Tìm hiểu và lập trình điều khiển cho robot harmo bằng PLC omron và CX – ONE

I. TỔNG QUAN VỀ ROBOT CÔNG NGHIỆP Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vai trò đặc biệt quan trọng. Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao động…vấn đề được đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao. Robot công nghiệp, đặc biệt là những tay máy robot là bô phận quan trọng để tạo ra những hệ thống đó. Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại các chương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị, định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hành trình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khác nhau. Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thực hiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiển theo những chương trình đã được lập trình sẵn. Với đặc điểm có thể lập trình lại được, robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếu được của các hệ thống sản xuất linh hoạt. Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiện hữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người những công việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người. Robot Harmo là một trong số đó. Với đặc điểm lập trình chạy tự động nhờ sử dụng điều khiển logic PLC. Nó có thể giúp ta trong rất nhiều các công việc khác nhau trong công việc như: xếp hàng, vận chuyển hàng, … một cách linh hoạt, tự động và chính xác. Nội dung môn học” Lập trình robot công nghiệp” sẽ giúp chúng ra hiểu và biết cách lập trình điều khiển robot Harmo.   II. TÌM HIỂU VỀ ROBOT HARMO 1. Giới thiệu ROBOT Harmo Harmo có nhãn hiệu UE700SW2R, đây là robot có 4 bậc tự do (3 tịnh tiến theo các trục tọa độ X,Y,Z và một chuyển động quay quanh trục X). 1.2. Khâu chấp hành A. Truyền dẫn cơ khí trong ROBOT Harmo Trong robot Harmo sử dụng các loại truyền dẫn cơ khí phổ biến như: Cơ cấu đặt cữ dùng bộ truyền vít me đai ốc bi. Truyền động đai răng giữa puly động cơ và đai ốc. Cơ cấu bánh răng thanh răng. B. Dẫn động trong ROBOT Harmo Chuyển động chính dọc trục X sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ ba pha.

Bài tập lớn: Tìm hiểu và lập trình điều khiển cho robot Harmo

bằng PLC Omron và CX – ONE Giảng viên hướng dẫn : TS Trần Thị Thanh Hải

Hà Nội 24/05/2021

Trong sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước vấn đề tự động hóa có vaitrò đặc biệt quan trọng.

Nhằm nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năngcạnh tranh của sản phẩm, cải thiện điều kiện lao động, nâng cao năng suất lao động…vấn

đề được đặt ra là hệ thống sản xuất phải có tính linh hoạt cao Robot công nghiệp, đặc biệt

là những tay máy robot là bô phận quan trọng để tạo ra những hệ thống đó

Robot công nghiệp là một cơ cấu chuyển động tự động có thể lập trình, lặp lại cácchương trình, tổng hợp các chương trình đặt ra trên các trục tọa độ, có khả năng định vị,định hướng, di chuyển các đối tượng vật chất như chi tiết, đạo cụ, gá lắp theo những hànhtrình thay đổi đã được chương trình hóa nhằm thực hiện các nhiệm vụ công nghệ khácnhau Do đó, robot công nghiệp có thể được hiểu là những thiết bị tự động linh hoạt, thựchiện các chức năng lao động công nghiệp của con người dưới một hệ thống điều khiểntheo những chương trình đã được lập trình sẵn Với đặc điểm có thể lập trình lại được,robot công nghiệp là thiết bị tự động hóa và ngày càng trở thành bộ phận không thể thiếuđược của các hệ thống sản xuất linh hoạt Vì vậy, robot công nghiệp trở thành phương tiệnhữu hiệu để tự động hóa, nâng cao năng suất lao động và giảm nhẹ cho con người nhữngcông việc nặng nhọc, độc hại dưới sự giám sát của con người Robot Harmo là một trong

số đó Với đặc điểm lập trình chạy tự động nhờ sử dụng điều khiển logic PLC Nó có thểgiúp ta trong rất nhiều các công việc khác nhau trong công việc như: xếp hàng, vận chuyểnhàng, … một cách linh hoạt, tự động và chính xác Nội dung môn học” Lập trình robotcông nghiệp” sẽ giúp chúng ra hiểu và biết cách lập trình điều khiển robot Harmo

