Mô hình flying shear điều khiển đồng bộ sử dụng mạng SSCNET III

Các số liệu, tài liệu ban đầu: - Tìm hiểu về động cơ servo cũng như cách điều khiển - Tìm hiểu về bộ động cơ servo và driver MR-J3-B của Mitsubishi - Tìm hiểu về điều khiển vị trí -

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GVHD:LÊ HOÀNG LÂM SVTH: TRẦN THANH TÙNG MSSV:14142452

SVTH: NGUYỄN CÔNG HẬU MSSV: 14142453

SKL 0 0 6 4 6 6

MÔ HÌNH FLYING SHEAR – ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ

SỬ DỤNG MẠNG SSCNET III

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Tp Hồ Chí Minh, tháng 7 năm 2018

Khóa: 2014

Ngành: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỆN – ĐIỆN TỬ

GVHD: ThS LÊ HOÀNG LÂM

SVTH: TRẦN THANH TÙNG MSSV: 14142452

NGUYỄN CÔNG HẬU MSSV: 14142453

ĐỀ TÀI: MÔ HÌNH FLYING SHEAR – ĐIỀU KHIỂN

ĐỒNG BỘ SỬ DỤNG MẠNG SSCNET III

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

******

Tp Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 7 năm 2018

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Họ và tên Sinh viên: Trần Thanh Tùng MSSV: 14142452

Nguyễn Công Hậu 14142453

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Lớp: 14142CLC2

Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm

Ngày nhận đề tài : 2/2018 Ngày nộp đề tài 14/7/2018

1 Tên đề tài: Mô hình Flying shear – điều khiển đồng bộ sử dụng mạng SSCNET III

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Tìm hiểu về động cơ servo cũng như cách điều khiển

- Tìm hiểu về bộ động cơ servo và driver MR-J3-B của Mitsubishi

- Tìm hiểu về điều khiển vị trí

- Tìm hiểu về hệ thống Flying shear trong công nghiệp

3 Nội dung thực hiện đề tài:

- Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống Flying shear

- Thiết kế cơ khí cho mô hình

- Thiết kế phần điều khiển cho hệ thống

- Viết chương trình điều khiển cho Q-motion CPU

- Viết chương trình điều ladder cho CPU dòng Q series

- Cài đặt các thông số theo cơ khí đã thiết kế và điều chỉnh máy

- Thiết kế lập trình cho màn hình HMI GOT1000

- Chạy thử nhiều lần và ghi nhận lại các qua trình chạy và rút ra sai số

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

******

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN Họ và tên Sinh viên: Trần Thanh Tùng MSSV: 14142452 Nguyễn Công Hậu 14142453

Ngành: Công nghệ kỹ thuật Điện – Điện tử Lớp: 14142CLC2 Tên đề tài: Mô hình Flying shear – điều khiển đồng bộ sử dụng mạng SSCNET III Họ và tên Giáo viên hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm

NHẬN XÉT Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

Đề nghị cho bảo vệ hay không?

Đánh giá loại:

Điểm:……….(Bằng chữ: )

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên hướng dẫn (Ký & ghi rõ họ tên)

CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do – Hạnh Phúc

*******

PIHẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

Họ và tên Sinh viên: Trần Thanh Tùng MSSV: 14142452

Nguyễn Công Hậu MSSV: 14142453

Ngành: Công nghệ kỹ thuật điện – điện tử

Tên đề tài: Mô hình Flying shear – điều khiển đồng bộ sử dụng mạng SSCNET III

Họ và tên Giáo viên phản biện: PGS.TS Trương Đình Nhơn

NHẬN XÉT

1 Về nội dung đề tài & khối lượng thực hiện:

2 Ưu điểm:

3 Khuyết điểm:

4 Đề nghị cho bảo vệ hay không ?

5 Đánh giá loại:

6 Điểm:……….(Bằng chữ )

Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 20…

Giáo viên phản biện

(Ký & ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Lời đầu tiên cho chúng em được gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Hoàng Lâm – giáo viên hướng dẫn đồ án tốt nghiệp đã bên cạnh giúp đỡ, hướng dẫn, dạy bảo và đưa ra những góp ý cực kì hữu ích để chúng em có thể hoàn thành đồ án này Bên cạnh đó xin gửi lời cảm ơn đến các thầy, cô khoa Đào tạo chất lượng cao, khoa Điện – điện tử đã giúp chúng em có được các kiến thức nền tảng một cách vững chắc và hỗ trợ giải đáp những băn khoăn trong suốt 4 năm học tại trường

Chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Lê Linh, thầy Trương Nguyễn Luân Vũ

