Đồ án Thiết kế: Điều khiển cánh tay Robot Mitsubishi RV-2FR-Q bằng PLC và Xử lý ảnh

Tài liệu đồ án đầy đủ về điều khiển cánh tay robot Mitsubishi RV-2FR-Q. Hướng dẫn lập trình PLC, Teaching Pendant và kết hợp xử lý ảnh.

• Tác giả: Nguyễn Anh Thư
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Thị Vân Anh
• Trường học: Đại Học Bách Khoa Hà Nộ - Trường Điện - Điện Tử
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển & Tự Động Hóa
• Đề tài: Điều Khiển Cánh Tay Robot Mitsubishi Rv-2Fr-Q
• Loại tài liệu: Đồ Án Thiết Kế
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Hà Nộ

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Hệ Robot Mitsubishi RV 2FR Q

Robot Mitsubishi RV-2FR-Q là một cánh tay robot công nghiệp hiện đại được thiết kế để thực hiện các nhiệm vụ tự động hóa phức tạp. Đồ án thiết kế này tập trung vào việc điều khiển robot có sẵn tại bộ môn Tự động hóa công nghiệp của Trường Điện - Điện tử, Đại học Bách Khoa Hà Nội. Robot RV-2FR-Q thuộc dòng RV-F với khả năng nâng tải tối đa và phạm vi vận hành rộng. Đồ án cung cấp những kiến thức toàn diện về kiến trúc, thông số kỹ thuật, và các ứng dụng thực tiễn của hệ robot này. Ngoài ra, tài liệu còn trình bày chi tiết về bộ điều khiển CR800-02-VQ và các module PLC Mitsubishi Q series, giúp người học hiểu rõ cách thức hoạt động và tích hợp của toàn hệ thống.

1.1. Giới Thiệu Cánh Tay Robot Mitsubishi RV 2FR Q

Robot RV-2FR-Q là mô hình cánh tay có 4 bậc tự do, được tối ưu hóa cho các ứng dụng điều khiển robot trong công nghiệp. Robot này có khả năng gập chuyển động linh hoạt với giới hạn hành trình được thiết kế chi tiết. Thông số kỹ thuật bao gồm dải chuyển động của các khớp nối, khối lượng tải cho phép, và tốc độ hoạt động tối đa. Dòng RV-F nổi bật với khả năng mở rộng phạm vi vận hành trục J4 và trục đứng, cho phép robot tiếp cận các vị trí công việc khó khăn và tối đa hóa hiệu suất sản xuất tự động hóa.

1.2. Bộ Điều Khiển CR800 02 VQ Và Các Cổng Kết Nối

Bộ điều khiển CR800-02-VQ là trung tâm điều khiển của hệ thống robot, cung cấp các chức năng xử lý tín hiệu và quản lý hoạt động. Bộ điều khiển có mặt trước và mặt sau với nhiều cổng kết nối tiêu chuẩn. Cổng kết nối CNUSR11 là giao diện quan trọng cho phép truyền thông với các thiết bị bên ngoài như PLC và cảm biến. Các thông số kỹ thuật của bộ điều khiển được thiết kế để đảm bảo tương thích với robot RV-2FR-Q và hỗ trợ các chế độ điều khiển khác nhau từ Manual đến Automatic.

II. Điều Khiển Robot Dựa Trên Teaching Pendant R33TB

Teaching Pendant R33TB là thiết bị điều khiển cầm tay chuyên dụng cho robot Mitsubishi, cho phép người điều khiển lập trình và điều hành robot một cách trực quan và an toàn. Phương pháp điều khiển này được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng công nghiệp do tính linh hoạt và độ chính xác cao. Đồ án trình bày chi tiết các phím chức năng cơ bản, quy trình kết nối với bộ điều khiển CR800-02-VQ, và các bước thực hiện JOG Operation. Ngoài ra, tài liệu cũng giải thích về ba kiểu nội suy quỹ đạo chuyển động: nội suy từng khớp, nội suy tuyến tính, và nội suy cung tròn, mỗi loại có ứng dụng cụ thể trong các nhiệm vụ khác nhau.