II TÌM HIỂU VỀ ROBOT HARMO

1 Giới thiệu ROBOT Harmo

Harmo có nhãn hiệu UE700SW-2R, đây là robot có 4 bậc tự do (3 tịnh tiến theo các trục tọa độ X,Y,Z và một chuyển động quay quanh trục X)

Hình 1.1 Mô hình robot 3D harmo

Robot có 4 bậc tự do:

- Tịnh tiến theo phương X

- Tịnh tiến theo phương Y

- Tịnh tiến theo phương Z

- Quay 90° theo phương X

1.1 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động

A Khâu đế

Là khâu cố định với mặt phẳng để đảm bảo độ chính xác trong chuyển động Đảmbảo robot chuyển động không rung động, không gây đổ vỡ Với chiều cao củakhâu là 2500mm

Hình 1.3 khâu đế robot Harmo

B Khâu 2 (Tịnh tiến theo trục X)

- Kết cấu:

 Thân làm bằng chất liệu cứng vững phù hợp với kết cấu robot

 Cơ cấu truyền động và dẫn hướng: sử dụng bộ truyền bánh rang thanh răngbiến chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến của trục X

và thanh dẫn hướng đôi én ma sắt lăn để đảm bảo sai số phù hợp trong quátrình dịch chuyển

 Nguồn dẫn động là động cơ điện xoay chiều 3 pha,

 Hệ thống đo lường dịch chuyển và phản hồi: Sử dụng encoder, hai vị trí giớihạn hành trình dịch chuyển được xác định thông qua 2 cảm biến vị trí lắp ởđầu và cuối hành trình

- Kích thước:

 Chiều dài thông dụng: 1850mm

 Giới hạn dịch chuyển:1600mm

Hình 1.4 kết cấu trục X cảu robot Harmo

C Khâu 3 (Tịnh tiến theo trục Y).

 Nguồn dẫn động: là piston xylanh khí nén

 Cơ cấu truyền động và dẫn hướng: sử dụng vitme đai ốc và các thanh dẫn hướng đuôi én ma sát lăn

 Hệ thống đo lường dịch chuyển và phản hồi: vẫn sử dụng encoder được gắn tren đầu động cơ và khớp nối phản hồi góc quay cảu vitme

- Kích thước

 Chiều dài phưng Y: 1200mm

 Giới hạn chuyển động trục Y: 500mm

Hình 1.5 kết cấu trục Y của robot harmo

D Khâu 4 (Tịnh tiến theo trục Z).

- Kết cấu:

 Nguồn động lực: các pittong xilanh khí nén

 Cơ cấu truyền động và dẫn hướng: Xử dụng bộ truyền puli đai rang, Cơ cấutruyền dẫn cho bộ phần điều chỉnh cữ là vít me đai và bộ truyền đai răngtruyền chuyển động từ động cơ tới đai ốcvà các thanh dẫn hướng đuôi én.

- Kích thước:

 Chiều dài phương Z: 1050mm

 Giới hạn chuyển động trục Z: 600mm

Hình 1.6 Khâu tịnh tiến theo trục Z

E Khâu 5 (Tay kẹp khâu chuyển động cuối).