đã tạo điều kiện cho tụi em được làm việc tại xưởng Trung tâm tư vấn, thiết kế và chế tạo thiết bị công nghiệp mà nhờ đó chúng em đã được rèn luyện, thực hành thêm những kiến thức về điện, tự động và hơn thế nữa chúng em được tiếp xúc và làm việc thường xuyên với các chi tiết, máy móc cơ khí để hiểu rõ hơn về tầm quan trọng của cơ khí và

sự gắn kết giữa điều khiển điện và cơ khí với nhau Cảm ơn các bạn ở khoa cơ khí cùng làm việc dưới trung tâm đã giúp đỡ, hỗ trợ gia công các chi tiết cơ khi cho cả mô hình

đồ án

Một lần nữa xin chân thành cảm ơn đến mọi người xung quanh, gia đình, người thân, bạn bè và thầy cô đã và đang bên cạnh, ủng hộ chung em trên con đường học tập, làm việc và tìm ra những hướng đi mới trong tương lai

MỤC LỤC

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP i

PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN ii

PIHẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN iv

LỜI CẢM ƠN vi

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ xi

TỔNG QUAN 1

1.1 Đặt vấn đề 1

1.2 Tính cấp thiết 1

1.3 Lý do chọn đề tài 2

1.4 Nội dung nghiên cứu 4

1.5 Phương pháp nghiên cứu 4

1.6 Đối tượng nghiên cứu 5

Chương II 6

CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6

2.1 Động cơ servo 6

2.1.1 Giới thiệu về servo 6

2.1.2 Phân loại động cơ servo 6

2.2 Encoder 7

2.2.1 Khái niệm về Encoder 7

2.2.2 Phân loại Encoder 7

2.3 Điều khiển vị trí 9

2.3.1 Thiết lập bộ truyền động điện tử 9

2.4 Hệ thống cơ khí ảo 11

2.4.1 Điều khiển đồng bộ 11

2.4.2 Mô đun truyền động – trục đầu vào 12

2.4.3 Mô đun dẫn động 14

2.4.4 Mô đun đầu ra – đĩa cam 16

Chương III 18

THIẾT KẾ VÀ GIỚI THIỆU MÔ HÌNH 18

3.1 Thiết kế phần cơ khí 18

3.1.1 Bàn đỡ trục X 18

3.1.2 Bàn đỡ trục Y 19

3.1.3 Mặt bích đỡ trục xoay 20

3.1.4 Đế tổng để gắn phần cơ khí 23

3.1.5 Dựng mô hình 3D 24

3.2 Thiết kế mạch điều khiển 25

3.2.1 Mạch động lực 25

3.2.2 Mạch kết nối servo 26

3.2.3 Mạch điều khiển 27

3.2.4 Thiết bị sử dụng 30

3.3 Giới thiệu mô hình đã hoàn thành 40

3.2.1 Hệ thống phần cơ khí 40

3.2.2 Hệ thống phần điện 45

3.2.3 Màn hình HMI 48

Chương IV 55

BÀI TOÁN FLYING SHEAR VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 55

4.1 Bài toán Flying shear 55

4.1.1 Hệ thống Flying shear trong thực tế 55

4.1.2 Giải pháp thực hiện bài toàn Flying shear 60

4.2 Phương pháp thực hiện 66

4.2.1 Các thiết lập cho motion cpu và servo parameter trên phần mềm MT Developer2 66

4.2.2 Chương trình motion SFC chính 78

Chương V 83

VẬN HÀNH HỆ THỐNG, ĐƯA KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐI TƯƠNG LAI 83

5.1 Vận hành hệ thống 83

5.2 Kết luận 83

5.3 Hướng phát triển đề tài 84

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85

PHỤ LỤC 86

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 2.1 Chế độ xung ngõ ra 10 Bảng 3.1 Chú thích CPU Q172DS 32 Bảng 3.2 Chú thích ngõ vào I/F 34 Bảng 3.3 Các chi tiết kỹ thuật của tín hiệu đầu vào/đánh dấu phát hiện tín hiệu vào 34 Bảng 3.4 Chú thích các hình drvier MR-J3-B 38 Bảng 4.1 Chú thích các cài đặt trong hệ cơ khí ảo theo bài toán Flying shear…….77 Bảng 4.2 Giải thích chương trình SFC đoạn đồng bộ 1 80 Bảng 4.3 Giải thích chương trình SFC đoạn đồng bộ 2 81 Bảng 4.4 Giải thích chương trình SFC đoạn đồng bộ 3 82

DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ

Hình 1 1 Mô hình mô tả hệ thống Flying shear 3

Hình 1 2 Hệ thống Flying shear trong thực thế 3

Hình 2.1 Đĩa encoder 7

Hình 2.2 Đĩa encoder tuyệt đối 8

Hình 2.3 Đĩa encoder tương đối 8

Hình 2.4 Minh họa chiều quay của động cơ 10

Hình 2.5 Giới hạn hành trình cho cơ cấu 11

Hình 2.6 Tổng quan hệ thống cơ khí ảo 12

Hình 2.7 Trục servo thực/ ảo 13

Hình 2.8 Encoder đồng bộ bên ngoài 13

Hình 2.9 Hệ thống dẫn động trong cơ khí 14

Hình 2.10 Bánh răng 14

Hình 2.11 Ly hợp và cách thức hoạt động 15

Hình 2.12 Bánh răng đổi tốc độ 15

Hình 2.13 Bánh răng vi sai 16

Hình 2.14 Mô đun đầu ra – đĩa cam 16

Hình 2.15 Các loại đĩa cam và chức năng 17

Hình 3.1 Đế đỡ trục vít me X………18

Hình 3.2 Chân đế trục X 19

Hình 3.3 Tấm đỡ trục Y 19

Hình 3.4 Mặt bích trục xoay 20

Hình 3.5 Tấm đỡ mặt bích và bắt vào trục Z 21

Hình 3.6 Ảnh chiếu 3D giá đỡ mặt bích trục xoay 22

Hình 3.7 Bản vẽ đế lớn bắt các thiết bị cơ khí 23

Hình 3.8 Bản vẽ 3D tổng 24

Hình 3.9 Bản vẽ mạch động lực cấp cho driver và PLC 25

Hình 3.10 Mạch kết nối servo 26

Hình 3.11 Bản vẽ mạch điều khiển kết nối bộ Handy Pulser và Laser sensor 27

Hình 3.12 Bản vẽ mạch điều khiển kết nối cảm biến cữ hành trình về driver 28

Hình 3.13 Bản vẽ mạch điều khiển kết nối module ngõ vào QX42 29

Hình 3.14 Bản vẽ mạch điều khiển kết nối module ngõ ra QY42P 29

Hình 3.15 Hình ảnh mặt trước Q172DS motion CPU 30

Hình 3.16 Hình ảnh mặt bên Q172DS motion CPU 30

Hình 3.17 Đầu kết nối high speed I/F 33

Hình 3.18 Đấu dây bộ phát xúc kiểu điện áp collector cực hở 35

Hình 3.19 Sơ đồ chân module QX42 35

Hình 3.20 Sơ đồ chân module QY42P 36

Hình 3.21 Hình ảnh mặt trước của driver 37

Hình 3.22 Sơ đồ chân kết nối tín hiệu cữ hành trình 39

Hình 3.23 Mô hình thiết kế 3D sơ bộ 40

Hình 3.24 Cụm đế đỡ trục X và chân đỡ sau gia công 41

Hình 3.25 Gắn trục X lên đế 42

Hình 3.26 Gắn băng tải cùng hộp giảm tốc lên tấm đế 43

Hình 3.27 Gắn cụm trục Z lên hệ thống 44

Hình 3.28 Mạch động lục phía bên trong tủ điện 45

Hình 3.29 Mạch điều khiển phía trên tủ 46

Hình 3.30 Tổng quan mô hình 47

Hình 3.31 Màn hình chính 48

Hình 3.32 Màn hình chạy Jog 49

Hình 3.33 Màn hình hiển thị vị trí và home các trục 50

Hình 3.34 Màn hình điều khiển vị trí các trục 51

Hình 3.35 Màn hình chạy synchronous 52

Hình 3.36 Màn hình chạy lấy độ bù vị trí trục chạy dao 53

Hình 3.37 Màn hình vận hành hệ thống tự động 54

Hình 4.1 Hệ thống Flying shear cơ khí……… 56

Hình 4.2 Sản phẩm của hệ thống Flying shear cắt thép 57

Hình 4.3 Mô hình Flying shear của hãng ABB mô tả sử dụng servo 58

Hình 4.4 Hệ thống Flying shear sử dụng servo trong thực tế 59

Hình 4.5 Ứng dụng khác của Flying shear trong hệ thống chiết rót 59

Hình 4.6 Lưu đồ bài toán 61

Hình 4.7 Giản đồ tốc độ theo thời gian 62

Hình 4.8 Giản đồ vị trí 62

Hình 4.9 Hệ thống sử dụng Encoder đọc vị trí của trục băng tải chạy biến tần 63

Hình 4.10 Sử dụng Register mark để nhận diện điểm cắt 63

Hình 4.11 Giải thuật sử dụng Register mark cũng như khả năng bù khoảng thiếu

