em đã thiết kế và chế tạo mô hìnhdây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC 1200 và cánh tayrobot khí nén với mô hình đơn giản, gọn nhẹ,

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ KHOA CƠ KHÍ – CÔNG NGHỆ

- 

 -BÁO CÁO ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO DÂY CHUYỀN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM BẰNG MÀU SẮC SỬ DỤNG PLC S7-1200

VÀ CÁNH TAY ROBOT KHÍ NÉN

2 Lê Công Minh Đức

3 Quảng Đồng Lộc

4 Trương Đình Nhân

5 Võ Tuấn Vũ

Giáo viên hướng dẫn: TS Khương Anh Sơn

Thừa Thiên Huế, 12/2018

LỜI CẢM ƠN

Là nhóm sinh viên thực hiện đồ án môn học “Đồ án thiết kế hệ thống Cơ Điện tử”, lời đầu tiên, chúng em xin chân thành cảm ơn Ban giám hiệu TrườngĐại học Nông Lâm – Đại học Huế đã tạo điều kiện tốt nhất cho chúng em đượchọc tập và rèn luyện

-Chúng em xin cảm ơn Ban lãnh đạo và quý Thầy Cô trong Khoa Cơ khí –Công nghệ đã tận tình giúp đỡ chúng em, luôn tạo cho chúng em một môitrường học tập và thực hành tốt nhất

Chúng em xin cảm ơn quý Thầy Cô trong Bộ môn Kỹ thuật Điều khiển –

Tự động hóa là Bộ môn hướng dẫn chúng em, đã trực tiếp dạy dỗ và giúp đỗchúng em và đặc biệt chúng em gửi lời cảm ơn đến thầy TS Khương Anh Sơn,

là giáo viên hướng dẫn đã trực tiếp hướng dẫn chúng em, đã luôn tạo điều kiện

và giúp đỡ cho nhóm sinh viên chúng em được thực hiện đề tài, giúp chúng emlàm quen với việc nghiên cứu khoa học Thầy luôn quan tâm giúp đỡ chúng em

và là người truyền động lực cho nhóm, giúp nhóm hoàn thành tốt đề tài nghiêncứu

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

MỤC LỤC

Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.2 Mục tiêu đề tài 1

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 2

Phần 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU 4

2.1 Cơ sở lí luận 4

2.1.1 Lí thuyết về điều khiển 4

2.1.2 Lí thuyết về khí nén 5

2.1.3 Lí thuyết về cảm biến 10

2.2 Cơ sở thực tiễn 14

2.2.1 Dây chuyền phân loại sản phẩm 14

2.2.2 Công nghệ robot 14

2.3 Đề xuất nguyên lí hoạt động dây chuyền phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot: 15

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 16

3.1 Đối tượng 16

3.2 Phạm vi nghiên cứu 16

3.3 Phương pháp nghiên cứu 16

Phần 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 17

4.1 Lựa chọn nguyên lí hoạt động 17

4.1.1 Nguyên lí chung 17

4.1.2 Nguyên lí về hoạt động của cánh tay robot 17

4.1.3 Nguyên lí hoạt động phân loại màu sắc 19

4.1.4 Nguyên lí về điều khiển 19

4.2 Thiết kế chung của mô hình 21

4.3 Thiết kế phần cơ khí 21

4.3.1 Phần khung 21

4.3.2 Cánh tay robot 22

4.3.3 Băng tải 23

4.4 Thiết kế phần điều khiển 24

4.5 Thiết kế thuật toán cho PLC S7-1200 25

4.6 Thiết kế hệ thống giám sát HMI 35

4.7 Một số linh kiện được sử dụng cho mô hình 36

4.8 Hoàn thiện mô hình 41

Phần 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 43

5.1 Kết luận 43

5.2 Kiến nghị 43

TÀI LIỆU THAM KHẢO 44

PHỤ LỤC 45

Phần 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Cuộc cách mạng 4.0 sẽ làm thay đổi toàn diện nền kinh tế, trong đó việc ápdụng robot thay thế cho con người trong sản xuất sẽ giúp nâng cao nền kinh tếcủa đất nước, hạn chế những rủi ro trong sản xuất và làm việc một cách chínhxác và hiệu quả hơn