2.1. Teaching R33TB Và JOG Operation

Teaching Pendant R33TB được thiết kế với giao diện người dùng thân thiện, bao gồm các phím chức năng cơ bản để điều khiển robot. Chế độ JOG Operation cho phép người toán tử di chuyển từng khớp robot một cách từng bước, hỗ trợ cả chế độ 3-axis XYZ Jog. Trình tự thực hiện JOG Operation được mô tả chi tiết, từ khởi tạo cho đến đạt được vị trí mong muốn. Phương pháp này giúp các kỹ sư thiết kế chương trình điều khiển và xác định các điểm quan trọng cho quỹ đạo chuyển động của robot.

2.2. Lập Trình Và Các Kiểu Nội Suy Quỹ Đạo

Lập trình điều khiển robot bằng Teaching Pendant bao gồm việc tạo chương trình trên R33TB, teaching điểm cho chương trình, và thực thi lệnh trực tiếp. Ba kiểu nội suy quỹ đạo được hỗ trợ: nội suy từng khớp (Joint Interpolation) cho chuyển động giữa các điểm độc lập, nội suy tuyến tính (Linear Interpolation) cho đường đi thẳng, và nội suy cung tròn (Circular Interpolation) cho chuyển động cong. Mỗi kiểu nội suy được áp dụng tùy thuộc vào yêu cầu của ứng dụng cụ thể và quỹ đạo cần thực hiện.

III. Điều Khiển Robot Dựa Trên PLC Mitsubishi Q03UDVCPU

Điều khiển robot bằng PLC Mitsubishi mang lại tính tự động hóa toàn diện và khả năng tích hợp với các hệ thống khác trong dây chuyền sản xuất. PLC Q03UDVCPU là CPU unit chính của hệ thống, được kết hợp với các module Input/Output để quản lý tín hiệu từ các cảm biến và điều khiển các thiết bị ngoại vi. Đồ án chi tiết hóa quy trình thiết kế tủ điều khiển, sơ đồ mạch điện, và cấu hình hệ thống Multiple CPU trên phần mềm GX Works 2. Hệ thống này hỗ trợ giao tiếp Ethernet tích hợp, cho phép truyền thông hiệu quả giữa các CPU units và quản lý toàn bộ quy trình điều khiển robot tự động.

3.1. Thiết Kế Và Cấu Hình Hệ Thống PLC

Thiết kế hệ thống PLC điều khiển robot bắt đầu từ sơ đồ mạch điện chi tiết, xác định các đầu vào/ra và kết nối với bộ điều khiển robot. Tủ điều khiển thực tế được lắp ráp với các module QX40 (Input), QY40P (Output), và CPU Q03UDVCPU. Cấu hình hệ thống Multiple CPU cho phép PLC Mitsubishi giao tiếp với Robot CPU Q172DSRCPU thông qua cục bộ IQMEM. Cài đặt Ethernet tích hợp và I/O Assignment được thực hiện trên GX Works 2 để đảm bảo tương thích và hiệu suất cao.

3.2. Chương Trình Điều Khiển Và Sequencer Direct

Chương trình điều khiển robot bằng PLC sử dụng chức năng Sequencer Direct để quản lý các vị trí và trình tự chuyển động. Mô tả công nghệ bao gồm dữ liệu vị trí trong Sequencer Direct, danh sách chi tiết các đầu vào/ra giao tiếp giữa Q03UDVCPU và Q172DSRCPU. Lưu đồ chương trình điều khiển minh họa quy trình hoạt động từng bước, từ nhận tín hiệu đầu vào đến thực hiện lệnh điều khiển robot. Phương pháp này cho phép tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo an toàn trong quá trình hoạt động tự động.

