Đồ án: Thiết kế hệ thống điều khiển Robot Scara Serpent 4 bậc tự do - SV Bùi Vinh Hải

Đồ án tham khảo thiết kế hệ thống điều khiển Robot Scara 4 bậc tự do, sử dụng PLC Mitsubishi. Tài liệu gồm lý thuyết, code và kết quả thực nghiệm.

• Tác giả: Bùi Vinh Hải
• Người hướng dẫn: Ths. Phan Thị Huyền Châu
• Trường học: Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Robot Scara Serpent 4 Bậc Tự Do
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng Quan về Robot SCARA Serpent 4 Bậc Tự Do

Robot SCARA Serpent 4 bậc tự do là một giải pháp điều khiển tự động hóa tiên tiến được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp hiện đại. Đồ án thiết kế này tập trung vào việc xây dựng hệ thống điều khiển robot SCARA sử dụng bộ điều khiển PLC Q02H và module mở rộng QD75D4 của Mitsubishi. Robot SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) với 4 bậc tự do cho phép điều khiển chuyển động chính xác, đảm bảo cánh tay máy có thể di chuyển đến vị trí xác định một cách linh hoạt. Mục tiêu chính của đồ án là thiết kế hệ thống điều khiển robot có khả năng thực hiện các chuyển động phức tạp trong ứng dụng công nghiệp như lắp ráp, vận chuyển, và xử lý vật liệu. Thông qua đồ án này, sinh viên sẽ nắm vững kiến thức về động học robot, lập trình PLC, và cấu hình các thiết bị điều khiển chuyên dụng.

1.1. Định Nghĩa và Khái Niệm Robot SCARA

Robot SCARA là loại robot công nghiệp 4 bậc tự do chuyên dụng với cấu trúc khớp nối (Articulated). Nó có 2 khớp quay ngang, 1 khớp tịnh tiến thẳng đứng, và 1 khớp quay quanh trục đứng. Điều này giúp robot thực hiện các chuyển động linh hoạt trong không gian làm việc 3 chiều. So với robot 6 bậc tự do, SCARA nhỏ gọn, chi phí thấp hơn nhưng vẫn đáp ứng được nhu cầu của hầu hết các ứng dụng công nghiệp.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn của Robot SCARA

Robot SCARA được sử dụng rộng rãi trong lắp ráp điện tử, xử lý vật liệu, và vận chuyển tự động. Nhờ tốc độ hoạt động nhanh và độ chính xác cao, robot SCARA đem lại hiệu suất sản xuất cao và giảm chi phí lao động. Ngoài ra, nó còn được ứng dụng trong các ngành công nghiệp đòi hỏi độ linh hoạt cao như sơ chế thực phẩm, dệt may, và chế tạo.

II. Thông Số Kỹ Thuật và Không Gian Làm Việc

Robot SCARA Serpent 4 bậc tự do sở hữu các thông số kỹ thuật vượt trội được thiết kế để hoạt động ổn định trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt. Không gian làm việc của robot có hình dạng đặc biệt - phần dưới hình trụ tròn và phần trên hình hộp chữ nhật, cho phép robot tiếp cận vùng làm việc rộng lớn. Với tầm tay từ 300mm đến 400mm tùy theo cấu hình, robot có thể thực hiện các tác vụ ở khoảng cách xa. Tải trọng hoạt động của robot đạt 3-5 kg, đủ để xử lý các công việc nhẹ trong sản xuất. Độ lặp lại vị trí có sai số không vượt quá ±0.1mm, đáp ứng yêu cầu độ chính xác cao trong các ứng dụng lắp ráp điện tử. Các thông số động học của robot được tính toán dựa trên lý thuyết động học thuận và ngược, giúp xác định vị trí và hướng của khúc cuối.

2.1. Đặc Điểm Không Gian Làm Việc

Không gian làm việc robot SCARA được xác định bởi giới hạn chuyển động của các khớp. Phần dưới tạo thành vùng hình trụ với bán kính bằng tổng độ dài của hai cánh tay. Phần trên giới hạn bởi thế cao của trục Z. Hình dạng không gian làm việc đặc biệt này cho phép tối ưu hóa vị trí lắp đặt robot trong dây chuyền sản xuất, tiết kiệm diện tích sàn nhà máy.