Mục tiêu ứng dụng robot trong công nghiệp là nhằm nâng cao năng suấtdây

chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh sản phẩm,đồng thời cải thiện điều kiện lao động

Sự ra đời của bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) đã thaythế được những hệ thống cồng kềnh bằng role và các dây nối Với nhiều ưuđiểm nổi bật, ngày nay hệ thống điều khiển PLC đã trở nên ưu việt và được sửdụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của cuộc sống Vì vậy, việc nghiên cứu vàứng dụng PLC là rất cần thiết

Với những ưu điểm như vậy nhóm chúng em đã thiết kế và chế tạo mô hìnhdây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng PLC 1200 và cánh tayrobot khí nén với mô hình đơn giản, gọn nhẹ, dễ sử dụng, dễ vận hành Vớinhững mô hình như vậy rất cần thiết cho sinh viên kỹ thuật cơ điện tử vậndụng những kiến thức đã học được vào trong việc chế tạo ra những mô hình cótính thực tế và có thể vận dụng trong đời sống Nhằm tạo ra những mô hìnhcần thiết để cho sinh viên thực tập sau này

1.2 Mục tiêu đề tài

Mục tiêu chung

Trên cơ sở ứng dụng các lý thuyết đã học được vận dụng để thiết kế thiếtcánh tay robot sử dụng khí nén gắp sản phẩm, thiết kế chế tạo một hệ thốngbăng tải, hệ thống phân loại màu sắc Nhằm tạo ra một mô hình gọn nhẹ, hoạtđộng linh hoạt và dễ vận hành

Mục tiêu cụ thể

Thiết kế một cánh tay robot có thể hoạt động linh hoạt với 3 bậc tự do, cóthể gắp các sản phẩm

Thiết kế băng tải (dài 600mm, rộng 85mm)

Bộ điều khiển gồm 2 đèn báo hiệu, 1 nút nhấn start, 1 nhấn stop, 1 nút nhấndừng khẩn cấp

Khung được thiết kế là một hình chữ nhật có chiều chiều dài 800mm, chiềurộng 500mm, cao 200mm băng tải được cố định trên khung để thuận tiện trogquá trình vận chuyển Khung được gia công bằng thép ống 20x20x1.1mm vàalu 3mm

Hoạt động dựa trên lực đẩy, kéo được tạo ra từ áp suất của khí nén Thiết kế

hệ thống các xilanh và van khí nén đi kèm với hệ thống hiệu quả nhất có thể

Sử dụng PLC Siemens S7-1200 để điều khiển toàn bộ hệ thống, bao gồmquá trình vận hành cánh tay robot, điều khiển băng tải hoạt động, phát hiện vật,phân biệt màu sắc Với cảm biến màu sắc, với mô hình mô phỏng, nhóm sẽ sửdụng Arduino để tiết kiệm chi phí nhưng vẫn đảm bảo sai xót ở mức cho phép

1.3 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Hệ thống dây chuyền phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùngcác cảm biến để xác định màu sắc của sản phẩm Sau đó dùng cánh tay robotkhí nén để phân loại sản phẩm có màu sắc khác nhau và loại bỏ những sảnphẩm không đạt yêu cầu

Từ nguyên lý làm việc trên ta thấy muốn hệ thống hoạt động được cầnnhững chuyển động cần thiết:

- Chuyển động của băng chuyền: Để truyền chuyển động quay cho trụccủa băng chuyền ta dùng động cơ điện một chiều thông qua bộ truyềnbánh răng – dây đai

- Chuyển động của cánh tay robot để phân loại sản phẩm có màu sắckhác nhau: Chuyển động của cánh tay thông qua các xylanh khí nénđược điều khiển bởi hệ thống khí nén Chu trình làm việc máy: khi ấnnút Start máy hoạt động, sản phẩm được công nhân đặt vào băngchuyền Nhờ hệ thống điều khiển, sản phẩm trên băng chuyền đượcphân loại với màu sắc khác nhau Các sản phẩm sau khi được phân loại

sẽ được cánh tay phân loại ra các khu vực khác nhau để thực hiện quátrình tiếp theo trong dây chuyền sản xuất Chu trình cứ thế tiếp tục chođến khi phân loại xong sản phẩm

Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rấtlớn, cụ thể như:

- Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cảithiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếpcận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môitrường ngày càng văn minh hơn

- Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sảnphẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng

- Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nókhông những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn cóthể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa…

Phần 2 TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU

2.1 Cơ sở lí luận

2.1.1 Lí thuyết về điều khiển

 Định nghĩa về hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển là tập hợp các thiết bị và dụng cụ điện tử Nó dùng

để vận hành một quá trình một cách ổn định, chính xác và thông suốt Gồmnhững phần:

- Hệ thống điều khiển dùng rơle điện.