IV. Xử Lý Ảnh Và Tích Hợp Vision Với Robot

Xử lý ảnh kết hợp với PLC là công nghệ tiên tiến cho phép robot nhận diện và xử lý các đối tượng dựa trên hình ảnh camera. Hệ thống camera COGNEX IS5110-01 được tích hợp để cung cấp dữ liệu hình ảnh cho quá trình xử lý. Đồ án sử dụng các thư viện EmguCV và Patagames Tesseract để thực hiện nhận dạng ký tự và xử lý dữ liệu hình ảnh. Quy trình xử lý bao gồm khởi tạo kết nối camera, lưu ảnh đầu vào, xử lý nhị phân, chuyển đổi ảnh sang text, và kết nối visual với PLC. Giao diện điều khiển và giám sát cho phép người toán tử theo dõi quá trình xử lý ảnh và điều khiển hoạt động robot một cách tương tác.

4.1. Quy Trình Xử Lý Ảnh Và Các Thư Viện

Quy trình xử lý ảnh theo các bước chuẩn: khởi tạo camera, lưu ảnh đầu vào, tạo ảnh nhị phân, và chuyển đổi sang text. Thư viện EmguCV cung cấp các công cụ xử lý ảnh mạnh mẽ cho C#, hỗ trợ các phép toán như filtering, edge detection, và feature matching. Thư viện Patagames Tesseract chuyên dụng cho nhận dạng ký tự quang học (OCR), cho phép robot đọc và hiểu thông tin văn bản từ hình ảnh. Kết hợp hai thư viện này tạo nên một hệ thống nhận diện hoàn chỉnh cho ứng dụng công nghiệp.

4.2. Lưu Đồ Thuật Toán Và Giao Diện Điều Khiển

Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh minh họa chi tiết từng bước tính toán: từ khởi tạo camera, lưu ảnh, xử lý nhị phân, đến kết nối với PLC. Giao diện điều khiển và giám sát cung cấp các công cụ để chụp ảnh thực tế, theo dõi kết quả xử lý, và điều khiển robot dựa trên dữ liệu được phân tích. Hệ thống vision robot này cho phép tự động hóa các tác vụ phức tạp như sắp xếp, phân loại, và kiểm tra chất lượng sản phẩm với độ chính xác cao.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1. Tổng quan về hệ Robot RV-2FR-Q. Điều khiển Robot dựa trên Teaching Pendant R33TB − Chương4. Điều khiển Robot dựa trên PLC Misubishi Q03UDVCPU − Chương 5.

Sinh viên thực hiện Ký và ghi rõ họ tên 1 MỤC LỤC. Error! Bookmark not defined. DANH MỤC HÌNH VẼ. TỔNG QUAN VỀ HỆ ROBOT MITSUBISHI RV-2FR-Q .1 Giới thiệu về cánh tay Robot Mitsubishi RV-2FR-Q.

8 Dòng Robot RV-F. 10 Giới hạn hành trình và các khớp nối. 10 Thông số kĩ thuật. 14 Khối lượng tải cho phép .2 Bộ điều khiển CR800-02-VQ.

15 Giới thiệu chung. 15 Thông số kĩ thuật. 15 Các cổng kết nối. 16 Cổng kết nối CNUSR11 .3 Hệ điều khiển PLC của MITSUBISHI.

19 Robot CPU Unit Q172DSRCPU. 20 CPU Unit Q03UDVCPU. 21 Module Input/Output.4 Hệ thống băng tải, cảm biến và camera. 24 Hệ thống băng tải.

24 Hệ thống Camera COGNEX IS5110-01. 24 Hệ thống cảm biến .2 Tổng quan về xử lý ảnh. 27 Quy trình xử lý ảnh. 27 Một số khái niệm trong xử lý ảnh .3 Thư viện EmguCV .4 Thư viện Patagames Tesseract.