- Kết cấu

 Tấm để nghiên cứu

- Kích thước

 Chiều dài thanh kẹp: 40mm

 Góc quay 90o

 Điều khiển chuyển động thông qua hệ thống xylanh, khí nén

Hình 1.7 Kết cấu cổ tay của robot

1.2 Khâu chấp hành

A Truyền dẫn cơ khí trong ROBOT Harmo

Trong robot Harmo sử dụng các loại truyền dẫn cơ khí phổ biến như:

- Cơ cấu đặt cữ dùng bộ truyền vít me đai ốc bi

- Truyền động đai răng giữa puly động cơ và đai ốc

- Cơ cấu bánh răng thanh răng

B Dẫn động trong ROBOT Harmo

- Chuyển động chính dọc trục X sử dụng động cơ điện xoay chiều không đồng bộ bapha

- Sử dụng động cơ điện một chiều điều chỉnh cữ cho các bậc tự do điều khiển bằngkhí nén

- Các cảm biến được sử dụng trong robot Harmo là các cảm biến điện từ

- Dùng các Encoder để đo lường dịch chuyển thẳng hoặc góc đồng thời chuyển đổi vịtrí góc hoặc vị trí thẳng thành tín hiệu nhị phân và nhờ tín hiệu này có thể xác địnhđược vị trí trục hoặc bàn máy

Xi lanh tác động đơn chuyển động lùi nhờ lò xo.

Xi lanh tác động kép với piston tác động ở một đầu cần

Van tiết lưu điều chỉnh được, tác động bất kì.

III LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ROBOT HARMO

1 Giới thiệu về phần mềm điều khiển robot Harmo (PLC OMRON CX-1).

a Giới thiệu chung

Trong một hệ thống điều khiển tự động, PLC được xem như là trái tim của hệ thốngđiều khiển Với một chương trình ứng dụng (đã được lưu trữ bên trong bộ nhớ củaPLC) thì PLC liên tục kiểm tra trạng thái của hệ thống, bao gồm: kiểm tra tín hiệuphản hồi từ các thiết bị nhập, dựa vào chuơng trình logic để xử lý tín hiệu và mangcác tín hiệu điều khiển ra thiết bị xuất

PLC được dùng để điều khiển những hệ thống từ đơn giản đến phức tạp Hoặc ta cóthể kết hợp chúng với nhau thành một mạng truyền thông có thể điều khiển một quátrình phức hợp

Bộ điều khiển PLC OMRON hiện đang sử dụng rộng rãi trên thị trường với giá thànhthấp nhưng chức năng vô cùng lớn

Các bộ điều khiển lập trình của hãng PLC omron rất đa dạng, những loại PLC nên tạothành từ những modul rời kết nối lại với nhau, có thể cho phép mở rộng dung lượng

bộ nhớ và mở rộng các ngõ vào, ra Vì vậy chúng được sử dụng rất linh hoạt và đadạng trong thực tiễn Ngoài ra, hãng plc omron còn sản xuất các bộ PLC có cấu trúc

cố định, các plc omron này chỉ được cho các công việc đặc biệt nên không đòi hỏitính linh hoạt cao Các plc omron đều có cấu trúc gồm: bộ nguồn, CPU, các Port I/O,các modul I/O đặc biệt Để có được một bộ PLC hoàn chỉnh thì ta phải lắp ráp cácmodul này lại với nhau Việc kết nối này thực hiện khá đơn giản và cho phép thay thế

dễ dàng

b Cấu trúc của PLC

Về cơ bản, PLC có thể chia thành 5 thành phần như sau:

- Phần giao diện đầu vào (Input)

- Phần giao diện đầu ra (Output).

- Bộ xử lí trung tâm (CPU)

- Bộ nhớ dữ liệu và chương trình (Memory)

- Nguồn dữ liệu đầu ra (Power Supply)

- Lệnh LOAD hay LOAD NOT là lệnh tiếp điểm thường hở & tiếp điểm thườngđóng, dùng làm điều kiện khởi đầu một thang mới trong sơ đồ bậc thang và có chứcnăng giống với một tiếp điểm của sơ đồ điện.

