Thiết kế các bài thí nghiệm trên bộ xy lanh điện đa trục

Đồ án thiết kế bài thí nghiệm vận hành xy lanh điện đa trục JXC73 tại ĐH SPKT TP.HCM

• Tác giả: Nguyễn Lê Tấn Tài
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tấn Đời
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế các bài thí nghiệm trên bộ xy lanh điện đa trục
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan bài thí nghiệm vận hành xy lanh điện đa trục

Bài thí nghiệm vận hành xy lanh điện đa trục tại ĐH SPKT TP.HCM đóng vai trò trọng tâm trong đào tạo kỹ thuật tự động hóa. Đề tài cung cấp nền tảng thực hành điều khiển vị trí chính xác cao cho sinh viên ngành Cơ điện tử và Tự động hóa. Mô hình sử dụng bộ điều khiển JXC73 của hãng SMC. Thiết bị này có khả năng kiểm soát đồng thời tối đa bốn trục truyền động độc lập. Hệ thống tích hợp động cơ bước hai pha kèm encoder quang học độ phân giải cao. Tín hiệu phản hồi giúp mạch vòng kín luôn duy trì sai số vị trí ở mức nhỏ nhất. Bộ thí nghiệm kết nối linh hoạt với bộ điều khiển lập trình PLC thông qua cổng tín hiệu I/O số tiêu chuẩn. Sinh viên tiếp cận quy trình chuẩn hóa từ khâu đấu nối phần cứng đến lập trình quỹ đạo chuyển động. Giáo trình thực hành trang bị kỹ năng vận hành các cơ cấu định vị đa chiều thường gặp trong dây chuyền chế tạo tự động. Các mô-đun bài tập mở rộng từ thao tác độc lập từng trục đến phối hợp đa trục phức tạp. Kiến thức thực tế này đáp ứng trực tiếp nhu cầu tuyển dụng kỹ sư công nghệ cao.

1.1. Mục tiêu bài thí nghiệm tại ĐH SPKT TP.HCM

Đề tài xây dựng nhằm hoàn thiện hệ thống bài giảng thực hành cho ngành Tự động hóa. Sinh viên được rèn luyện phương pháp làm chủ thiết bị truyền động điện công nghiệp. Nội dung đào tạo tập trung vào việc đọc hiểu sơ đồ mạch điện chi tiết. Người học thực hành cài đặt thông số chuyển động trên phần mềm JXC Controller chuyên dụng. Bài học yêu cầu cấu hình chính xác tốc độ, gia tốc và vị trí định vị. Sinh viên tự tay đấu dây tín hiệu giữa driver điều khiển và cơ cấu chấp hành. Quá trình kiểm tra đảm bảo thiết bị vận hành êm ái, đạt độ tin cậy cơ khí cao. Hoạt động này giúp người học gắn kết lý thuyết điều khiển với kỹ năng kỹ thuật thực tế.

1.2. Cấu tạo bộ xy lanh điện đa trục và driver JXC73

Bộ thiết bị thí nghiệm bao gồm xy lanh điện trượt và bộ điều khiển JXC73 của SMC. Driver JXC73 hỗ trợ điều khiển tối đa 4 trục độc lập hoặc đồng thời. Hệ thống sử dụng nguồn cấp 24VDC công nghiệp với khả năng cách ly quang an toàn. Mỗi trục truyền động gắn kèm động cơ bước kết hợp encoder 800 xung mỗi vòng. Driver sở hữu 16 ngõ vào số và 32 ngõ ra số cách ly quang. Cổng USB 2.0 tích hợp phục vụ giao tiếp trực tiếp với máy tính cấu hình. Thiết kế cơ khí dạng mô-đun cho phép gá lắp linh hoạt các bàn trượt trực giao. Kết cấu khung kim loại bảo vệ đảm bảo độ cứng vững khi hệ thống vận hành liên tục.

II. Phân tích khó khăn khi vận hành xy lanh điện đa trục

Quá trình vận hành xy lanh điện đa trục trong môi trường công nghiệp đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật. Trở ngại hàng đầu nằm ở sai số tích lũy khi phối hợp chuyển động nhiều trục cơ khí. Sự lệch pha giữa các trục dẫn đến hiện tượng kẹt cơ hoặc sai lệch tọa độ làm việc. Bên cạnh đó, việc điều khiển đồng bộ đòi hỏi phản hồi vị trí thời gian thực cực kỳ khắt khe. Nhiễu điện từ phát sinh từ nguồn động lực dễ gây méo dạng tín hiệu xung encoder. Tình trạng này khiến bộ điều khiển xác định sai gốc tọa độ Home. Ngoài ra, việc phân bổ bảng địa chỉ vào ra giữa PLC và driver JXC73 khá phức tạp. Kỹ sư dễ gặp nhầm lẫn khi cấu hình các bit chọn bước và cờ trạng thái. Hiện tượng quá tải nhiệt của động cơ bước khi làm việc ở chu kỳ ngắn cũng đòi hỏi quy trình giám sát chặt chẽ. Nếu không có tài liệu thí nghiệm chuẩn hóa, sinh viên thường lúng túng khi xử lý các lỗi dừng khẩn cấp. Do đó, việc xây dựng mô hình đào tạo trực quan là giải pháp cấp bách nhằm giải quyết toàn diện các khó khăn kỹ thuật nêu trên.

