Tải bản đầy đủ
CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT VÀ NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 - 200

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN CHUNG VỀ ROBOT VÀ NGHIÊN CỨU BỘ ĐIỀU KHIỂN PLC S7 - 200

Tải bản đầy đủ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Hình 2.1. Mối quan hệ giữa các thành phần trong robot
Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau
bằng các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc xoay chiều), các hệ
thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có
thể có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các
công cụ làm việc như mỏ hàn.
Thiết bị dạy học (Teach – Pendant) dùng để dạy cho robot các thao tác cần
thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó robot tự lặp lại các động tác đã
được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học)
Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài
đặt trên máy tính, dùng điều khiển robot thông qua hệ điều khiển (Controller).
Bộ điều khiển còn được gọi là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường
được kết nối với máy tính. Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào Ra (I/O port) để làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp
robot nhận biết trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc
hoặc các dò tìm khác.
2.1.2. Kết cấu của tay máy
Tay máy là thành phần quan trọng, nó quyết định khả năng làm việc của
robot. Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của
tay người, tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh
tay robot có hình dáng rất khác xa cánh tay người. Trong thiết kế và sử dụng tay
máy cần quan tâm đến các thông số hình - động học, là những thông số liên
quan đến khả năng làm việc của robot như: tầm với (hay trường công tác), số
NHÓM SVTH

25

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của robot), độ cứng vững, tải trọng vật
nâng, lực kẹp.
Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ:
* Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Descarde, thông
thường tao nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T
(Translation) hoặc P (Prismatic).
* Chuyển động quay quanh các trục x,y,z ký hiệu là R (Roatation).
Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động(R và T) mà tay máy
có các kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp
của robot là kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ
tọa độ góc (phỏng sinh).
Robot kiểu tọa độ Đề các:
Tay máy có ba chuyển động cơ bản tịnh tiến theo phương của các trục
hệ tọa độ gốc (cấu hìnhT. T.T). Trường công tác có dạng khối chữ nhật.

Hình 2.2. Robot kiểu tọa độ Đề các
Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ cứng vững chắc cao, độ chính
xác cơ khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để hàn trong mặt phẳng.
Robot kiểu tọa độ trụ:
NHÓM SVTH

26

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Vùng làm việc của robot có dạng hình
trụ rỗng. Thường khớp thứ nhất chuyển
động quay, Cấu hình có dạng R.T.T. Có
Nhiều robot kiểu tọa độ trụ như: Robot
Versatran của hãng AMF (Hoa Kỳ).

Hình 2.3. Robot kiểu tọa độ trụ

Robot kiểu tọa độ cầu:
Vùng làm việc của robot có dạng hình cầu. Độ cứng vững của loại robot
này thấp hơn so với hai loại trên. Loại này thường có cấu hình R.R.R hoặc
R.R.T

Hình 2.4. Robot kiểu tọa độ cầu
Robot kiểu tọa độ góc ( Hệ tọa độ phỏng sinh): Đây là kiểu robot được
dùng nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay
thứ nhất vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là
các chuyển động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần
khối cầu. Tất cả các khâu đều nằm trong một mặt phẳng thẳng đứng nên các tính
toán cơ bản là bài toán phẳng. Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo

NHÓM SVTH

27

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ
của bản thân robot, độ linh hoạt cao.
Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc như: Robot PUMA của
hãng Unimation- Nnokia (Hoa Kỳ – Phần Lan), Irb – 6, Irb – 60(Thụy Điển),
Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật Bản).

Hình 2.5. Robot hoạt động theo hệ tọa độ góc

Robot kiểu SCARA

Hình 2.6. Robot kiểu SCARA

NHÓM SVTH

28

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Robot SCARA ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi ( Nhật
Bản)là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản
xuất. Tên gọi SCARA là viết tắt của “Seiective Compliant Articulated Robot
Arm” tay máy mềm dẻo tùy ý. Ba khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu
hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương thẳng đứng.Sơ đồ của robot SCARA
như ( hình 2.6)

2.1.3. Xây dựng hệ thống toạ độ cho robot công nghiệp
Robot công nghiệp được định nghĩa là một cơ cấu máy có thể lập trình
được, có khả năng làm việc một cách tự động không cần sự trợ giúp của con
người.Và giữa các tay máy có thể hợp tác được với nhau.
Ngày nay, Robot được sử dụng rộng rãi và phát triển trong các ngành kỹ
thuật. Dưới sự điều khiển của máy tính cho phép Robot có thể có nhiều ứng
dụng hơn nữa.
Hệ tọa độ của robot (Coordinate Frames)
Mỗi robot thường bao gồm nhiều khâu (Links) liên kết với nhau qua các
khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base)
đứng yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản gọi là hệ tọa độ cơ bản (hay hệ tọa độ
chuẩn). Các hệ tọa độ trung gian khác gắn với khâu động gọi là hệ tọa độ suy
rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các tọa độ suy rộng xác định cấu hình
của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh
tiến hoặc khớp quay . Các tọa độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