- Hệ thống điều khiển dùng Programmable Logic Controller:

Programmable Logic Controller(PLC) nghĩa là bộ điều khiển Logic lậptrình được Là thiết bị điều khiển có cấu trúc máy tính bao gồm bộ sử lýtrung tâm CPU, bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM, dung để nhớ chương trìnhứng dụng, và các cổng vào ra INPUT-OUTPUT.[1,2]

Hình 2.1 Cấu trúc PLC

 Ưu điểm

- Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn

- Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao

- Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa

- Cấu trúc PLC dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầuvào/ra, mở rộng chức năng khác

- Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trườngcông nghiệp

- Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nốimạng truyền thông với các thiết bị khác

- PLC gồm những loại: Omron, Siemens, Mitsubishi, Micro-PLC, …

 Vì PLC có những ưu điểm vượt trội, có tính truyền thông và có nhiềuchức năng hơn so với nhiều loại PLC khác nên nhóm chúng em quyếtđịnh đưa PLC 1200 vào mô hình để mô hình hoạt động tối ưu nhất

- Dây chuyền chế tạo linh kiện bán dẫn

- Điều khiển hệ thống đèn giao thông

- Quản lý tự động bãi đậu xe

- Hệ thống báo động

- Điều khiển thang máy

- Dây chuyền sản xuất xe ôtô

Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động

cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

Phân loại:

- Phân loại theo áp suất

+ Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar

+ Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar

+ Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar

- Phân loại theo nguyên lý hoạt động

+ Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểupittong, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khíkiểu trục vít

+ Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiềutrục

Hình 2.2 Máy nén khí và bình trích chứa khí nén

Mạng đường ống dẫn khí nén

Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khíđến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấuchấp hành

Các hệ thống đường ống được phân nhánh và nối với nhau thông qua cácđầu nối nhanh

Hình 2.3 Đầu nối nhanh và ống dẫn khí nén

Van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng

mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén [3]Trạng thái ON, OFF của van đảo chiều và một số van đảo chiều được liệt

kê ở hình 2.2 và bảng 1 như sau:

Hình 2.4 Trạng thái khi OFF và ON của van đảo chiều

Bảng 1 Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều

Tên thiết bị Kí hiệuVan đảo chiều 2/2

Van đảo chiều 4/2

Van đảo chiều 5/2

Tín hiệu tác động:

Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tácđộng bằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện.Tín hiệu tác động từ 2 phía (đối với van đảo chiều không có vị trí

‘không’) hay chỉ từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’)

Hình 2.5 Chiều tác động ngược lại do ngoại lực (a) và do lo xo (b)

- Xilanh tác động 2 chiều (xilanh tác động kép)

Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu cầu điều khiển mà xilanh

đi vào hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh

d Ưu, nhược điểm của khí nén

 Ưu điểm

- Không gây ô nhiễm môi trường

- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nénnhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp

- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo

 Nhược điểm

- Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi

- Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn

- Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh

+ Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng kích thích.

+ Phân loại theo dạng kích thích

+ Phân loại theo phạm vi sử dụng

+ Phân loại theo thông số mô hình mạch thay thế

Cấu tạo của cảm biến [5]

Hình 2.6 Cấu tạo cảm biến

Ứng dụng:

+ Phân biệt chiều cao của nắp

+ Phát hiện mức sữa/nước trái cây bên trong hộp

+ Cảm biến phát hiện màu

+ Đo đường kính của ống

+ Phát hiện nắp lọ bị lỏng

a Cảm biến quang

Cảm biến quang là một thiết bị được ứng dụng rộng rãi trong hầu hết các

nhà máy công nghiệp để phát hiện từ xa vật thể, đo lường khoảng cách hoặctốc độ di chuyển của đối tượng

Hình 2.7 Cảm biến quang phát hiện vật.