2.2. Tải Trọng và Độ Chính Xác

Robot SCARA có khả năng chịu tải 3-5 kg ở đầu công cụ, thích hợp cho các ứng dụng xử lý linh kiện nhẹ. Độ lặp lại vị trí ±0.1mm đảm bảo chính xác tuyệt đối, yêu cầu bắt buộc trong các ngành công nghiệp vi điện tử. Tốc độ chuyển động tối đa đạt 2-3 m/s, cho phép hoàn thành các chu kỳ sản xuất nhanh chóng.

III. Hệ Thống Điều Khiển với PLC Q02H và Module QD75D4

Hệ thống điều khiển robot SCARA được xây dựng trên nền tảng PLC Q02H của Mitsubishi, một thiết bị điều khiển lập trình công nghiệp với khả năng xử lý tín hiệu mạnh mẽ. Module mở rộng QD75D4 là một bộ điều khiển chuyên dụng cho động cơ servo, cho phép điều khiển vị trí chính xác các khớp robot. Cấu hình hệ thống bao gồm CPU xử lý chính, các driver servo MR-J3-10A điều khiển động cơ DC servo HF-KP13, và các khối đầu vào/đầu ra để giao tiếp với các cảm biến và bộ thực thi. Bộ nguồn cấp điện 24V DC cung cấp năng lượng ổn định cho toàn bộ hệ thống. Giao diện người dùng được thiết kế trên màn hình HMI để giám sát và điều khiển chuyển động robot một cách trực quan. Các nút nhấn chốt LA28-BN/203 và nút dừng khẩn cấp LA38-11ZS đảm bảo an toàn hoạt động.

3.1. Cấu Trúc PLC Q02H và Module QD75D4

PLC Q02H là một bộ điều khiển lập trình có khả năng xử lý tốc độ cao và hỗ trợ nhiều loại module mở rộng. Module QD75D4 tích hợp chức năng điều khiển vị trí, cho phép lập trình quỹ đạo phức tạp cho robot. Cấu hình này cho phép tối ưu hóa hiệu suất của toàn bộ hệ thống điều khiển robot.

3.2. Driver Servo và Động Cơ

Driver servo MR-J3-10A điều khiển động cơ servo DC HF-KP13, cung cấp lực xoắn cao và phản ứng nhanh. Bộ driiver này có khả năng cấu hình tham số linh hoạt thông qua phần mềm MR Configurator 2, cho phép tinh chỉnh hiệu suất theo yêu cầu ứng dụng cụ thể.

IV. Lập Trình Điều Khiển và Kết Quả Thực Nghiệm

Chương trình điều khiển robot SCARA được lập trình bằng ngôn ngữ ladder (LD) trên phần mềm GX Works2, cho phép tạo các thuật toán điều khiển chuyển động phức tạp. Lưu đồ thuật toán bao gồm các bước: khởi tạo hệ thống, nhập vị trí mục tiêu, tính toán quỹ đạo đa thức, phát sinh tín hiệu điều khiển cho các khớp, và giám sát phản hồi từ các cảm biến vị trí. Quỹ đạo được thiết kế dạng đa thức bậc 3, 5 hoặc 2-1-2 để đảm bảo chuyển động mượt mà không tạo sốc cơ học. Kích bản thực nghiệm được thiết kế để kiểm tra hiệu suất robot với các chuyển động tới các vị trí khác nhau, từ vị trí an toàn ban đầu đến các vị trí làm việc xác định. Kết quả thực nghiệm cho thấy robot hoạt động ổn định, độ chính xác vị trí đạt theo tiêu chí kỹ thuật đề ra. Giao diện HMI trên màn hình hiển thị vị trí hiện tại, vị trí mục tiêu, và trạng thái hoạt động của robot, giúp giám sát quá trình chuyển động một cách hiệu quả.

4.1. Thuật Toán Điều Khiển Chuyển Động

Lưu đồ thuật toán điều khiển chuyển động robot được thiết kế theo cấu trúc lôgic, bắt đầu từ khởi tạo hệ thống, kiểm tra điều kiện an toàn, tính toán quỹ đạo tối ưu. Sau đó, hệ thống phát sinh tín hiệu PWM điều khiển tốc độ động cơ servo, đồng thời giám sát phản hồi cảm biến để điều chỉnh vị trí chính xác.