2.1. Thách thức đồng bộ hóa truyền động đa trục SMC

Đồng bộ hóa nhiều trục cơ khí đòi hỏi sự chính xác tuyệt đối về mặt thời gian. Khi hai trục cùng nâng một tải trọng, chỉ cần một sai số nhỏ sẽ gây hiện tượng vặn xoắn cơ khí. Động cơ bước mang đặc tính trễ bước nếu tải trọng biến thiên đột ngột. Driver JXC73 kiểm soát phản hồi qua encoder nhưng vẫn phụ thuộc vào chất lượng xung tín hiệu. Sự sai lệch giữa xung lệnh và vị trí thực tế dễ tích tụ thành sai số lớn. Sinh viên phải nắm vững cách thiết lập đường cong tăng giảm tốc hình thang hoặc chữ S. Kỹ thuật này giúp triệt tiêu rung chấn quán tính khi xy lanh đổi hướng chuyển động.

2.2. Khó khăn giao tiếp giữa PLC và driver JXC73

Giao tiếp song song giữa PLC và bộ điều khiển JXC73 tiềm ẩn nhiều rủi ro lỗi phần cứng. Số lượng dây nối I/O rất lớn với 16 đầu vào và 32 đầu ra. Một kết nối lỏng lẻo dễ khiến hệ thống mất tín hiệu sẵn sàng DRIVE_OK hoặc ALARM. Việc lập trình điều khiển trên TIA Portal đòi hỏi quản lý chặt chẽ logic quét vòng lặp. Xung kích hoạt vị trí INP phải đồng bộ nhịp nhàng với cờ hoàn thành BUSY. Nếu thuật toán xử lý không kiểm soát tốt thời gian trễ relay, xung điều khiển sẽ bị chồng lấn. Người vận hành vì vậy cần quy trình chẩn đoán lỗi bài bản để xử lý sự cố kịp thời.

III. Phương pháp xây dựng bài thí nghiệm xy lanh điện đa trục

Giải pháp đề xuất xây dựng hệ thống bài thí nghiệm vận hành xy lanh điện đa trục theo cấu trúc phân tầng. Phương pháp tiếp cận đi từ cấu hình phần mềm cơ bản đến lập trình PLC tích hợp nâng cao. Giai đoạn đầu sử dụng tiện ích JXC Controller trên máy tính. Người học kết nối cổng USB để kiểm tra từng chuyển động đơn lẻ của trục định vị. Phần mềm cung cấp giao diện trực quan nhằm gán các điểm tọa độ mục tiêu vào bảng Step Data. Giai đoạn tiếp theo tập trung vào thiết kế tủ điện điều khiển trung gian. Mạch ghép nối dùng relay đệm và bộ lọc chống nhiễu bảo vệ ngõ vào PLC Siemens S7-1200. Chương trình TIA Portal điều phối các tín hiệu nhị phân song song tới driver JXC73. Thuật toán điều khiển quét vòng lập trình logic từng bước theo chu trình tự động khép kín. Màn hình giám sát HMI cho phép người vận hành thay đổi thông số hành trình linh hoạt. Quy trình kiểm chứng thực nghiệm đo đạc độ chính xác lặp lại đạt yêu cầu kỹ thuật công nghiệp.

3.1. Thiết lập cấu hình với phần mềm JXC Controller

Phần mềm JXC Controller đóng vai trò công cụ thiết lập ban đầu cho driver JXC73. Kỹ sư kết nối máy tính với bộ điều khiển thông qua cáp truyền thông USB. Giao diện phần mềm hiển thị trực quan các tham số trục động cơ bước. Người dùng cài đặt chế độ vận hành như tìm gốc Home, chạy Jog và định vị Point-to-Point. Bảng thông số Step Data lưu trữ các giá trị vị trí, vận tốc và thời gian dừng. Sau khi tải dữ liệu xuống bộ nhớ driver, người thực hiện có thể kiểm tra chuyển động trực tiếp. Phương thức này giúp cô lập lỗi cơ khí trước khi tích hợp vào hệ thống PLC hoàn chỉnh.

3.2. Lập trình điều khiển phối hợp qua PLC và HMI

Bộ điều khiển PLC Siemens đảm nhiệm vai trò trung tâm điều phối toàn bộ chu trình công nghệ. Chương trình TIA Portal biên dịch các khối hàm logic chuyên biệt để phát lệnh số. Tín hiệu đầu ra PLC kích hoạt các chân IN0 đến IN4 nhằm chọn số bước tương ứng. Đồng thời, tín hiệu phản hồi OUT0 đến OUT3 giám sát trạng thái dừng hoặc báo lỗi của từng trục. Màn hình HMI tích hợp hiển thị trạng thái chuyển động theo thời gian thực tế. Người thao tác dễ dàng chuyển đổi linh hoạt giữa chế độ tự động và thủ công bằng nút bấm ảo. Kiến trúc điều khiển này tối ưu hóa độ ổn định cho dây chuyền tự động hóa.

IV. Kết luận và ứng dụng xy lanh điện đa trục ĐH SPKT TP

Bộ bài thí nghiệm vận hành xy lanh điện đa trục tại ĐH SPKT TP.HCM khẳng định giá trị ứng dụng to lớn trong giáo dục và công nghiệp. Mô hình trang bị nền tảng chuyên môn vững chắc cho kỹ sư tự động hóa tương lai. Các bài thực hành tái hiện chân thực các tác vụ truyền động cơ điện tử chính xác cao. Cơ cấu xy lanh điện đa trục đáp ứng hoàn hảo yêu cầu của các cơ cấu nâng hạ bàn nâng dạng chữ X. Thiết bị phục vụ hiệu quả trong ngành thiết bị y tế như máy đóng nắp ống nghiệm và gắp mẫu tự động. Trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp, hệ thống này ứng dụng cho các cánh tay robot xếp dỡ hàng hóa pallet. Ngoài ra, chuyển động xoay lật đa hướng của xy lanh còn hỗ trợ định hướng tấm pin năng lượng mặt trời theo quỹ đạo nhật động. Việc tích hợp thành công giữa driver JXC73 và PLC Siemens khẳng định tính khả thi của giải pháp điều khiển đồng bộ. Sản phẩm đồ án không chỉ nâng cao chất lượng đào tạo mà còn sẵn sàng chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp.