hụt do sai lệch từ cảm biến 64

Hình 4.12 Lưu đồ cho bài toàn Flying shear sủ dụng ngôn ngữ SFC 65

Hình 4.13 Bảng share vùng nhớ từ CPU1 66

Hình 4.14 Bảng share vùng nhớ từ CPU2 67

Hình 4.15 Sử dụng mạng SSCNet III 67

Hình 4.16 Khai báo main base 68

Hình 4.17 Khai báo xung tay 68

Hình 4.18 Khai báo số trục sử dụng 69

Hình 4.19 Khai báo high speed input request 69

Hình 4.20 Khai báo mark detectio 70

Hình 4.21 Khai báo thông số cho động cơ servo 71

Hình 4.22 Khai báo cữ hành trình sử dụng 72

Hình 4.23 Khai báo cảm biến dog về home 72

Hình 4.24 Khai báo thông số chung cho hệ thống 73

Hình 4.25 Lệnh về home 73

Hình 4.26 Lệnh đến vị trí cấp liệu 1 73

Hình 4.27 Lệnh đến vị trí cấp liệu 2 74

Hình 4.28 Lệnh đến vị trí cấp liệu 3 74

Hình 4.29 Lệnh đến vị trí sẵn sàng 75

Hình 4.30 Lệnh bù trục phù cho trục X 75

Hình 4.31 Hệ thống cơ khí ảo trong phần mềm 76

tự động hóa ngày nay hầu như đều sử dụng servo trong những quá trình tự động cụ thể như cánh tay robot, máy CNC, cần trục và các cơ cấu vít me, bàn xoay, linear, …

Hệ thống servo được sử dụng rất nhiều tại các nước phát triển trên thế giới, cụ thể như ứng dụng servo trong hệ thống cắt thép Flying shear, hệ thống Rotary knife hay trong tất cả các robot lắp ráp tự động trong đa lĩnh vực y tế, lắp ráp chế tạo ô tô, hàng không, quân sự, …

Trong nước, hệ thống Flying shear hay Rotary knife đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy công nghiệp sản xuất thép tấm, in, khắc trên các vật liệu hay công nghiệp thực phẩm như đóng gói bao bì, chiết rót nước, … Tuy nhiên, có rất ít các nhà máy, xí nghiệp sử dụng động cơ servo trong hệ thống mà chủ yếu là dùng các hệ thống liên kết bằng cơ khí để thực hiện các điều khiển đồng bộ trên hay phải tốn rất nhiều thời gian để tạo ra sản phẩm do không có sự đồng bộ

1.2 Tính cấp thiết

Sau gần hai thập kỷ của thế kỷ 21, công nghệ kỹ thuật phát triển một cách chóng mặt giúp cho con người rất nhiều trong công việc sản xuất đến các nhu cầu giải trí hằng ngày Càng phát triển, con người càng khó tính hơn, các yêu cầu về mọi mặt đều khắt khe hơn nhưng cũng nhờ vậy mà khoa học kỹ thuật mới có thể tiến xa được như ngày hôm nay

Hiện nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã bùng nổ tại nhiều quốc gia mà Việt Nam là một trong số các quốc gia đó Vì lẽ đó việc nắm bắt kịp thời các công nghệ trên thế giới là điều tất yếu đối với mỗi cá nhân trong lĩnh vực kỹ thuật Các hệ thống, máy móc hiện đại ra đời thay thế dần cho các máy móc của thập kỷ, thế kỷ trước vừa đáp ứng được nhu cầu con người đặt ra vừa cải thiện được hiệu suất, độ chính xác, kích thước

ngày càng nhỏ gọn và hơn thế nữa có tính kinh tế, ứng dụng cực kỳ cao Cụ thể, một trong số đó chính là việc thay thế các hệ thống cơ khí đồ sộ trong điều khiển đồng bộ bằng việc sử dụng các loại động cơ chuyên dụng trong những yêu cầu cụ thể Vì thế, động cơ servo đã và đang được sử dụng rộng rãi trong thập kỷ gần đây như một trong những giải pháp thông minh đáp ứng được cao yêu cầu đã nêu trên