NHÓM SVTH

29

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Hình 2.7. Các tọa độ suy rộng của robot
Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo quy tắc bàn tay phải:
Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xòe 3 ngón; cái,
trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc, nếu chọn ngón cái là phương và chiều
của trục z, thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục x và ngón giữa sẽ biểu thị
phương, chiều của trục y

Hình 2.8. Quy tắc bàn tay phải
2.2. Tổng quan về PLC
2.2.1. Giới thiệu về PLC
PLC là viết tắt của Programmable Logic Control có nghĩa là bộ điều khiển
logic khả trình. Được hình thành từ nhóm các kỹ sư General Motor năm 1968
với ý tưởng ban đầu là thiết kế bộ điều khiển thỏa mãn các yêu cầu sau :
 Lập trình dễ dàng, ngôn ngữ lập trình dễ hiểu.
 Dễ dàng sửa chữa thay thế.
 Ổn định trong môi trường công nghiệp.
 Giá cả cạnh tranh.
Thiết bị điều khiển logic khả trình là thiết bị cho phép điều khiển linh hoạt
các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thể
hiện thuật toán đó bằng mạch số .

NHÓM SVTH

30

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Như vậy với chương trình điều khiển của mình thì PLC đã trở thành bộ điều
khiển nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt là dễ trao đổi thông tin với môi
trường xung quanh ( với PLC khác hoặc với máy tính ). Toàn bộ chương trình
điều khiển được lưu trong bộ nhớ của PLC dưới dạng các khối chương trình
( khối OB , FC hoặc FB ) và thực hiện lặp theo chu kỳ vòng quét.

NHÓM SVTH

31

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Hình 2.9 : Tổng quát khối PLC
Để có thể thực hiện được một chương trình điều khiển thì PLC phải có tình
năng như một máy tính, nghĩa là phải có một bộ vi xử lý ( CPU ), một hệ điều
hành, bộ nhớ để lưu chương trình điều khiển, dữ liệu và các cổng vào ra để giao
tiếp với đối tượng điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường xung quanh.
Bên cạnh đó để phục vụ bài toán điều khiển số PLC cần có thêm các khối chức
năng đặc biệt khác như bộ đếm Counter, bộ thời gian Timer … và những khối
hàm chuyên dụng.

NHÓM SVTH

32

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

Ta có sơ đồ khối như sau :

Hình 2.10 : Sơ đồ khối của PLC
Một hệ thống điều khiển PLC có cấu trúc như sau :

Hình 2.11 : Hệ thống điều khiển dùng PLC

NHÓM SVTH

33

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

2.2.2. Phân loại
PLC được phân loại theo 3 cách :
 Hãng sản xuất: gồm các nhãn hiệu như SIEMEN, OMRON,
MITSUBISHI …
 Version: PLC SIEMEN có các họ PLC : S7-200 , S7-300 , S7-400 ,
LOGO …
PLC MITSUBISHI có các họ : Fx , Fx0 , FxON …
 Kiểu ngõ ra của PLC :
 Kiểu Rơle :

 Kiểu Transito :

 Kiểu Tri-ắc :

Hình 2.12 : Các kiểu ngõ ra của PLC

NHÓM SVTH

34

LỚP ĐH TĐH1 – K5

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
QUỲNH

GVHD : Th.S NGUYỄN XUÂN

2.2.3. Các bộ điều khiển và phạm vi ứng dụng
2.2.3.1. Các bộ điều khiển
Ta có các bộ điều khiển PLC, Vi Xử Lý, Máy tính.
2.2.3.2. Phạm vi ứng dụng
a. Máy Tính
 Dùng trong những chương trình phức tạp đòi hỏi độ chính xác cao.
 Có giao diện thân thiện.
 Tốc độ xử lý cao.
 Có thể lưu trữ với dung lượng lớn.
b. Vi Xử Lý :
 Dùng trong những chương trình độ phức tạp không cao(vì chỉ xử lý 8 bit)
 Giao diện không thân thiện với người sử dụng.
 Tốc độ tính toán không cao.
 Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng ít.
c. PLC
 Độ phức tạp và tốc độ xử lý không cao.
 Giao diện không thân thiện với sử dụng.
 Không lưu trữ hoặc lưu trữ với dung lượng ít.
 Môi trường làm việc khắc nghiệt.
2.2.4. Các lĩnh vực ứng dụng của PLC
PLC được ứng dụng khá rộng rãi trong các ngành: công nghiệp, máy nông
nghiệp, thiết bị y tế, ô tô ( xe hơi, cần cẩu ) …
2.2.5. Các ưu điểm khi sử dụng hệ thống điều khiển với PLC
 Không cần đấu dây cho sơ đồ điều khiển logic như kiểu dùng Rơle.
 Có độ mềm dẻo sử dụng rất cao, khi chỉ cần thay đổi chương trình ( phần
mềm) điều khiển.
 Chiếm vị trí không gian nhỏ trong hệ thống .
 Nhiều chức năng điều khiển.
 Tốc độ cao.
NHÓM SVTH

35

LỚP ĐH TĐH1 – K5