Ánh sáng từ nguồn sáng được tập trung bởi thấu kính hội tụ và chiếu thẳngvào vật Tia sáng phản xạ từ vật được tập trung lên dụng cụ cảm biến vị trí(PSD: position sensing device) bằng thấu kính thu Nếu vị trí vật (khoảng cáchđến thiết bị đo) thay đổi, hình ảnh vị trí vật hình thành trên PSD sẻ khác đi vànếu ở trạng thái cân bằng của hai ngõ ra PSD thay đổi ảnh vị trí vật hình thànhtrên PSD sẽ khác đi và trạng thái cân bằng của 2 PSD cũng thay đổi.[2]

Cảm biến quang công nghiệp thường được tích hợp trên một thiết bị có khả

năng làm việc tốt trong môi trường công nghiệp Chúng có cấu tạo:

- Bộ phát: Thường dùng đèn LED (Led Emitting Diodes) Dây là loại LED

có khả năng phát sáng khi có dòng điện thuận chạy qua Led được thiết kế

để phát ra nhiều loại ánh sáng khác nhau, thông thường người ta tạo ra cácloại LED phát sáng có phổ nằm từ màu xanh đến hồng ngoại

- Bộ thu: Nhận ánh sáng từ bộ phát, thực hiện tạo tín hiệu ngõ ra thường ởmức dạng các tín hiệu on/off Thường dùng các loại linh kiện như:Photodiodes, Phototransistor, Photocell,

Hình 2.8 Cấu tạo của cảm biến quang

Nguyên lí hoạt động của cảm biến quang: Lượng ánh sáng nhận về sẽ đượcchuyển được chuyển về tỉ lệ thành tín hiệu điện áp (hoặc dòng điện) và sau đóđược khuếch đại Cảm biến xuất tín hiệu ra báo có vật nếu mức điện áp lớn hơnhoặc bé hơn mức ngưỡng

Hình 2.9 Các kiểu phát tia sáng của cảm biến cảm

Ánh sáng phát ra của các cảm biến quang rất đa dạng: dạng chùm tia, mộttia thẳng hay dạng xung có tần số thay đổi theo khoảng cách

b Cảm biến màu sắc

Cảm biến màu sắc là một loại của cảm biến quang trong đó nhiệm vụ

chính là thu các bước sóng của vật phản xạ lại rồi so sánh quang phổ để pháthiện màu sắc

Dãy phổ ánh sáng: Các bức xạ trường điện từ tần số cao (tia gamma, tia X

và ánh sáng cực tím) có bước sóng ngắn mang nhiều năng lượng

Nguồn sáng tự nhiên, hay nhân tạo là tổng hợp nhiều dao động điện từ, nóikhác đi có nhiều độ dài sóng khác nhau, qua lăng kính ta thấy được phổ ánhsáng này Nguồn sáng nhân tạo cho phép ta dịch chuyển phần lớn các bức xạ

này theo ý, bằng các vật liệu, và các tính chất vật lý, chẳng hạn nguồn sángchủ yếu chỉ sinh ra tia đỏ, tím hay vàng.[7]

Hình 2.10 Tần số và bước sóng

c Cảm biến từ

Cảm biến tiệm cận kiểu cảm ứng (cảm biến điện từ) là loại cảm biến pháthiện vật bằng cách tạo ra trường điện từ Dĩ nhiên, thiết bị chỉ phát hiện đượcvật kim loại Tuy nhiên, loại cảm biến này lại rất hay được sử dụng trong côngnghiệp vì giá thành và khả năng chống nhễu của nó

Hình 2.11 Từ trường được tạo ra trên cảm biến

Cảm biến tiệm cận cảm ứng bao gồm một cuộn dây được cuốn quanh mộtlõi từ ở đầu cảm ứng Sóng cao tần đi qua lõi dây này sẽ tạo ra một một trườngđiện từ dao động quanh nó Trường điện từ này được một mạch bên trong kiểmsoát

Khi vật kim loại di chuyển về phía trường này, sẽ tạo ra dòng điện (dòngđiện xoáy) trong vật.[4]