2.2.2 Lệnh tiếp điểm: AND và AND NOT

- Lệnh AND (AND NOT) dùng để tạo ra các tiếp điểm thường mở (thường đóng)theo sau (nối tiếp) với các tiếp điểm tạo ra bởi lệnh LD hay LD NOT

2.2.3 Lệnh tiếp điểm: OR và OR NOT

- Lệnh OR (OR NOT) tạo ra các tiếp điểm thường mở (thường đóng) nối song

song với một nhánh khác

2.2.4 Lệnh: AND LD và OR LD

- Lệnh AND LD nối tiếp 2 khối logic với nhau trong một sơ đồ bậc thang

- Lệnh OR LD nối song song 2 khối với nhau trong một sơ đồ bậc thang

2.2.5 Lệnh cuộn dây: OUT và OUT NOT

- Lệnh OUT (OUT NOT) sẽ bật bit được gán cho lệnh này lên ON (xuống OFF)khi điều kiện thực thi đi trước nó là ON và sẽ reset bit này về OFF khi điềukiện đi trước là OFF Lệnh OUTPUT giống với chức năng cuộn dây trong sơ

đồ điện là khi một cuộn dây nhận được điện từ tiếp điểm (điều kiện) đi trước

nó sẽ hút (đóng) hay nhả (mở) tiếp điểm đi kèm

2.2.6 Lệnh bật bit SET và xóa bit RESET

- Lệnh SET sẽ bật bit đi kèm lên ON khi điều kiện thực thi của nó là ON Sau đó, bit

sẽ vẫn ở trạng thái ON không phụ thuộc vào việclệnh SET có điều kiện thực hiện là

ON hay OFF cho đến khi lệnh RESET (RSET) xoá nó về OFF

2.2.8 Lệnh copy dữ liệu MOVE - MOV(21)

S = Là địa chỉ của word nguồn (Source word) hoặc một hằng số (# là ký hiệu của một hằng số, ví dụ #155, được nhập vào ngay khi lập trình)

D = Là địa chỉ của word đích (Destination word)

Khi lệnh MOV(21) có điều kiện thực hiện là ON, lệnh này sẽ copy hằng

số hoặc nội dung của word có địa chỉ chỉ định bởi S sang word có địa chỉ chỉ

định bởi D Nội dung của word nguồn S không thay đổi khi thực hiện lệnh này

2.2.9 Rơ le thời gian (TIMER)-TIM

N = Số của timer hiện dùng (Timer Number) (số hợp lệ là từ 000 - 127)

SV = Giá trị đặt trước Set Value tính theo đơn vị là 0,1s (SV phảI ở dạng số BCD hoặc chỉ đến một Word có chứa giá trị BCD) Giá trị của SV phải nằm trong khoảng từ 0000

- 9999 (0 - 999,9 Giây.)

2.2.10 Bộ đếm giảm (COUNTER) – CNT

- N: Số của bộ đếm (từ 000 đến 127)

- SV: Giá trị đặt (từ 0 đến 9999) và phải ở dạng BCD

- CP: Đầu vào xung đếm

- R: Đầu vào reset

2.3 Phần mềm CX – Programmer

- Giới thiệu về CX- Programmer: CX-ONE là 1 bộ phần mềm được tích hợp chặt

chẽ nhằm đáp ứng những yêu cầu ngày càng cao trong tự động hóa công nghiệp và

hỗ trợ các thiết bị rất đa dạng của OMRON Với các phần mềm này, người sử dụng

có trong tay những công cụ mạnh, sử dụng dễ dàng và liên tục được cập nhật, cải tiến Bao gồm:

 CX-Programmer cung cấp 1 nền tảng chung cho phát triển chương trình cho tất cả các loại PLC Omron từ các loại micro PLC đến những loại PLC Duplexcao cấp

 Sysmac Compolet cung cấp cho các nhà phát triển phần mềm các thành phần

để trợ giúp việc phát triển các phần mềm kết nối với các bộ điều khiển của OMRON dùng các công cụ như Microsoft Visual Studio.Net