Từ các lí do đó có thể thấy được tính cấp thiết trong việc nắm bắt và điều khiển servo cũng như các hệ thống và ứng dụng quan trọng thế nào trong cuối thập kỷ này Trong những năm gần đây, hệ thống cơ khí ảo hay sử dụng cam data trong việc điều khiển servo nhờ việc sử dụng những dòng servo giao tiếp mạng đã và đang đi đầu trong việc điều khiển động bộ Hơn thế nữa các hãng sản xuất thiết bị tự động hóa trên thế giới như Mitsubishi, Omron, Seimens, … đã cập nhật, cải tiến không ngừng những công nghệ này trong các dòng servo cũng như bộ điều khiển cho thấy được tầm quan trọng của hệ thống đồng bộ trong tự động hóa ngày này

1.3 Lý do chọn đề tài

Qua việc tìm hiểu từ những chuyến đi thực tế nhà máy sản xuất thép tấm posco, những hệ thống đóng gói bao bì, hệ thống chiết rót, robot tốc độ cao đã giúp chúng em biết đến hệ thống Flying shear cũng như thấy được những điểm mới lạ trong điều khiển

tự động Từ những ngày còn học trên ghế nhà trường, chúng em đã tìm hiểu về những

hệ thống này nhưng đều chưa có phương pháp giải quyết Được thầy Lê Hoàng Lâm giới thiệu về hệ thống mạng Servo và bộ điều khiển chuyển động motion CPU, chúng em đã quyết định thực hiện mô hình Flying shear bằng việc sử dụng motion CPU để điều khiển chuyển động đồng thời 5 động cơ servo dòng MR-J3-B của Mitsubishi giao tiếp qua mạng SSCNET III

Một vài mô tả tổng quan hơn về hệ thống Flying shear :

✓ Flying shear là một trong những ứng dụng phổ biến trong công nghiệp

✓ Phạm vi ứng dụng cực kì lớn trong việc cắt kim loại, chiết rót nước hay định hình nguyên liệu vào khuôn, …

✓ Điểm đặc biệt của mô hình Flying shear chính là khả năng thực hiện các thao tác cắt, rót, gắp, … mà không cần dừng nguyên liệu

✓ Cơ cấu Flying shear tự tăng tốc cho đến khi đạt được tốc độ bằng với trục cấp liệu tại vị trí mong muốn, khi đã đạt sự đồng bộ việc

xử lí vật liệu sẽ được thực hiện

Hình 1 1 Mô hình mô tả hệ thống Flying shear

Hình 1 2 Hệ thống Flying shear trong thực thế

1.4 Nội dung nghiên cứu

Nội dung nghiên cứu được đưa ra khi xác định được các đối tượng, chủ đề, giới hạn nghiên cứu để tiến hành định hướng, dẫn dắt cho việc thực hiện đề tài

Mục tiêu và nội dung cụ thể của đề tài :

✓ Tìm hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống Flying shear

✓ Tìm hiểu giải pháp thực hiện hệ thống

✓ Nghiên cứu và điều khiển phối hợp nhiều động cơ servo

✓ Tìm hiểu về các thiết bị cần thiết và phù hợp, đáp ứng được yêu cầu

hệ thống

✓ Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống

✓ Thiết kế phần điện điều khiển cho hệ thống

✓ Lập trình các chương trình điều khiển trên motion CPU bằng phần mềm MT Developer 2

✓ Lập trình các chương trình điều khiển trên CPU dòng Q-series bằng phần mềm GX Works 2

✓ Thiết kế và lập trình giao diện cho màn hình HMI GOT1000 bằng phần mềm GT Designer 3

✓ Vận hành và chỉnh sửa cũng như điều chỉnh các thông số, chương trình cho phù hợp với hệ thống

1.5 Phương pháp nghiên cứu

Để thực hiện đề tài, nhóm đã tham quan nhà máy posco, tham khảo các hệ thống cắt, đóng gói bao bì trong thực tế, tham khảo nhiều mô hình trên mạng internet hay các cuộc triển lãm của các hãng sản xuất servo Dựa trên mục tiêu ban đầu, một số chi tiết,

hệ thống có sẵn của các khóa trước và quan trọng hơn hết là sự góp ý nhiệt tình từ giáo viên hướng dẫn nhóm đã tự đưa ra cho mình hướng đi cũng như cách thức thực hiện đề tài

Tiến trình thực hiện đề tài :

✓ Tham khảo thực tế và hướng dẫn của giáo viên để đưa ra nhiều ý tưởng

✓ Nghiên cứu về servo và điều khiển chuyển động

✓ Tìm hiểu về các chi tiết cơ khí

✓ Thiết kế bản vẽ và gia công phần cơ khí và điện

✓ Lắp ráp hệ thống

✓ Lập trình hệ thống

✓ Tinh chỉnh hệ thống để đạt được mong muốn

✓ Chạy thử và thu kết quả

✓ Kết luận và rút ra thiếu sót cũng như hướng phát triển tương lai

1.6 Đối tượng nghiên cứu

Các đối tượng cơ khí :