2.3 Cơ sở thực tiễn

2.2.1 Dây chuyền phân loại sản phẩm

Hiện nay, việc ứng dụng các dây chuyền phân loại sản phẩm rất phỗ biến

và được ứng dụng rất rộng rãi Một số loại dây chuyền phân loại sản phẩmnhư:

- Phân loại theo chiều cao

- Phân loại theo màu sắc

- Phân loại theo kích thước

- Phân loại theo hình dáng,

2.2.2 Công nghệ robot

Trong những năm gần đây thì việc áp dụng các loại Robot vào các dây

chuyền sản xuất (Hình 2.12) ngày càng được sử dụng rộng rãi ở các doanh

nghiệp Ví dụ các loại Robot: Robot hàn, Robot phun sơn, robot bắt ốc vít ởcác công ty sản xuất và lắp ráp ô tô Đặc biệt là ở các công ty sản xuất và lắpráp các linh kiện điện tử và phân loại sản phẩm công nghiệp Đây là côngviệc đòi hỏi độ chính xác cao, và thường lặp lại nên dễ gây mệt mỏi chongười làm Vì vậy sử dụng Robot ở các công ty này là rất phổ biến Ngoài rahiện nay ở các phân xưởng sản xuất hay trong quân sự con người phải làm rấtnhiều công việc tiếp xúc với môi trường, các hoá chất độc hại do đó người tathay thế con người bằng cách sử dụng Robot làm thay con người

Hình 2.12 Cánh tay robot làm việc thay thế con người

Ngay tại trường ĐH Nông Lâm Huế, Lớp kỹ thuật Cơ-Điện tử K48 đã từng làm cánh tay robot phân loại sản phẩm bằng màu sắc được điều khiển

bằng Arduino và truyền động thông qua động cơ Servo (Hình 2.13) Đó cũng

là tiền đề để nhóm chúng em lấy làm cơ sở để thiết kế, chế tạo cánh tay robot

mang tính ứng dụng hơn, sử dụng bộ vi xử lí bền bỉ hơn Từ đó, nhóm quyết định chọn cánh tay robot có sử dụng khí nén và được điều khiển bằng PLC S7-1200.

Hình 2.13 Cánh tay robot điều khiển bằng Arduino

2.3 Đề xuất nguyên lí hoạt động dây chuyền phân loại sản phẩm bằng cánh tay robot:

Trên những cơ sở lý thuyết và thực tiễn trên, chúng em đề xuất một dâychuyền phân loại sản phẩm có màu sắc khác nhau bằng cánh tay robot khínén như nhau:

- Sản phẩm cần phân loại được đặt lên băng tải

- Khi băng tải hoạt động sẽ đưa vật đi qua buồng phân loại sản phẩm theomàu sắc, tại đây cảm biến màu sắc phát hiện màu của sản phẩm và trả tínhiệu về cho hệ thống điều khiển PLC

- Cùng lúc này, băng tải vẫn hoạt động đưa vật tiếp tục di chuyển đến khigặp cảm biến quang thì băng tải dừng

- Tại đây, cánh tay gắp sản phẩm và đưa vào buồng chưa sản phẩm theomàu sắc tương ứng Nếu sản phẩm thuộc màu sắc không trùng với buồngchứa màu sắc thì băng tải hoạt động sẽ đưa sản phẩm về hộp chứa sảnphẩm bị lỗi ở phía sau băng tải

- Quá trình sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần như vậy

Phần 3 ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

3.1 Đối tượng

- Màu sắc của sản phẩm để từ đó phân loại theo tiêu chuẩn

- Mô hình cánh tay robot 3 bậc tự do tự động phân loại sản phẩm, hệ thốngvan và xylanh khí nén điều khiển các khớp của cánh tay robot.