4.1. Ứng dụng trong y tế và dây chuyền đóng gói

Hệ thống xy lanh điện đa trục giữ vai trò then chốt trong lĩnh vực y tế hiện đại. Cơ cấu đảm nhiệm việc nâng hạ bàn phẫu thuật và ghế nha khoa với độ êm tuyệt đối. Trong dây chuyền sản xuất dược phẩm, thiết bị thao tác phân chia ống nghiệm chính xác theo tọa độ định sẵn. Lực đẩy kiểm soát qua dòng điện giúp xy lanh không gây nứt vỡ ống thủy tinh. Tương tự, ngành đóng gói công nghiệp tận dụng bàn trượt đa trục cho robot gắp đặt sản phẩm. Chuyển động tuyến tính dứt khoát rút ngắn chu kỳ đóng thùng carton và dán nhãn tự động.

4.2. Khả năng phát triển đề tài nghiên cứu tiếp theo

Đề tài tạo tiền đề vững chắc cho các nghiên cứu chuyên sâu về cơ điện tử. Mô hình hiện tại mở ra hướng tích hợp mạng truyền thông công nghiệp Profinet hoặc EtherCAT tốc độ cao. Giao thức mạng công nghiệp sẽ thay thế hoàn toàn hệ thống dây nối tín hiệu I/O truyền thống. Nghiên cứu tiếp theo có thể kết hợp xử lý ảnh công nghiệp để định vị phôi linh hoạt. Hệ thống thị giác máy tính sẽ cung cấp tọa độ trực tiếp cho bộ điều khiển JXC73. Hơn nữa, việc xây dựng thuật toán điều khiển mờ hoặc mạng nơ-ron hứa hẹn nâng cao độ bền cho cơ cấu cơ khí.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình tự động hóa các dây chuyền sản xuất công nghiệp hiện đại, các cơ cấu chấp hành đòi hỏi độ chính xác cao, tốc độ đáp ứng nhanh và khả năng điều khiển linh hoạt. Xi lanh điện đang dần thay thế các hệ thống xi lanh khí nén và thủy lực truyền thống nhờ vào ưu thế tiết kiệm năng lượng, vận hành êm ái, không gây ô nhiễm môi trường và khả năng kiểm soát vị trí chính xác. Các ứng dụng thực tế của xi lanh điện trải dài từ hệ thống nâng hạ chữ X, dây chuyền sản xuất y tế (chế tạo ống nghiệm), đóng gói, máy CNC cho đến các cơ cấu định hướng pin năng lượng mặt trời. Nhằm phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu và thực hành chuyên sâu ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh, đề tài "Thiết kế các bài thí nghiệm trên bộ xy lanh điện đa trục" (hay "Xây dựng các bài thí nghiệm vận hành trên bộ xy lanh điện đa trục") được thực hiện bởi sinh viên Nguyễn Lê Tấn Tài và Dương Hoàng Nam dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tấn Đời.

Mục tiêu nghiên cứu được xác định cụ thể trong nhiệm vụ đồ án gồm 4 nội dung:

1. Tìm hiểu và nghiên cứu bộ điều khiển xi lanh điện đa trục sử dụng driver JXC73 của hãng SMC Corporation.
2. Cài đặt và vận hành hệ thống xy lanh điện đa trục JXC73.
3. Thiết kế các bài thí nghiệm vận hành trên bộ xy lanh điện đa trục bằng phần mềm chuyên dụng JXC Controller.
4. Thiết kế các bài thí nghiệm giao tiếp phần cứng và lập trình điều khiển giữa PLC Siemens S7-1200 với driver JXC73 qua cổng I/O song song.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

• Đối tượng nghiên cứu: Bộ điều khiển đa trục SMC JXC73; các động cơ xi lanh điện dạng trượt vít me dòng LEFS (LEFS16A-100-R1, LEFS16A-200-R1) và bàn xoay dòng LER (LER10J); bộ điều khiển khả trình PLC S7-1200; phần mềm JXC Controller; phần mềm TIA Portal và WinCC.
• Phạm vi nghiên cứu: Đồ án tập trung xây dựng mô hình thí nghiệm phục vụ môi trường giáo dục đào tạo tại phòng thí nghiệm; thời gian thực hiện từ ngày 20/02/2022 đến ngày 30/06/2023. Do điều kiện kinh phí hạn chế, hệ thống sử dụng các thiết bị phần cứng có sẵn, quy mô thử nghiệm nhỏ làm nền tảng học thuật thay vì triển khai trực tiếp trên dây chuyền công nghiệp quy mô lớn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp kỹ thuật

Hệ thống nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự tích hợp giữa các thiết bị tự động hóa công nghiệp chuyên dụng, các chuẩn truyền thông I/O và thuật toán điều khiển quỹ đạo chuyển động:

1. Bộ điều khiển SMC JXC73: Là driver điều khiển động cơ bước (step motor servo 24VDC) hỗ trợ tối đa 4 trục độc lập hoặc đồng bộ. Driver tích hợp bộ nhớ Flash ROM và EEPROM, kết nối máy tính qua cổng USB 2.0 (tốc độ tối đa 12 Mbps), giao tiếp điều khiển với PLC thông qua 2 cổng I/O song song 40 chân chuẩn NPN cách ly quang.
2. Cơ cấu chấp hành xi lanh điện SMC: Sử dụng động cơ bước tích hợp encoder phản hồi 2 pha A/B với độ phân giải 800 xung/vòng. Cơ cấu truyền động gồm dạng trượt vít me bi dòng LEFS (tạo chuyển động tịnh tiến tuyến tính với lực đẩy ổn định) và dạng bàn xoay dòng LER (truyền động bánh răng - thanh răng, cho phép quay liên tục hoặc định vị góc chính xác).
3. Bộ điều khiển PLC S7-1200 và Mạch VC08N: PLC SIMATIC S7-1200 của Siemens đóng vai trò xử lý trung tâm, quản lý các thuật toán điều khiển tuần tự, đồng bộ và xuất tín hiệu điều khiển số. Mạch chuyển đổi tín hiệu VC08N được bố trí làm tầng đệm trung gian để chuyển đổi và cách ly mức tín hiệu giữa ngõ ra PLC và ngõ vào driver JXC73.
4. Lý thuyết nội suy quỹ đạo chuyển động: Driver JXC73 hỗ trợ tính toán quỹ đạo chuyển động nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) tối đa 3 trục trong không gian (X, Y, Z) và nội suy đường tròn (Circular Interpolation) tối đa 2 trục trên mặt phẳng dựa trên tọa độ tâm, đích và vận tốc đặt trước.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát lý thuyết tài liệu kỹ thuật của hãng SMC và Siemens, thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks, thi công phần cứng bảng điện công nghiệp, lập trình logic trên TIA Portal, cấu hình tham số chuyển động trên JXC Controller và kiểm nghiệm thực nghiệm trực tiếp trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai hệ thống thí nghiệm

Đồ án triển khai hệ thống phần cứng và phần mềm hoàn chỉnh phục vụ nghiên cứu và thực hành thực nghiệm:

Thiết kế phần cứng và đấu nối điện

Bảng điện điều khiển được thiết kế mô hình 3D trên phần mềm SolidWorks trước khi thi công thực tế (gồm mặt trước và mặt sau), bố trí nguồn cung cấp, PLC S7-1200, mạch đệm VC08N, các rơ-le trung gian, cầu chì và driver JXC73.

Nguồn điện cấp cho driver JXC73 chia làm hai nhánh riêng biệt:

• Cổng C PWR (2 chân): Nguồn điều khiển chính (+24VDC ± 10%, dòng tiêu thụ 300 mA).
• Cổng M PWR và CI: Cấp nguồn động lực motor (+24VDC ± 10%) và các tín hiệu dừng khẩn (EMG1/EMG3), mở khóa cưỡng bức (LKRLS2/LKRLS4) cho từng cặp trục (trục 1-2 và trục 3-4).

Giao tiếp song song chuẩn NPN giữa PLC và Driver JXC73 thông qua 2 đầu nối 40 chân:

• Cổng I/O 1: 16 ngõ vào số (IN0 đến IN8 để chỉ định mã bước STEP NO. nhị phân từ 0 đến 511; IN9 và IN10 dùng cho chế độ mở rộng lên đến 2048 bước; chân lệnh SETUP thực hiện đưa hệ thống về gốc; HOLD tạm dừng; DRIVE kích hoạt chuyển động theo bước đã chọn; RESET khôi phục lỗi; SVON cấp nguồn điều khiển motor) và các ngõ ra trạng thái (OUT0 đến OUT8 phản hồi mã bước đang chạy; BUSY báo bận; AREA báo vùng vị trí; SETON báo hoàn thành về gốc; INP báo định vị đạt vị trí mục tiêu; SVRE báo servo sẵn sàng; ESTOP và ALARM báo trạng thái sự cố).
• Cổng I/O 2: Xuất tín hiệu giám sát độc lập từng trục gồm BUSY1 đến BUSY4, AREA1 đến AREA4, INP1 đến INP4, và cảnh báo ALARM1 đến ALARM4.

Cổng kết nối JXC73	Số chân	Loại tín hiệu	Thiết bị kết nối	Chức năng chính
C PWR	2 pins	Nguồn 24VDC	Bộ nguồn tổ ong	Nguồn nuôi mạch điều khiển CPU driver
M PWR 1-2 / 3-4	Đa cực	Nguồn 24VDC	Bộ nguồn tổ ong	Nguồn động lực cấp cho động cơ trục 1, 2, 3, 4
CI 1-2 / 3-4	Đa cực	Tín hiệu số 24V	Nút nhấn / Rơ-le	Tín hiệu EMG (dừng khẩn), LKRLS (mở khóa trục)
I/O 1	40 pins	NPN (Cách ly quang)	PLC S7-1200 / VC08N	Truyền lệnh chọn Step No, Drive, Setup, phản hồi vị trí
I/O 2	40 pins	NPN (Cách ly quang)	PLC S7-1200	Giám sát trạng thái Busy, Area, In-Position, Alarm riêng từng trục
USB	Chuẩn B	Giao tiếp nối tiếp	Máy tính (PC)	Cấu hình tham số, Step Data và chạy Test Drive