✓ Cơ cấu vít me

✓ Cơ cấu băng tải – con lăn

✓ Cơ cấu hộp giảm tốc

✓ Cơ cấu tay gắp sử dụng khí nén

✓ Các chi tiết lắp ráp như mặt bích, khối đế, các lỗ chốt định vị,… Các đối tượng điện điều khiển :

✓ Bộ điều khiển PLC dòng Q-series của Mitsubishi

✓ Bộ điều khiển motion CPU Q172DS

✓ Module ngõ vào/ra QX42 và QY42P

✓ Màn hình HMI GOT1000

✓ Động cơ servo MR-J3-B kết nối qua mạng SSCNETIII

✓ Cảm biến laser tốc độ cao LV-H37 và bộ khuếch đại và LV-21A

✓ Bộ phát xung Manual Pulse Generator

✓ Cổng nhận PLS và High speed mark detection I/F tích hợp trên Q172DS

Chương II

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Động cơ servo

- Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lực moment, tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang Ngoài ra động cơ servo luôn có xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại

vi tác động làm thay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch

- Động cơ servo có 2 loại : AC servo và DC servo

- Đối với DC servo, nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việc thay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì DC servo thường có thế mạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cách cực

kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp Moment xoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điều khiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động Vì những lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo

- Đối với AC servo, có cấu tạo gần khá giống với brushless motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cần thiết hơn so với DC servo Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác Sự liên kết và phản hồi được sử dụng trong các động

cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bô điều khiển hay bộ khuếch đại Quán tính trên roto rất thấp so với DC servo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần số và các pha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trí mong muốn Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000 vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng

- Ứng dụng của động cơ servo

✓ Điều khiển vị trí : ứng dụng trong việc đóng gói sản phẩm, các máy cnc, máy công cụ, …

✓ Điều khiển tốc độ : nhờ khả năng điều chỉnh được giải tốc độ rộng mà moment đầu ra gần như là hằng số mà người ta thường sử dụng servo trong các hệ thống in ấn, nâng hạ cần trục, sản xuất bao bì, giấy báo,…

✓ Điều khiển moment : với việc đáp ứng moment cao, động cơ có thể tăng tốc giảm tốc cực kì nhanh chỉ trong khoảng từ 1ms đến vài ms

2.2 Encoder

Encoder được hiểu là một cảm biến vị trí đưa ra thông tin về góc quay, tốc độ của một trục xoay nào đó kết nối với nó Nguyên lý cơ bản của Encoder gồm một đĩa xoay quay quanh trục, trên đĩa có các lỗ hoặc rảnh để tín hiệu quang chiếu qua đĩa sẽ thu về được góc quay của đĩa Khi trục quay khiến đĩa quay, tin hiệu quang chiều qua đĩa sẽ nhận tắt liên tục tao ra các xung, ghi nhận lại số xung và tốc độ xung ta có thể thu về được góc quay và tốc độ quay của trục gắn encoder

Hình 2.1 Đĩa encoder

- Encoder thường được phân làm 2 loại : encoder tuyệt đối (Absolute encoder) và encoder tương đối (Increamental encoder)

- Encoder tuyệt đối : là dòng encoder có khả năng phản hồi chính xác vị trí của trục động cơ so với điểm quy định sẵn ban đầu Đĩa encoder tuyệt đối thường có nhiều

rãnh có kích thước khác nhau và sắp xếp không đều để tín hiệu quang phát ra xuyên qua rảnh đưa về được tín hiệu vị trí tại đó nhờ phân tích kích thước, số lượng rảnh rồi biên dịch qua hệ nhị phân mà từ đó qui đổi ngược lại được ví trí của trục quay

Hình 2.2 Đĩa encoder tuyệt đối

- Encoder tương đối : là dòng encoder mà đĩa quay của nó có nhiều rảnh với kích thước bằng nhau và cách đều nhau, nhờ vậy khi tín hiệu quang cứ đi qua mỗi rãnh thì lại

có một xung tín hiệu ra cho biết trục quay đã quay được một góc bao nhiêu độ

Hình 2.3 Đĩa encoder tương đối

- Sự khác biệt giữa 2 loại encoder : encoder tuyệt đối sẽ có ưu điểm vượt trôi hơn encoder tương đối với khả năng nhớ được vị trí chính xác trên một vòng quay của đĩa encoder hay trục kết nối Khi nguồn bị mất do sự cố, khi có điện trở lại encoder tuyệt đối vẫn nhớ được ví trí của mình, hệ thống có thể hoàn thành công việc tiếp tục mà không cần quay trở về vị trí ban đầu Tuy nhiên đi kèm với ưu điểm vượt trội của encoder tuyệt