 CX-Integrator giúp cấu hình các mạng công nghiệp kết nối dùng PLC như Controller Link, DeviceNet, CompoNet, CompoWay, Ethernet, bao gồm cả các chức năng Routing Table Component và Data Link Component

 CX-Reporter cho phép người sử dụng đọc và ghi dữ liệu từ PLC bằng

Microsoft Excel mà không cần phải lập trình

 CX-Process Tools là công cụ đi kèm với khối module PLC Loop Control Board/Unit của OMRON, cho phép tạo và thử các quy trình điều khiển tuần

tự & vòng cũng như các khối chức năng cho khối này

 Cx-Motion giúp việc đặt thông số, theo dõi và lập trình với ngôn ngữ G-Codecho các bộ điều khiển chuyển động loại CS1-MC series của OMRON trở nên

 Cx-Protocol giúp xây dựng các chương trình kết nối với các thiết bị của hãng thứ ba qua giao tiếp nối tiếp bằng các card truyền thông của họ PLC CS1/CJ1

& các họ PLC khác Sau đó việc thực hiện truyền thông sẽ thực hiện bằng lệnh PMCR trong ngôn ngữ bậc thang

 CX-Profibus trợ giúp việc đặt cấu hình, chỉnh sửa thông số, chẩn đoán & bảo trì mạng Profibus

 Phần mềm dùng để đặt thông số cho các thiết bị công nghiệp của Omron như

bộ điều khiển nhiệt độ

 Phần mềm thiết kế các trang màn hình giao diện cho màn hình loại series NS

 CX-Programmer hiện có 3 phiên bản chính:

 Bản Junior 2.1: Bản này chỉ hỗ trợ các loại PLC micro của OMRONnhư CPMx, SRM1 Hiện tại phiên bản này được cung cấp miễn phí cho các kháchhàng mua PLC OMRON tại Việt nam

 Bản Junior: Bản này chỉ hỗ trợ các loại PLC micro của OMRON như CP1L/ CP1H, CPMx, SRM1

 Bản đầy đủ: Bản này hỗ trợ tất cả các loại PLC của OMRON, ngoài loại CPMx, SRM1 còn có các loại thông dụng khác như CQM1x, C200x, CS1, CJ1x

- Làm việc với CX-Pro:

- Tạo Project mới:

- Chọn loại PLC;

- Chọn kênh truyền thông:

Các thông số này thường là không cần thay đổi vì các thông số mặc định đã được đặt

sẵn phù hợp với loại PLC đang dùng Network Type cần chọn là USB như hình trên

đối với loại CP1L/CP1H khi dùng cáp USB để kết nối với PLC

Trường hợp CX-Programmer không thể kết nối với PLC, hãy kiểm tra lại thông số nàyCác thành phần trên màn hình:

Các cửa sổ phụ trên màn hình giao diện của CX-Programmer

Trong quá trình làm việc với CX-Programmer, người sử dụng có thể bật hoặc tắt

các cửa sổ phụ

Các cửa sổ này hiển thị các thông tin có liên quan đến các đối tượng & công việc đangđược thực thi

- Kiểm tra kết nối với PLC

Bấm vào nút Work Online để kết nối với PLC sau khi đã nối cáp giữa máy tính với PLC Sau khi kết nối được thiết lập, CX-Programmer sẽ ở chế độ làm việc Online

Thêm tiếp điểm:

Thêm tiếp điểm:

Thêm hàm Functuon:

Mọi chương trình đều cần có ít nhất 1 lệnh End để đánh dấu điểm kết thúc của chương trình Lệnh End và nhiều khối chức năng khác (function) có thể nhập vào dùng công cụ Instruction.