4.2. Kết Quả Thực Nghiệm và Đánh Giá

Các kết quả thực nghiệm cho thấy robot chuyển động đến vị trí mục tiêu với sai lệch dưới 0.1mm. Thời gian chuyển động ổn định và lặp lại được. Giao diện HMI hiển thị thông tin chi tiết giúp toán tử dễ dàng điều khiển và giám sát quá trình hoạt động robot trong các ứng dụng thực tiễn.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ROBOT VÀ ĐIỀU KHIỂN ROBOT 1.1 Định nghĩa về Robot công nghiệp Thuật ngữ Robot được bắt nguồn từ khoa học viễn tưởng. Từ khóa "Robota" lần đầu xuất hiện vào năm 1920 để mô tả một nhân vật trong vở kịch có thể ứng xử như con người, có khả năng làm việc khỏe gấp đôi con người nhưng không có cảm tính, cảm giác. Và sự phát triển về lĩnh vực Robot bắt đầu từ 40 năm sau thời điểm đó. Robot sở hữu nhiều định nghĩa dưới các khía cạnh khác nhau.

Robot có thể được coi là một tay máy kim loại có nhiều bậc tự do và điều khiển được bắng máy tính hoặc các bộ điều khiển. Một định nghĩa khác về Robot như là: Robot công nghiệp là một cơ cấu cơ khí có thể lập trình và có thể thực hiện những công việc có ích một cách tự động không cần sự giúp đỡ trực tiếp từ con người. Robot công nghiệp có thể được lập trình để thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau, như hàn, lắp ráp, sơn, và vận chuyển vật liệu. Chúng được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong điều kiện khắc nghiệt, như nhiệt độ cao, bụi bẩn, hoặc hóa chất nguy hiểm.

Việc sử dụng robot công nghiệp không chỉ giúp tăng năng suất và chất lượng sản phẩm nhờ khả năng làm việc chính xác và liên tục, mà còn góp phần giảm thời gian ngừng hoạt động trong quy trình sản xuất. Robot công nghiệp được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, bao gồm sản xuất ô tô, điện tử, thực phẩm, và đồ uống. Tự động hóa (Automation) và kỹ thuật Robot (Robotics) là hai lĩnh vực có liên quan mật thiết đến nhau. Về phương diện công nghệ, tự động hóa là một công nghệ có khả năng liên kết các hệ thống cơ khí, điện tử, máy tính để vận hành và điều khiển sản xuất.

Như vậy, có thể coi Robot là một dạng của thiết bị tự động hóa công nghiệp.1: Robot công nghiệp ELBOW 1.2 Lịch sử phát triển của Robot công nghiệp Từ thế kỷ 17, một số thiết bị máy móc được chế tạo đã có một số những đặc tính làm việc như Robot công nghiệp hiện nay. Jacques de Vancanson đã chế tạo ra vài búp bê nhạc sĩ. Năm 1805 Henri Maillarder đã chế tạo những con búp bê cơ 1 khí có khả năng vẽ tranh. Trong các đồ chơi đó, một số cơ cấu cam được sử dụng như một chương trinh điều khiển thiết bị vẽ và viết.

Một số điểm mốc lịch sử phát triển công nghệ Robot sau: Giữa thế kỷ 17: J.de Vancanson chế tạo một số búp vê có khí đánh nhạc.Jacquard phát minh khung dệt vải có thể lập trình.Maillader chế tạp búp bê cơ khí có thể vẽ tranh.Babbitt đã thiết kế một cần trục truyền động động cơ có cơ cấu kẹp để gắp thỏi thép đúc ra khỏi lò nung. Năm 1951: Cơ cấu tay máy điều khiển từ xa có thể mang các vật liệu phóng xạ chế tạo.Devol đăng ký bản quyền phát minh thiết kế Robot. Năm 1960: Robot Unimate đầu tiên được giới thiệu là Robot truyền động thủy lực, nó sử dụng dạng nguyên lý điều khiển số cho điều khiển cơ cấu tay máy. Năm 1970: Tay máy Stanford là Robot nhỏ điều khiển bằng điện được chế tạo ở trường Đại Học Stanford (Mỹ).