đối đó là giá thành khá cao, điều khiển phức tạp hơn và các thiệt bị hỗ trợ phải hiện đại, giá thành cao hơn

2.3 Điều khiển vị trí

- Number of pulses per rotation (Số xung trên mỗi vòng quay) : đây là thiết lập rất quan trọng và là bắt buộc để việc điều khiển đạt được đúng sự chính xác như mong muốn Đây là số xung yêu cầu để động cơ servo hoàn thành một vòng quay mà số xung này phụ thuộc vào số xung cố định trên đĩa encoder

- Movement amount per roration (Khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay) : cài đặt khoảng di chuyển mà cơ cấu cơ khí liên kết với trục động cơ như vít me, linear, bàn xoay, … Đơn vị thiết lập có thể là mm đối với chuyển động tịnh tiến, độ với các hệ thống xoay hay trực tiếp tính bằng xung đối với những trường hợp đặc biệt

- Pulse output mode (Chế độ phát xung) : cài đặt phương pháp truyền tín hiệu xung lệnh và hướng quay cho phù hợp với bộ điều khiển servo được kết nối

• Tín hiệu quay thuận nghịch độc lập với xung lệnh để điều khiển hướng quay

• Ta có thể điều khiển chiều quay của servo thông qua

2 ngõ nhận xung Khi ngõ

A nhận xung thì động cơ quay theo chiều kim đồng

hồ, ngõ B nhận xung thì ngược lại

• Việc ngõ nào quay theo chiều nào có thể cài đặt trực tiếp trong parameter hoặc truyền lệnh từ bộ điều khiển xuống driver servo

Pulse/pulse

(xung/ xung)

• Hướng quay điều khiển bợi độ lếch pha giữa 2 ngõ phát xung

• Quay thuận khi pha B trễ pha hơn so với pha A 90

- Output signal logic (Tín hiệu logic đầu ra) : có thể lựa chọn một trong hai chế

độ Positive logic – nhận lệnh mức High hoặc Negative logic – nhận lệnh mức low

- Rotation direction setting (Thiết lập hướng quay) : chiều quay thuận nghịch của động cơ servo thực tế là không có mặc định Hướng ngay được chỉ định theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ Chính vì thế ta phải thiết lập hướng quay cho

bộ điều khiển servo bằng cách cài đặt động cơ quay theo chiều mà giá trị vị trí báo về là dương nghĩa là quay thuận và ngược lại là quay nghịch

Hình 2.4 Minh họa chiều quay của động cơ

- Cài đặt hành trình cho hệ thống : để tranh hỏng hóc cũng như những điều không mong muốn xảy ra khi điều khiển có sai xót, hệ thống cần được chỉ định hành trình di

chuyển tối đa Có 2 cách để cài đặt điều này, cách đầu tiên là cài đặt bằng phần mềm qua các thông số upper limit và lower limit trong parameter của driver servo, cách thứ 2 là dùng các công tắc hành trình hay cảm biến để giới hạn chuyển động cho động cơ

Hình 2.5 Giới hạn hành trình cho cơ cấu

2.4 Hệ thống cơ khí ảo

- Điều khiển động bộ trong hệ thống servo đạt được nhờ sử dụng ứng dụng hệ thống cơ khí ảo thay cho hệ thống cơ khí thực như trục cam, bánh răng, ly hợp, bánh răng vi sai, …

Hình 2.6 Tổng quan hệ thống cơ khí ảo

- Điều khiển động bộ có nghĩa là điều khiển một hay nhiều động cơ, cơ cấu theo một động cơ, cơ cấu khác theo những quy định, tỷ số nhất định do người điều khiển cài đặt cho phù hợp với các ứng dụng cụ thể

- Trục đầu vào được sử dụng có 3 loại gồm trục servo thực, trục servo ảo và encoder đồng bộ

✓ Trục servo thực : sử dụng trục chính đầu vào bằng một trong những động cơ servo sẵn có trong hệ thống như băng tải, vít me, bàn xoay, linear, … để dẫn động cho khác chi tiết các Các cơ cấu phụ sẽ

chuyển động dựa trên chuyển động của trục servo cài đặt theo những thông số nhất định thiết lập trên hệ thống