Cấu hình phần mềm và lập trình giám sát

• Phần mềm JXC Controller: Sử dụng để cài đặt thông số cấu hình Profile Parameters, Basic Parameters (chọn đúng mã động cơ LEFS16A và LER10J cho từng trục), thiết lập thông số Return to Origin (vận tốc về gốc, chiều quay, dòng kích gốc), nhập bảng dữ liệu bước (Step Data gồm vị trí mục tiêu, vận tốc, gia tốc, giảm tốc, chế độ chuyển động ABS, INC, LIN-A, LIN-I, CIR-R, CIR-L, Pushing), và thực hiện chạy thử chế độ JOG, Inching hoặc Test Drive.
• TIA Portal & WinCC: Lập trình khối hàm điều khiển trình tự cấp phát tín hiệu (bật SVON -> kiểm tra SVRE -> kích lệnh SETUP -> chờ SETON -> xuất địa chỉ bit nhị phân vào IN0-IN8 -> kích chân DRIVE). Thiết kế giao diện HMI/SCADA với các trang vận hành: màn hình AUTO & MAN, màn hình Return to Origin, màn hình điều khiển vị trí Positioning, màn hình nội suy tuyến tính, nội suy đường tròn và màn hình phân loại 6 sản phẩm theo thời gian giả lập hoặc cảm biến.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 1 phân tích bối cảnh phát triển của kỹ thuật điều khiển tự động và nhu cầu ứng dụng xi lanh điện trong công nghiệp sản xuất hiện đại nhằm thay thế cơ cấu khí nén, thủy lực nhờ độ chính xác, tiết kiệm năng lượng và giảm thiểu ô nhiễm. Tác giả xác định 4 mục tiêu nghiên cứu trọng tâm liên quan đến việc làm chủ driver SMC JXC73, kết nối PLC S7-1200 và biên soạn các bài thí nghiệm đào tạo; đồng thời nêu rõ phạm vi giới hạn của đề tài là mô hình thí nghiệm giáo dục có quy mô nhỏ, sử dụng thiết bị có sẵn trong phòng thí nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương 2 trình bày có hệ thống các cơ sở khoa học và kỹ thuật của hệ thống:

• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của xi lanh điện đa trục, các ứng dụng thực tế trong công nghiệp và y tế.
• Đặc tính kỹ thuật chi tiết của bộ điều khiển SMC JXC73: khả năng quản lý 4 trục động cơ bước (24VDC), giao tiếp USB 2.0, bảng mạch ngõ vào/ra NPN, sơ đồ chân terminal C PWR, M PWR, CI, I/O 1 và I/O 2.
• Cơ cấu động cơ xi lanh trượt trục vít me ổ bi LEFS16A và bàn xoay LER10J của hãng SMC.
• Đặc tính phần cứng, cấu trúc bộ nhớ và tập lệnh của bộ điều khiển lập trình Siemens SIMATIC S7-1200 (so sánh chi tiết với rơ-le, mạch số và máy tính công nghiệp qua Bảng 2.14).
• Cấu tạo, nguyên lý cách ly của mạch chuyển đổi tín hiệu đệm VC08N.
• Lý thuyết và giải thuật điều khiển chuyển động: định vị vị trí độc lập (Positioning), chuyển động đẩy lực (Pushing), thuật toán nội suy tuyến tính đa trục (Linear Interpolation) và nội suy cung tròn (Circular Interpolation).

Chương 3: Cài đặt và vận hành bộ xy lanh JXC73

Chương 3 tập trung hướng dẫn quy trình làm việc với phần mềm chuyên dụng JXC Controller:

• Quy trình cài đặt driver USB và thiết lập giao tiếp giữa máy tính với bộ điều khiển.
• Chi tiết các phân hệ trên giao diện phần mềm: Status, Teaching, Parameter, Step Data, Alarm và Test Drive.
• Cấu hình thông số ban đầu Profile Parameters, Basic Parameters (chọn đúng model động cơ tương ứng từng trục), cấu hình thông số gốc tọa độ ORIG.
• Thiết lập dữ liệu bước Step Data cho các chế độ vận hành: chuyển động tuyệt đối (ABS), chuyển động tương đối (INC), nội suy đường thẳng (LIN-A, LIN-I), nội suy cung tròn (CIR-R, CIR-L) và chuyển động đồng bộ (SYN-I).
• Hướng dẫn vận hành chạy thử hệ thống bằng chế độ điều khiển thủ công JOG, chế độ dịch chuyển từng nấc Inching và kiểm tra kịch bản chuyển động thông qua cửa sổ Test Drive.

Chương 4: Thiết kế các bài thí nghiệm

Chương 4 xây dựng toàn bộ quy trình công nghệ cho 5 bài thí nghiệm thực hành:

1. Bài thí nghiệm vận hành trên phần mềm JXC Controller: Cấu hình và chạy thử các chế độ Return to Origin, Positioning Operation, Pushing Operation, Linear Interpolation (3 trục) và Circular Interpolation (2 trục) trực tiếp từ giao diện Test Drive.
2. Bài thí nghiệm Positioning Operation điều khiển với PLC: Lập trình PLC điều khiển các trục dịch chuyển đến các tọa độ xác định theo các bước đã cấu hình trong Step Data thông qua giải thuật bắt tay tín hiệu (IN0-IN8, DRIVE, BUSY, INP).
3. Bài thí nghiệm Linear Operation điều khiển với PLC: Điều khiển chuyển động nội suy tuyến tính phối hợp giữa các trục tịnh tiến theo đường dẫn không gian với vận tốc xác định.
4. Bài thí nghiệm Circular Operation điều khiển với PLC: Lập trình phối hợp 2 trục chuyển động theo quỹ đạo đường tròn mượt mà dựa trên dữ liệu tâm và bán kính quy định.
5. Bài thí nghiệm phân loại sản phẩm:
   • Kịch bản 1: Phân loại sản phẩm đến 6 vị trí tọa độ cố định kết hợp cơ cấu xoay LER và trục trượt LEFS.
   • Kịch bản 2: Phân loại sản phẩm tuần tự dựa trên đồng hồ thời gian giả lập và tín hiệu phản hồi từ cảm biến vật lý.