Năm 1978: Robot SCADA được sáng chế cho dây chuyền lắp ráp ở Trường Đại Học Yamanashi (Nhật). Một số Robot thương mại này được giới thiệu vào năm 1981. Năm 1991: Bước phát triển mới của nền kinh tế thế giới tập trung sản xuất các sản phẩm phức tạp và ứng dụng công nghệ vi điện tử và công nghệ hiển thị trong Robot của dây chuyền sản xuất tự động hóa.2: Robot UNIMATE 2 Trong thập niên 2010, ngành công nghiệp robot một lần nữa trải qua cách mạng, đưa robot đến đúng vị trí mà người ta luôn kỳ vọng: làm việc bên cạnh con người. Robot hợp tác, hay còn gọi là cobot, là những máy móc được thiết kế để làm việc gần gũi hoặc trực tiếp với các điều hành viên con người.

Cobot là một loại robot tương đối mới được thiết kế để hoạt động an toàn trong môi trường gần gũi hoặc thậm chí tiếp xúc trực tiếp với con người. Chúng sử dụng công nghệ tiên tiến, bao gồm các khớp hạn chế lực và thị giác máy tính, để phát hiện sự hiện diện của con người xung quanh. Cobot thường nhỏ gọn và nhẹ hơn so với robot công nghiệp truyền thống, giúp việc di chuyển trở nên dễ dàng hơn, và chúng có thể được huấn luyện để thực hiện các nhiệm vụ cụ thể. Cobot báo hiệu kỷ nguyên của những robot kích thước con người được thiết kế để hợp tác với các đối tác con người.3: Hệ thống Iot trong sản xuất Công nghệ dữ liệu, điện toán đám mây và Internet vạn vật (IoT) cũng được tích hợp vào robot công nghiệp, cho phép ghi lại dữ liệu đầu vào, hành động và đầu ra (từ toàn bộ nhà máy, một thiết bị đơn lẻ, hoặc một phần của thiết bị), cung cấp thông tin về hiệu suất của thiết bị và báo cáo dữ liệu đó.

Tất cả những dữ liệu này mang lại cho các doanh nghiệp sản xuất nhiều quyền kiểm soát hơn về chất lượng, bảo trì và năng suất. Nó cũng có thể được chia sẻ với các bộ phận, đối tác, nhà cung cấp, khách hàng và các bên liên quan khác trong khu vực hoặc toàn cầu.3 Phân loại Robot công nghiệp Với Robot trong công nghiệp có thể được phân loại dựa theo các tiêu chí dưới đây: • Phân loại theo số bậc tự do. • Phân loại theo cấu trúc cơ khí. • Phân loại theo ứng dụng của Robot.1 Phân loại Robot theo số bậc tự do Bậc tự do của Robot là số tọa độ cần thiết để biểu diện vị trí và hướng của vật thể ở tay Robot trong không gian làm việc.

Để biểu diện hoàn chỉnh một đối tượng trong không gian cần 6 tham số: 3 tọa độ xác định vị trí đối tượng trong không gian và 3 tọa độ biểu diễn hướng của vật thể. Như vậy một Robot công nghiệp điển hình sẽ có số bậc tự do là 6. Số bậc tự do của Robot công nghiệp sẽ tương 3 ứng với số khớp hoặc số thanh nối của Robot. Nếu số bậc tự do nhỏ hơn 6, không gian chuyển động của tay Robot trong sẽ bị hạn chế.

Với Robot 3 bậc tự do, tay Robot chỉ có thể chuyển động dọc theo các trục x,y,z và hướng của tay không được xác định. Ngược lại số bậc tự do lớn hơn 6, sẽ có nhiều lời giải biểu diện vị trí và hướng của Robot trong không gian và sẽ có nhiều phương án điều khiển chuyển động.4: Robot công nghiệp 6 bậc tự do 1.2 Phân loại Robot theo cấu trúc cơ khí Cấu trúc cơ khí là một yếu tố quan trọng quyết định tính linh hoạt, phạm vi làm việc và các ứng dụng cụ thể của robot. Các loại robot công nghiệp phổ biến dựa trên cấu trúc cơ khí bao gồm: Robot Cartesian (Robot Tọa độ Hình chữ nhật): Còn được gọi là robot tuyến tính hoặc robot tọa độ Descartes, những robot công nghiệp này thực hiện chuyển động tuyến tính trong không gian. Chúng di chuyển theo ba trục vuông góc (x, y, z), tạo thành một không gian làm việc hình khối.