30 Giới thiệu về thư viện Paragames Tesseract. 30 2 Các tính năng nổi bật của Patagames Tesseract.5 Bài toán đặt ra trong đồ án .6 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh. 31 Khởi tạo, kết nối với camera. 31 Lưu ảnh đầu vào.

32 Xử lý và lưu ảnh nhị phân. 32 Đưa ảnh sang dạng text. 33 Kết nối visual với PLC .7 Giao diện điều khiển và giám sát chụp ảnh. ĐIỀU KHIỂN ROBOT DỰA TRÊN TEACHING PENDANT R33TB.

Teaching Pendant R33TB và bộ điều khiển CR800-Q. 36 Teaching R33TB và các phím chức năng cơ bản. 36 Kết nối với bộ điều khiển CR800-02-VQ .2 Thực hiện JOG Operation. 39 3-axis XYZ Jog.

40 Trình tự thực hiện JOG Operation .3 Giới thiệu về các kiểu nội suy quỹ đạo chuyển động. 42 Nội suy từng khớp (Joint Interpolation). 42 Nội suy tuyến tính (Linear Interpolation). 42 Nội suy cung tròn (Circular Interpolation) .4 Lập trình điều khiển Robot bằng Teaching Pendant.

44 Tạo chương trình Program trên Teaching R33TB. 44 Teaching điểm cho chương trình. 49 Thực thi lệnh trực tiếp trong chương trình điều khiển. 50 Lựa chọn chương trình chạy tự động.

ĐIỀU KHIỂN ROBOT DỰA TRÊN PLC MITSUBISHI Q03UDVCPU .1 Thiết kế lắp ráp hệ điều khiển PLC. 53 3 Thiết kế sơ đồ mạch điện. 53 Hình ảnh tủ điều khiển thực tế .2 Xây dựng chương trình điều khiển. 57 Mô tả công nghệ.

57 Dữ liệu vị trí trong chức năng Sequencer Direct .3 Danh sách các đầu vào/ra chức năng giao tiếp giữa Q03UDVCPU và Q172DSRCPU .4 Cấu hình hệ thống. 62 Thiết lập cấu hình Multiple CPU trên GX Works 2. 62 Cài đặt cổng Ethernet tích hợp. 63 Cài đặt I/O Assignment.

64 Thiết lập tham số IQMEM. 65 Quy trình hoạt động của chức năng Sequencer Direct .5 Lưu đồ chương trình điều khiển .6 Thử nghiệm và đánh giá .2 Hướng phát triển của đồ án trong tương lai. 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO. 70 4 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1-1 Thông số kỹ thuật một số dòng robot RV-F.

8 Hình 1-2 Minh họa độ gập của Robot dòng này. 8 Hình 1-3 Phạm vi vận hành của trục J4 được mở rộng. 9 Hình 1-4 Phạm vi vận hành trục đứng được mở rộng. 9 Hình 1-5 Hình minh họa Robot RV-4FR.

13 Hình 1-12 Cơ cấu tác động cuối. 15 Hình 1-13 Bộ điều khiển CR800-02-VQ. 15 Hình 1-14 Mặt trước và mặt sau của bộ điều khiển CR800-02-VQ. 16 Hình 1-15 Vị trí đầu kết nối CNUSR11.

18 Hình 1-16 Vị trí chân kết nối. 18 Hình 1-17 Sơ đồ minh họa kết nối các chân CNUSR11. 19 Hình 1-18 Bộ PLC Q sử dụng trong phạm vi đồ án. 19 Hình 1-19 CPU robot Q172DSRCPU.

21 Hình 1-21 Module QX40. 22 Hình 1-22 Sơ đồ nối dây Module QX40. 22 Hình 1-23 Module QY40P. 23 Hình 1-24 Sơ đồ nối dây Module QY40P.

23 Hình 1-25 Module High-speed Counter QD62. 24 Hình 1-26 Mô hình băng tải. 24 Hình 1-27 Camera COGNEX IS5110-01. 25 Hình 1-28 FS-V31 Amplifier.