Chương 5: Kết quả - Nhận xét - Đánh giá

Chương 5 công bố các kết quả thực nghiệm thu được sau quá trình thi công và thử nghiệm:

• Hoàn thiện bảng điện điều khiển thực tế, đảm bảo an toàn điện, bố trí dây dẫn và thiết bị gọn gàng theo bản vẽ thiết kế trên SolidWorks.
• Hoàn thiện hệ thống giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC với đầy đủ các chế độ Manual, Auto, hiển thị cảnh báo Alarm và tọa độ thời gian thực.
• Kiểm tra vận hành thực tế hệ thống cơ khí: các trục xy lanh điện di chuyển êm, đúng trình tự logic, thực hiện chính xác các chuyển động Return to Origin, định vị điểm, nội suy đường thẳng, nội suy đường tròn và quy trình phân loại 6 sản phẩm theo cảm biến.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương 6 tổng kết việc hoàn thành các mục tiêu đề ra ban đầu của đồ án, chỉ ra những mặt đạt được trong việc làm chủ công nghệ điều khiển xi lanh điện đa trục và đề xuất các định hướng nâng cấp hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả kỹ thuật đạt được

• Thi công phần cứng: Lắp ráp hoàn thiện bảng điện điều khiển công nghiệp tích hợp PLC S7-1200, mạch chuyển đổi tín hiệu VC08N, hệ thống rơ-le trung gian, bộ nguồn DC và driver SMC JXC73. Hệ thống cơ khí liên kết vững chắc các trục xy lanh điện LEFS16A-100-R1, LEFS16A-200-R1 và bàn xoay LER10J.
• Phát triển phần mềm: Xây dựng bộ chương trình điều khiển logic hoàn chỉnh trên nền tảng TIA Portal, thực hiện việc giao tiếp chuẩn xác qua 16 ngõ vào và 32 ngõ ra của driver JXC73. Thiết kế thành công giao diện HMI/SCADA trên WinCC hỗ trợ chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ tự động (AUTO) và bằng tay (MAN).
• Kiểm nghiệm vận hành thực tế: Toàn bộ 5 bài thí nghiệm đều được chạy thực nghiệm và ghi nhận kết quả chuyển động chính xác:
  • Chức năng Return to Origin đưa đồng thời hoặc tuần tự các trục về điểm gốc tọa độ máy chuẩn xác sau khi kích hoạt tín hiệu SETUP.
  • Chức năng Positioning Operation định vị đầu tác động chính xác đến các vị trí đặt trước dựa trên việc giải mã 9-bit địa chỉ (IN0 đến IN8).
  • Chuyển động nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) và nội suy đường tròn (Circular Interpolation) vận hành trơn tru, không xảy ra hiện tượng rung lắc hay mất bước động cơ.
  • Kịch bản gắp, xoay và phân loại 6 vị trí sản phẩm theo tín hiệu cảm biến và thời gian diễn ra đúng chu trình tự động hóa khép kín.

Hạng mục kiểm nghiệm	Phương thức điều khiển	Trạng thái ghi nhận
Trả về gốc máy (Return to Origin)	Tín hiệu SETUP từ PLC / JXC Controller	Hoàn thành, đèn SETON và INP tích cực ON
Điều khiển vị trí (Positioning Operation)	Mã hóa nhị phân IN0 - IN8 từ PLC	Di chuyển chính xác, INP ON khi đến vị trí đích
Nội suy tuyến tính (Linear Interpolation)	Chế độ LIN-A / LIN-I trên 3 trục	Quỹ đạo thẳng đều, đồng bộ vận tốc các trục
Nội suy đường tròn (Circular Interpolation)	Chế độ CIR-R / CIR-L trên 2 trục	Tạo quỹ đạo tròn mượt mà quanh tâm cấu hình
Phân loại 6 vị trí tọa độ	Phối hợp trục LEFS và bàn xoay LER	Phân loại chính xác theo cảm biến và thời gian

Đóng góp của đề tài

1. Xây dựng tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chi tiết về cấu hình, lập trình và vận hành dòng driver điều khiển đa trục SMC JXC73 bằng tiếng Việt, giúp người học dễ dàng tiếp cận dòng thiết bị công nghiệp chuyên dụng này.
2. Thiết kế hoàn chỉnh modul bài tập thí nghiệm thực hành tích hợp giữa PLC Siemens và driver điều khiển chuyển động của SMC, phục vụ trực tiếp cho công tác đào tạo thực hành môn học Điều khiển chuyển động và Tự động hóa quá trình sản xuất.
3. Đề xuất sơ đồ đấu nối chuẩn mực sử dụng mạch đệm chuyển đổi tín hiệu VC08N giúp chống nhiễu và bảo vệ an toàn cho các cổng I/O bán dẫn của PLC và driver trong môi trường đào tạo kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