Một số ưu điểm của robot Cartesian bao gồm thiết kế và vận hành đơn giản, độ chính xác cao và chi phí hợp lý. Tuy nhiên, những robot này thường chiếm nhiều không gian hơn, thiếu tính linh hoạt và có tốc độ chậm hơn.5: Robot Catersian  Robot Delta (Robot song song): Robot delta, còn được gọi là robot nhện, là những robot công nghiệp được thiết kế với một khung hình tam giác. Khung hình tam giác được gắn trực tiếp trên khu vực làm việc, với mỗi 4 cánh tay chứa một động cơ servo có mô-men xoắn cao. Trục động cơ được liên kết với một cánh tay được gọi là "bắp tay", cánh tay này kéo dài vuông góc với trục quay của động cơ.

Đầu kia của bắp tay được kết nối với các thanh được sắp xếp theo hình thang. Tùy thuộc vào ứng dụng, các thanh hình thang này được kết nối với các thiết bị điều khiển khác nhau.6: Robot Delta  Robot khớp: Robot khớp là robot công nghiệp có các khớp xoay. Các khớp này thường được cấp nguồn bởi động cơ servo và được gọi là trục của robot. Chuyển động của robot khớp được thiết kế để mô phỏng chuyển động của bàn tay con người.

Thông thường, những robot này có bốn hoặc sáu khớp (robot 4 trục hoặc 6 trục). Tuy nhiên, trong các hệ thống phức tạp hơn, robot có thể có tới 10 khớp.7: Robot Khớp Nối  Robot hình trụ: Loại robot công nghiệp này có một khớp xoay ở đáy và một khớp thẳng (khớp di chuyển theo hướng tuyến tính) ở cánh tay. Nó có ba trục chuyển động, trong đó có hai trục tuyến tính và một trục xoay. Trục kết nối với đáy robot có thể xoay, và cánh tay có thể di chuyển lên và xuống.

Robot hình trụ được sử dụng trong các hệ thống tự động hàn, xử lý vật liệu, các hoạt động lắp ráp, sơn và các ứng dụng khác yêu cầu làm việc với các hình tròn đối xứng.  Robot hình cầu hoặc robot cực: Robot hình cầu hoặc robot cực công nghiệp có hai khớp xoay và một khớp chuyển động tuyến tính. Các khớp xoay xử lý chuyển động quay và nâng robot theo phương thẳng đứng. Khớp tuyến tính giúp mở rộng phạm vi làm việc của robot, tạo ra một không gian làm việc hình cầu xung quanh nó.

 Robot SCARA (Khớp lắp ráp chọn lọc): SCARA được phát minh vào năm 5 1978 bởi Giáo sư Hiroshi Makino tại Đại học Yamanashi, Nhật Bản, và bắt đầu được áp dụng vào các dây chuyền lắp ráp công nghiệp từ năm 1981. Đây là loại robot có các khớp đặc biệt với các khớp xoay, cho phép di chuyển linh hoạt theo các trục X và Y, trong khi trục Z chỉ có thể di chuyển lên và xuống. Nhờ thiết kế này, SCARA có khả năng thực hiện các hoạt động lấy và thả sản phẩm với tốc độ cao và độ chính xác vượt trội. Chúng thường được sử dụng trong các ứng dụng như lắp ráp, hàn, khắc, xử lý vật liệu và các công việc yêu cầu độ lặp lại cao.

Với những ưu điểm như dễ lắp đặt, tiết kiệm không gian và hoạt động nhanh chóng. SCARA đã trở thành lựa chọn phổ biến trong các dây chuyền sản xuất hiện đại. Tuy nhiên, bên cạnh những ưu điểm nổi bật, SCARA vẫn còn một số hạn chế.