26 Hình 1-29 Sơ đồ nối dây của cảm biến quang. 26 Hình 2-1 Quy trình xử lý ảnh. 27 Hình 2-2 Biểu tượng của EmguCV. 29 Hình 2-3 Lưu đồ thuật toán xử lý ảnh.

31 Hình 2-4 Ảnh sau khi được chụp. 32 Hình 2-5 Ảnh sau khi nhị phân. 33 Hình 2-6 Kết quả dạng Text. 33 Hình 2-7 Setup trên MX component.

34 5 Hình 2-8 Giao diện vận hành và giám sát hệ thống Camera. 35 Hình 3-1 Teaching Box R33TB. 36 Hình 3-2 Kết nối T/B với bộ điều khiển. 37 Hình 3-3 JOINT Jog.

38 Hình 3-4 XYZ Jog. 38 Hình 3-5 Tool Jog. 39 Hình 3-6 3-axis XYZ Jog. 39 Hình 3-7 Cylinder Jog.

40 Hình 3-8 Work Jog. 40 Hình 3-9 Switch [ENABLE] của Teaching Pendant. 41 Hình 3-10 JOG mode trên Teaching Pendant. 41 Hình 3-11 Tăng/ giảm tốc độ.

42 Hình 3-12 Minh họa chuyển động nội suy khớp. 42 Hình 3-13 Minh họa chuyển động nội suy tuyến tính. 43 Hình 3-14 Minh họa chuyển động nội suy cung tròn. 44 Hình 3-15 Yêu cầu vận hành.

44 Hình 3-16 Đường biên dạng chuyển động. 45 Hình 3-17 Các biến tương ứng với từng vị trí. 45 Hình 3-18 Cửa sổ File/Edit. 47 Hình 3-19 Cửa sổ Program Name.

48 Hình 3-20 Chương trình 1. 48 Hình 3-21 Màn hình soạn thảo. 48 Hình 3-22 Lệnh Mov. 48 Hình 3-23 Nhập data P1.

48 Hình 3-24 Xác định câu lệnh Mov P1. 49 Hình 3-25 Chương trình sau khi hoàn chỉnh. 49 Hình 3-26 Teaching điểm P5. 49 Hình 3-27 Hoàn thành Teaching điểm P5.

49 Hình 3-28 Tọa độ của điểm P5. 50 Hình 3-29 Ví dụ tọa độ của điểm P3 trong chương trình. 50 Hình 3-30 Thực thi lệnh Mov P2. 50 Hình 3-31 Nút [ENABLE] của Teaching Pendant.

50 Hình 3-32 Cửa số RUN trong mục MENU. 51 Hình 3-33 Cửa sổ OPERATION trong mục RUN. 51 Hình 3-34 Cửa số PROGRAM CHOICE. 51 Hình 3-35 Cửa sổ OPERATION của chương trình PRG2.

51 Hình 3-36 Cửa sổ OPERATION của chương trình PRG2. 51 6 Hình 3-37 Cửa sổ STARTING PROGRAM. 52 Hình 3-38 Chương trình chạy tự động được thực thi. 52 Hình 3-39 Chuyển chế độ hoạt động.

52 Hình 4-1 Sơ đồ nguồn của hệ thống Robot. 53 Hình 4-2 Sơ đồ đấu dây của CR800-02-VQ. 54 Hình 4-3 Sơ đồ đấu nối đầu vào QX40. 54 Hình 4-4 Sơ đồ đấu nối đầu ra QY40P.

55 Hình 4-5 Sơ đồ đấu dây cơ cấu chấp hành và cảm biến. 55 Hình 4-6 Sơ đồ đấu dây cho các đèn báo. 56 Hình 4-7 Bảng điện khi vận hành. 56 Hình 4-8 Hệ thống nút nhấn và đèn báo.