• Hệ thống được thực hiện trong phạm vi phòng thí nghiệm giáo dục nên quy mô cơ khí còn nhỏ, chưa đáp ứng hoàn toàn các tiêu chuẩn và tải trọng khắt khe trong sản xuất công nghiệp nặng.
• Do điều kiện kinh tế và nguồn kinh phí nghiên cứu hạn hẹp, nhóm thực hiện chủ yếu tận dụng các thiết bị phần cứng có sẵn trong phòng thí nghiệm, dẫn đến một số sai số cơ học nhất định giữa lý thuyết tính toán và chuyển động thực tế.
• Hệ thống truyền thông giữa PLC và driver JXC73 hiện chỉ áp dụng phương thức giao tiếp I/O song song (Parallel I/O), tiêu tốn nhiều chân đấu nối vật lý và hạn chế tốc độ truyền tải lượng lớn dữ liệu tọa độ động so với các chuẩn truyền thông mạng công nghiệp.

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp

• Nâng cấp phương thức kết nối giữa bộ điều khiển trung tâm PLC và bộ điều khiển xi lanh điện sang các chuẩn truyền thông mạng công nghiệp tốc độ cao (như Modbus, CC-Link, DeviceNet, PROFINET hoặc EtherCAT) để giảm số lượng cáp kết nối vật lý và hỗ trợ truyền tham số tọa độ trực tiếp trong thời gian thực.
• Mở rộng thuật toán điều khiển phối hợp đồng bộ cả 4 trục trong không gian phức hợp, tích hợp thêm hệ thống xử lý ảnh công nghiệp (Machine Vision) để nhận diện và định vị sản phẩm động trên băng tải thay vì phân loại tại các tọa độ cố định.
• Tối ưu hóa cấu trúc cơ khí, gia công bộ gá và khung đỡ kim loại tiêu chuẩn công nghiệp nhằm giảm rung sai số và nâng cao độ cứng vững khi hệ thống vận hành ở dải tốc độ cao.

Giá trị tham khảo

Đồ án là nguồn tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao đối với:

• Giảng viên và kỹ thuật viên phụ trách phòng thí nghiệm các trường đại học, cao đẳng kỹ thuật thuộc khối ngành Công nghệ kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Điện - Điện tử: Cung cấp tài liệu hướng dẫn xây dựng bài thực hành về điều khiển vị trí và nội suy quỹ đạo.
• Sinh viên chuyên ngành Tự động hóa, Cơ điện tử đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến hệ thống điều khiển vị trí đa trục, lập trình PLC S7-1200, thiết kế giao diện SCADA trên WinCC hoặc khai thác thiết bị truyền động SMC.
• Kỹ sư thiết kế máy và tích hợp hệ thống tự động: Tham khảo sơ đồ phối ghép tín hiệu I/O NPN, cấu trúc bảng tham số Step Data và quy trình khắc phục sự cố mã lỗi Alarm trên dòng driver JXC73.
• Các phần đáng tham khảo nhất trong tài liệu bao gồm: Sơ đồ đấu nối chi tiết chân I/O 1, I/O 2 và chân nguồn CI, M PWR (Chương 2); bảng cấu hình thông số Step Data các chế độ ABS, INC, LIN, CIR (Chương 3); lưu đồ giải thuật điều khiển và quy trình giao tiếp bắt tay PLC - Driver (Chương 4).

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển SMC JXC73 quản lý tối đa bao nhiêu trục và tương thích với loại động cơ nào?

Theo đặc tính kỹ thuật công bố tại Bảng 2.1 của đồ án, driver SMC JXC73 hỗ trợ điều khiển tối đa 4 trục độc lập hoặc đồng bộ. Driver chuyên dụng để điều khiển động cơ bước (step motor servo điện áp 24VDC), phản hồi vị trí thông qua encoder 2 pha A và B với độ phân giải 800 xung/vòng.

2. Các cổng kết nối I/O song song của driver JXC73 thuộc loại NPN hay PNP và có bao nhiêu bước điều khiển (Step Data)?

Driver JXC73 sử dụng chuẩn kết nối ngõ vào/ra NPN cách ly quang (gồm 16 ngõ vào số và 32 ngõ ra số trên 2 cổng 40 chân I/O 1 và I/O 2). Ở chế độ tiêu chuẩn (Normal mode), driver cho phép cấu hình tối đa 512 bước dữ liệu (Step Data) tương ứng việc điều khiển bằng 9 bit địa chỉ (IN0 đến IN8). Ở chế độ mở rộng (Extended mode), hệ thống có thể mở rộng lên tới 2048 bước điều khiển.

3. Trong đồ án, các mã động cơ xi lanh điện cụ thể nào của hãng SMC đã được lựa chọn?

Đồ án lựa chọn hai dòng cơ cấu chấp hành xi lanh điện chính của SMC:

• Cơ cấu trượt trục vít me bi tuyến tính: Gồm hai model LEFS16A-100-R1 (hành trình 100 mm) và LEFS16A-200-R1 (hành trình 200 mm).
• Cơ cấu xoay dạng bàn xoay điện: Model LER10J truyền động bánh răng tạo chuyển động góc chính xác.

4. Vai trò của mạch chuyển đổi tín hiệu VC08N trong sơ đồ phần cứng là gì?

Mạch VC08N đóng vai trò là tầng đệm chuyển đổi và cách ly tín hiệu trung gian giữa ngõ ra phát xung/tín hiệu logic của PLC S7-1200 với các cổng ngõ vào cách ly quang NPN của bộ điều khiển JXC73. Thiết bị này đảm bảo tính tương thích về mức điện áp, chống nhiễu công nghiệp và bảo vệ an toàn cho các cổng bán dẫn của cả hai thiết bị điều khiển.