✓ Trục servo ảo : sử dụng một trục servo ảo không có bên ngoài hệ thông thực mà chỉ hiển thị hay điều khiển bên trong phần mềm, bộ

xử lý để quay trục chính trong chế độ đồng bộ Các động cơ, kết cấu khác cũng chuyển động dựa trên động cơ servo ảo này

Hình 2.8 Encoder đồng bộ bên ngoài

2.4.3 Mô đun dẫn động

Hình 2.9 Hệ thống dẫn động trong cơ khí

- Bánh răng (gear) : được sử dụng để truyền đến trục đầu ra số xung đạt được bằng cách nhân số xung trục đầu vào với tỉ lệ bánh răng Tỷ lệ bánh răng được tính bằng cách chia “số bánh răng trục đầu vào” cho “số bánh răng trục đầu ra”

Hình 2.10 Bánh răng

- Ly hợp (clutch) : ly hợp truyền các xung lệnh từ trục đầu vào đến mô đun đầu

ra và ngắt chúng, thường được sử dụng để điều khiển khởi động hoặc dừng vận hành trục đầu ra (động cơ servo) Có 2 loại ly hợp là ly hợp cứng và ly hợp mềm, tùy vào mục đích sử dụng trong việc tăng tốc giảm tốc mà sử dụng các loại ly hợp khác nhau

Hình 2.11 Ly hợp và cách thức hoạt động

- Bánh răng đổi tốc độ (speed change gear) : được sử dụng để thay đổi tốc độ vòng quay và giá trị quãng đường cho mô đun đầu ra trong khi vận hành Đối với bánh răng đã nêu ở trên, tỉ số bánh răng được cài đặt là cố định Khi sử dụng bánh răng đổi tốc độ ta có thể thay đổi giá trị chuyển đổi này một cách linh hoạt bằng cách tác động vào vùng nhớ đã cài đặt sẵn Tỷ lệ được tính tương tự như bánh răng đã nêu ở trên

Hình 2.12 Bánh răng đổi tốc độ

- Bánh răng vi sai (Differential gear) : bộ bánh răng vi sai trừ giá trị quãng đường trục đầu vào phụ từ giá trị quãng đường từ của trục chính rồi truyền đến trục đầu ra Nếu trục chính không hoạt động thì trục phụ liên kết với bánh răng vi sai sẽ dẫn động trục đầu ra nhưng với chiều ngược lại so với trục chính Giá trị quãng đường trục đầu ra sẽ bằng giá quãng đường trục đầu vào chính trừ cho giá trị quãng đường trục phụ kết nối với bánh răng vi sai

Hình 2.13 Bánh răng vi sai

- Đĩa cam được sử dụng để di chuyện một máy đã kết nối đến động cơ servo theo mẫu đĩa cam đã xác định Đĩa cam tạo nên một vòng quay với số xung trên mỗi vòng quay trục đĩa cam

Hình 2.14 Mô đun đầu ra – đĩa cam

- Đĩa cam thường được chia làm 3 loại :

✓ Two-way operation : lặp đi lặp lại các chuyển động trong 1 vòng cam tương tự như cam cơ khí ngoài thực tế Vị trí kết thúc sẽ phải

về điểm xuất phát ban đầu để quá trình lặp lại được đúng

✓ Feed operation : giá trị hay chuyển động của cơ cấu được cập nhật sau mỗi chu kỳ quay của cam Vị trí kết thúc sẽ là vị trí đầu tiên của chu kì tiếp theo

✓ Linear cam : đĩa cam thẳng, là loại đĩa cam đặc biệt mà chỉ hệ thống

cơ khí ảo mới có Đĩa cam hoạt động gần giống như feed operation

nhưng dữ liệu cam là một đường xéo với điểm cuối cũng ứng với quãng đường dịch chuyển của cơ cấu trong một chu kỳ cam

Hình 2.15 Các loại đĩa cam và chức năng

Hình 3.2 Chân đế trục X

Hình 3.3 Tấm đỡ trục Y

3.1.3 Mặt bích đỡ trục xoay

Hình 3.4 Mặt bích trục xoay

Hình 3.5 Tấm đỡ mặt bích và bắt vào trục Z

Hình 3.6 Ảnh chiếu 3D giá đỡ mặt bích trục xoay

3.1.4 Đế tổng để gắn phần cơ khí

Hình 3.7 Bản vẽ đế lớn bắt các thiết bị cơ khí

3.1.5 Dựng mô hình 3D

Hình 3.8 Bản vẽ 3D tổng