57 Hình 4-9 Robot sau khi lắp đặt hoàn thiện. 57 Hình 4-10 Minh họa chức năng Sequencer Direct. 58 Hình 4-11 Minh họa chức năng Sequencer Direct. 59 Hình 4-12 Thiết lập Multiple CPU trên GX Works2.

63 Hình 4-13 Thiết lập IP robot. 64 Hình 4-14 Thiết lập cấu hình CPU. 64 Hình 4-15 Thông số IQMEM trên CR800-02-VQ. 65 Hình 4-16 Parameter trên Teaching Pendant R33TB.

65 Hình 4-17 Thông số IQMEM trên CR800. 65 Hình 4-18 Dữ liệu của thông số IQMEM khi cài đặt. 66 Hình 4-19 Quy trình hoạt động. 66 Hình 4-20 Lưu đồ chương trình.

67 Hình 4-21 Kết quả nhận diện chữ U. 68 Hình 4-22 Robot gắp vật theo kết quả trả về. TỔNG QUAN VỀ HỆ ROBOT MITSUBISHI RV-2FR-Q 1.1 Giới thiệu về cánh tay Robot Mitsubishi RV-2FR-Q Dòng Robot RV-F Robot ghép nối 6 trục nhỏ gọn với chiều dài cánh tay tối ưu và phạm vi chuyển động phù hợp với các nhiệm vụ lắp ráp và xử lý phức tạp. Phần thân nhỏ gọn và thiết kế cánh tay mỏng, cho phép mở rộng khu vực vận hành và tăng cường công suất tải.

Cách bố trí cho thấy khả năng linh hoạt cho các ứng dụng từ vận chuyển các bộ phận cơ khí để lắp ráp các bộ phận điện Thông số kĩ thuật về các dòng RV-F Hình 1-1 Thông số kỹ thuật một số dòng robot RV-F Loại này sử dụng cánh tay có thể gập được, sẽ giúp làm mỏng thiết bị, cho phép hoàn thành các hoạt động gần robot hơn bao giờ hết. Hình 1-2 Minh họa độ gập của Robot dòng này Phạm vi vận hành của trục J4 cũng được mở rộng để thay đổi các tư thế liên tục trong quá trình lắp ráp và vận chuyển. Điều này cũng giúp loại bỏ việc cần thiết cho các robot di chuyển theo hướng ngược lại trong quá trình vận hành. 8 Hình 1-3 Phạm vi vận hành của trục J4 được mở rộng Mở rộng phạm vi vận hành trục đứng giúp cải thiện tính linh hoạt khi bố trí lắp đặt Robot, cho phép sử dụng hiệu quả hơn các không gian tiếp cận xung quanh toàn bộ chu vi bao gồm cả phía sau nhờ đó mà khoảng cách di chuyển sẽ ngắn hơn, rút ngắn thời gian nghỉ của máy.

Hình 1-4 Phạm vi vận hành trục đứng được mở rộng 9 Hình 1-5 Hình minh họa Robot RV-4FR Series Robot Trong đó: (a) Chỉ dòng Robot RV-2FR (b) Chỉ dòng Robot dòng L (Long Arm Type) (Nếu bỏ trống thì là dòng tiêu chuẩn-Standard Type) (c) Số lượng phanh hãm sẵn có ▲: Tất cả các khớp nối đều có phanh điện từ Trống: Chỉ có các khớp J2, J3, J5 có phanh điện từ (d) ⚫: Chỉ Series của bộ điều khiển D: Standalone Type R: Đi kèm bộ điều khiển MELSEC iQ-R CPU (R16RTCPU) Q: Đi kèm bộ điều khiển MELSEC Q-CPU (Q172DSRCPU) (e) Sxx: Chỉ Model đặc biệt Giới hạn hành trình và các khớp nối a) Khớp 1 (Joint 1 – J1) 10 Hình 1-6 Khớp J1 Giới hạn hành trình từ: +/-240 độ Bán kính vùng làm việc tối đa: 504.