5. Khả năng thực hiện thuật toán nội suy của driver JXC73 hỗ trợ tối đa bao nhiêu trục?

Theo tài liệu kỹ thuật tại Chương 2, driver JXC73 hỗ trợ thuật toán nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) tối đa cho 3 trục trong không gian (X, Y, Z) với việc thiết lập vị trí đích và vận tốc di chuyển trên quỹ đạo. Đối với thuật toán nội suy đường tròn (Circular Interpolation), bộ điều khiển hỗ trợ đồng bộ tối đa cho 2 trục trên mặt phẳng với các thông số cài đặt về tọa độ tâm đường tròn, bán kính và vận tốc dài.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế các bài thí nghiệm trên bộ xy lanh điện đa trục" của nhóm sinh viên Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu lý thuyết, lắp ráp phần cứng bảng điện công nghiệp và biên soạn 5 bài thí nghiệm vận hành chuyên sâu trên driver SMC JXC73 và PLC Siemens S7-1200. Các kết quả thực nghiệm về điều khiển vị trí độc lập, chuyển động nội suy tuyến tính 3 trục, nội suy đường tròn 2 trục và phân loại sản phẩm tự động đều đáp ứng đúng yêu cầu công nghệ và đạt độ tin cậy cao. Công trình cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh và mô hình thực hành trực quan, đóng góp thiết thực cho công tác đào tạo kỹ sư chuyên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài 1 Hình 1-1 Các dòng xi lanh điện Với sự phát triển của công nghệ, xi lanh điện đang được phát triển với nhiều tính năng mới như độ chính xác cao hơn, tốc độ chuyển động nhanh hơn, khả năng kết nối và điều khiển từ xa và tính năng an toàn cao hơn. Do đó, nhu cầu sử dụng xi lanh điện trên toàn thế giới đang tăng lên và dự kiến sẽ tiếp tục tăng trong tương lai. Do đó việc tiếp cận và làm việc với xi lanh điện là rất cấp thiết, từ những vấn đề trên, nhóm thực hiện báo cáo đã chọn đề tài: “Thiết kế các bài thí nghiệm trên bộ xy lanh điện đa trục”.2 Mục tiêu Nhằm làm chủ kỹ thuật điều khiển xi lanh điện, có thể áp dụng vào phòng thí nghiệm của các trường cao đẳng, đại học cũng như ứng dụng trong sản xuất công nghiệp. Đề tài có các mục tiêu như sau: - Tìm hiểu và nghiên cứu được bộ điều khiển xi lanh điện đa trục JXC73.

- Cài đặt và vận hành thiết kế các bài thí nghiệm trên bộ xy lanh điện đa trục JXC73. - Giao tiếp giữa PLC và Driver bằng giao tiếp I/O - Xây dựng các bài thí nghiệm điều khiển Driver bằng PLC 1.3 Nội dung nghiên cứu Phần còn lại của đề tài có nội dung như sau: Chương 2. Cơ sở lý thuyết Chương 2 trình bày tổng quan về hệ thống điều khiển xi lanh điện đa trục, giới thiệu tổng quan về PLC S7-1200, driver điều khiển dùng cho xi lanh điện đa trục JXC 73, động cơ Step Motor, Mạch chuyển đổi tín hiệu và cuối cùng là giới thiệu về thuật toán nội suy tuyến tính và nội suy đường tròn. Cài đặt và vận hành bộ xy lanh JXC 73 Chương 3 giới thiệu tổng quan về phần mềm JXC Controller, cấu hình thông Chương 1: Tổng quan đề tài 2 số ban đầu và Step Data cho hệ thống trên phần mềm và chạy thử hệ thống trên phần mềm.

Thiết kế các bài thí nghiệm Chương 4 thiết kế các bài thí nghiệm chạy trên phần mềm JXC Controller bao gồm 5 bài thí nghiệm sẽ được trình bày cụ thể hơn ở chương 4, và cuối cùng là thiết kế các bài thí nghiệm giao tiếp PLC S7-1200. Kết quả - nhận xét – đánh giá Chương 5 trình bày kết quả nghiên cứu, kết quả thi công phần điện, kết quả giao diện giám sát và điều khiển và sau cùng là kết quả vận hành hệ thống. Kết luận và hướng phát triển Chương 6 trình bày kết luận về đề tài đã thực hiện và các hướng có thể phát triển của đề tài 1.4 Giới hạn Đối tượng nghiên cứu: - Lập trình PLC và Wincc. - Driver của bộ JXC73.

- Thiết kế các bài thí nghiệm chạy trên phần mềm JXC Controller. - Thiết kế các bài thí nghiệm giao tiếp PLC S7 - 1200. Phạm vi đề tài: - Trong phạm vi mô hình thử nghiệm nên quy mô chưa lớn, hệ thống chỉ mang tính chất mô hình giáo dục làm tiền đề cho sự phát triển trong tương lai. - Vì yếu tố kinh tế hạn hẹp nên đa số phần cứng của hệ thống là thiết bị có sẵn, quy mô nhỏ nên sẽ có sai số chênh lệch so với thực tế và chưa phù hợp với quy mô công nghiệp.

Chương 1: Tổng quan đề tài 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Tổng quan về hệ thống điều khiển xi lanh điện đa trục Ở chương này nhóm thực hiện giới thiệu tổng quan về hệ thống xi lanh điện đa trục 2.