- Các cảm biến màu sắc, cảm biến tiệm cận và mô hình băng chuyền

3.2 Phạm vi nghiên cứu

- Thiết kế một dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc

- Gia công chế tạo một mô hình có kích thước nhỏ để mô phỏng dây chuyền

đã được thiết kế ở trên

3.3 Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu tài liệu:

- Tìm hiểu về cấu tạo nguyên lý hoạt động của cụm van xylanh, các cảmbiến có trong hệ thống

- Tìm hiểu về lập trình PLC 1200, phần mềm TIA Portal V14

- Tìm hiểu về môi trường công nghiệp có ứng dụng của robot

Phương pháp chuyên gia

Trực tiếp gặp các chuyên gia, những người có nhiều kinh nghiệm trong lĩnhvực điều khiển tự động, trao đổi với giáo viên hướng dẫn và các giáo viên cókinh nghiệm về điều khiển để tranh thủ ý kiến đóng góp trong quá trình thựchiệ ề tài

Phần 4 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

4.1 Lựa chọn nguyên lí hoạt động

4.1.1 Nguyên lí chung

Nguyên lí chung của hệ thống như sau:

- Sản phẩm cần phân loại được đặt lên băng tải

- Khi băng tải hoạt động sẽ đưa vật đi qua buồng phân loại sản phẩm theomàu sắc, tại đây cảm biến màu sắc phát hiện màu của sản phẩm và trảtín hiệu về cho hệ thống điều khiển PLC

- Cùng lúc này, băng tải vẫn hoạt động đưa vật tiếp tục di chuyển đến khigặp cảm biến quang thì băng tải dừng

- Tại đây, cánh tay gắp sản phẩm và đưa vào buồng chưa sản phẩm theomàu sắc tương ứng Nếu sản phẩm thuộc màu sắc không trùng vớibuồng chứa màu sắc thì băng tải hoạt động sẽ đưa sản phẩm về hộp chứasản phẩm bị lỗi ở phía sau băng tải

- Quá trình sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần như vậy đến khi ngắt điện

4.1.2 Nguyên lí về hoạt động của cánh tay robot

Cánh tay robot được cấu tạo với 4 cơ cấu có thể chuyển động bao gồmmột chuyển động quay 90 độ, hai chuyển động tịnh tiến gồm nâng lên hạxuống và di chuyển vào ra theo trục dọc, cuối cùng là chuyển động đóng mởcủa cơ cấu gắp nhằm để gắp sản phẩm Chuyển động quay sẽ có một xilanhquay khí nén đảm nhận nhiệm vụ truyền động, ba chuyển động còn lại đượctruyền động tương ứng bằng các xilanh tịnh tiến

Hình 4.1 Thiết kế phần cánh tay robot trên Solidworks.

Nguyên lí về hoạt động của cánh tay robot:

- Ở trạng thái ban đầu, cánh tay robot nằm vuông góc với băng tải Cùngvới đó, cơ cấu nằm ngang sẽ di chuyển tịnh tiến về phía dưới và cơ cấutịnh tiến nằm ngang sẽ đi vào phía sát cánh thân cánh tay và cơ cấu gắp

sẽ mở ra Cánh tay sẽ nằm yên ở vị trí như vậy để chờ sản phẩm đến vàthực hiện thao tác gắp và di chuyển vật theo lệnh điều khiển từ PLC

- Khi có vật màu đỏ, cánh tay gắp vật để vào ô phân loại sản phẩm màu

đỏ Lúc này, cơ cấu tịnh tiến ngang sẽ di chuyển ra hướng về phía băngtải hết cỡ Sau khi cơ cấu ngang di chuyển xong, cơ cấu gắp sẽ thực hiệnthao tác gắp Tiếp theo, cơ cấu ngang di chuyển vào lại đi xa khỏi hướngbăng tải Sau đó, cơ cấu xoay sẽ quay 90 độ Sau khi cơ cấu xoay thựchiện thao tác quay xong, cánh cơ cấu tịnh tiến ngang sẽ di chuyển ra vềphía ô phân loại sản phẩm và cơ cấu gắp sẽ mở ra và thả vật vào ô này

- Đối với vật màu xanh, cánh tay di chuyển có chút khác đối với việc phânloại màu đỏ Sau khi cánh tay quay xong, sẽ thêm thao tác nâng lên bằng

cơ cấu di chuyển tịnh tiến nằm dọc Còn lại các thao tác sẽ tương tự

- Sau khi thả vật vào các ô phân loại phù hợp, cánh tay sẽ trở về trạng tháiban đầu để tiếp tục chờ tín hiệu gắp từ PLC