Kiểm tra và biên dịch lệnh:

Việc biên dịch chương trình để nhằm phát hiện các lỗi do sai cú pháp, thiếu/thừa cácphần tử, trong chương trình Kết quả biên dịch được hiển thị trong tab compile của cửa sổOuput Bước tiếp theo chúng ta sẽ nạp chương trình đã viết vừa qua vào PLC Về nguyêntắc, PLC cần chuyển sang Program Mode trước khi cho phép thay đổi nội dung chươngtrình PLC Tuy vậy, ta có thể nạp chương trình vào PLC kể cả khi đang ở bất kỳ chế độnào nhờ có các tính năng của CX-Programmer trợ giúp.

Bấm nút Work Online để kết nối với PLC, sau đó sử dụng các nút trên thanh công

cụ để thay đổi chế độ chạy của PLC

Nạp chương trình từ PC vào PLC:

Thử chương trình.

CX-Programmer có các chức năng hữu ích giúp thử và kiểm tra chương trình.Ở đây

ta có thể bật/tắt 1 bit trong chương trình hoặc đầu vào/đầu ra mà không cần đầu vào vật lý

IV BÀI TẬP LẬP TRÌNH ROBOT HARMO

Lấy vật 1, 2, 3, 4, 5 ở 2’y:

- Chu trình 1: lấy vật 1, 2, 3 đưa đến đặt ở vị trí 4x, 5x, 4’x

- Chu trình 2: lấy vật ở vị trí 4x,5x, 4’x đưa đến đặt ở vị trí 5’y, 3’y, 1y

- Chu trình 3: lấy vật ở vị trí 5x, 4x,3’x đưa đến vị trí 1y, 2y, 2y

Chọn khoảng cách giữa các vị trí 1x, 2x, , 5’x tùy ý sao cho phù hợp với chiều dài hành trình tối đa

Phân bố các vị trí theo yêu cầu đề bài

Chọn m = 152 (mm)

Chọn khoảng cách giữa các vị trí x = 200(mm)

1 Sơ đồ thuật toán

2 Chương trình lập trình PLC

V Kết luận

Sau thời gian được học môn học kỹ thuật lập trình robot công nghiệp, cùng với sự hướng dẫn của giáo viên và nguồn tài liệu tham khảo, chúng em đã hoàn thành bài tập lớn được giao Mặc dù còn nhiều sai sót vì kiến thức còn hạn chế nhưng chúng

em đã đạt được 1 số kết quả nhất định:

- Xây dựng được cấu trúc động học của robot (về hệ tọa độ, bảng thông số động học theo quy tắc D-H), qua đó áp dụng để xây dựng cho robot Harmo

- Tìm hiểu được các thông tin về PLC Omron và phần mềm CX – ONE

- Nắm bắt được quy trình lập trình robot bằng lược đồ hình thang và xây dựng được sơ đồ thuật toán gắp phôi

- Lập trình điều khiển trên CX – ONE để điều khiển robot Harmo gắp phôiTrải qua mười lăm tuần học trên lớp và một số buổi thực hành tại phòng thí nghiệm điều khiển robot công nghiệp, đã giúp em nắm được những hiểu biết cơ bản về robot công nghiệp, các dạng điều khiển robot trong công nghiệp, và nắm được cách sử dụng một số phần mềm điều khiển robot như “KUKA Sim Pro 1.1”, “PLC

OMRON” Nhờ những kiến thức đã nắm được chúng em đã áp dụng và hoàn thành yêu cầu bài tập và trình bày trong phần báo cáo ở trên Trong quá trình thực hiện, dù

đã được sự chỉ dẫn tận tình của cô giáo Trần Thị Thanh Hải, nhưng do hạn chế về kiến thức, bài tập của em không thể tránh khỏi được những sai sót, rất mong được sự đóng góp của cô để em có thể hoàn thiện hơn bài báo cáo này Nhóm chúng em xin chân thành cảm ơn giảng viên: TS Trần Thị Thanh Hải đã nhiệt tình hướng dẫn, giúpchúng em hoàn thành bài báo cáo này Em kính chúc cô luôn dồi dào sứckhỏe và gặt hái được nhiều thành công trong sự nghiệp của giảng dạy cao quý