4.1.3 Nguyên lí hoạt động phân loại màu sắc

Băng tải hoạt động sẽ đưa vật đi qua cụm cảm biến màu sắc, tại đây cảmbiến màu sẽ phát ra ánh sáng trắng chiếu vào vật, ánh sáng sau khi chiếu vàovật được phản xạ lại bộ phận cảm biến, thông qua việc đọc phổ màu, cảm biến

sẽ trả tín hiệu về hệ thống điều khiển, hệ thống điều khiển cho cánh tay gắp vậtđưa về buồng phân loại màu thích hợp và nếu vật bị lỗi thì sẽ được băng tảiđưa về thùng ở cuối băng tải

Cụm cảm biến màu sắc được thiết kế với một cảm biến màu sắc TCS3200được điều khiển qua Arduino Arduino có chức năng xử lí tín hiệu màu sắc màcảm biến TCS3200 đọc được sau đó truyền tín hiệu qua hệ thống các modulerelay có opto cách ly, tín hiệu từ đây mới được truyền qua các chân Input củaPLC S7-1200

Hình 4.2 Cảm biến màu sắc và cảm biến quang

4.1.4 Nguyên lí về điều khiển

Việc điều khiển của hệ thống sẽ được PLC điều khiển thông qua việc thayđổi các tín hiệu điện DC ở hai mức điện áp cơ bản là 24V và 0V Các tín hiệuInput được đưa vào PLC sẽ được điều khiển bằng Relay Các tín hiệu Output

sẽ được đưa ra các van điện từ để điều khiển khí nén và Relay điều khiển động

cơ băng tải

Toàn bộ hệ thống được điều khiển bằng PLC S7-1200 theo sơ đồ thuật toánsau (Hình 4.3)

Bắt đầu chương trình

Có tín hiệu

Băng tải hoạt động

Gắp sản phẩm vào ô đỏ

Gắp sản phẩm vào ô xanh

ĐÚNG

Đếm sp đỏ +1

Đếm sp xanh +1

Đếm sp loại +1

4.2 Thiết kế chung của mô hình

Phần khung của mô hình được cấu tạo từ 3 phần (hình 4.4): Cánh tay robot,băng tải và phần khung Tất cả được làm từ thép mã kẽm có kích thước

20x20mm, 13x26mm, 14x14mm và thép lập là 20x2mm

Hình 4.4 Thiết kế chung của mô hình

4.3 Thiết kế phần cơ khí

4.3.1 Phần khung

Phần khung cánh tay (Hình 4.5) được thiết kế dạng hình hộp có kích

thước 50x80x2 từ các thanh thép hộp mạ kẽm được lên kết bằng mối hàn.Bên ngoài khung được dán bằng các tấm alu để che đi các bộ phận điện và hệthống van khí nén điều khiển được đặt bên trong

Hình 4.5 Khung mô hình sau khi hàn

4.3.2 Cánh tay robot

Cánh tay robot được thiết kế với 3 bậc tự do, được truyền động qua hệthống khí nén với cấu tạo với 3 bộ phận chính gồm: bộ phận quay, thân cánhtay, cơ cấu gắp và cùng với đó là một hệ thống xilanh khí nén đi kèm (Hình4.6)

Bộ phận quay bao gồm một xilanh quay khí nén để truyền động cơ họcquay 90 độ, một ổ bi để giúp chuyển động quay trở nên mượt mà

Phần thân cánh tay được thiết kế gồm 2 cơ cấu chính với một cơ cấu thẳngđứng và một cơ cấu nằm ngang Phần thân có nhiệm vụ chính là bộ phận chịulực chính giúp cánh tay đứng vững Ngoài ra, trên phần này còn được lắp cácxilanh khí nén có chức năng truyền động lực để nâng vật lên cao theo chiềudọc hay di chuyển cánh tay ra vào theo chiều ngang

Cơ cấu gắp được thiết kế gồm 1 xilanh và các cơ cấu gắp như hình Tại đâydưới tác dụng lực của khí nén, vật được giữ chặt trên cơ cấu

Hệ thống xilanh khí nén được lặp đặt theo các bộ phận trên với 4 xilanhgồm 1 xilanh quay truyền động quay, 3 xilanh thẳng truyền động tịnh tiến Cácxilanh được lựa chọn dựa trên khả năng chịu lực tại ví trí lắp đặt và lực cung