Đặt vấn đề Gan đây, trên thé giới tay máy robot dang được ứng dụng rộng rãi và phô biến trong các ngành nghề với số lượng tăng đáng kể như robot hàn, robot sơn xe hoi, robot trong các dây chuyền lắp ráp, robot xếp dỡ hang. Tại Việt Nam, robot cũng dang dần được các doanh nghiệp trong nước quan tâm và ứng dụng trong thực tế sản xuất chăng hạn như dây chuyền sơn xe hơi trong nhà may 6 tô Vinfast. Tuy nhiên, do chi phí đầu tư ban đầu cho robot hiện vẫn còn khá cao nên phần lớn các doanh nghiệp quy mô vừa trở lên mới có đủ khả năng đầu tư, sở hữu. Lĩnh vực lắp ráp các mạch điện tử cần rất nhiều nhân công và thời gian, cùng với yêu cầu về tính kiên trì của người công nhân lắp ráp.
Khi đó chỉ phí sản xuất cũng tăng đáng ké dẫn đến làm tăng chi phí sản phẩm. Một giải pháp thay thé cho các doanh nghiệp hoạt động trong lĩnh vực sản xuất các board mạch là cần phải có tự động hóa các công đoạn lắp ráp nhằm giảm chỉ phí lao động, tăng năng suất, độ chính xác và tối ưu thời gian sản suất, giảm thiêu sản phẩm lỗi. Trong các dây chuyền tự động lắp ráp linh kiện điện tử này, robot đóng vai trò rất quan trọng vì khả năng lập trình cho robot theo các thiết kế board cu thé thay vì tự động hóa cứng. Phần lớn các tay máy robot đa dụng được gắn thêm các dụng cụ đặc biệt và lập trình lại theo yêu cầu của công việc lắp ráp board mach, do đó làm hạn chế hiệu suất của robot.
Ngành công nghiệp sản xuất board mạch cần có các robot được chế tạo sao cho phù hợp và phát huy được hiệu quả của robot trong tự động hóa công đoạn lắp mạch. Trong khóa luận này, tác giả tập trung vào tính toán, lắp rap và điều khiển tay máy robot chuyên cho phục vụ công đoạn lắp ráp trong dây chuyền tự động lắp mạch điện tử. Mục tiêu đề tài Tính toán, lắp lap và điều khiển chuyền động tay máy robot lắp ráp linh kiện điện tử trong khâu sản xuất lắp ráp mạch. Tay máy được chế tạo với chi phí thấp mà vẫn đảm bảo độ chính xác và khả năng vận hành trong hệ thống lắp ráp, từ đó tăng được khả năng áp dụng rộng rãi trong các dây chuyên tự động và làm chủ công nghệ tại Vệt Nam.
Sơ đồ khối mô tả các thành phan và chức năng của chúng trong hệ thống như Hình 1. Hoạt động của robot và hệ thống được điều khiển bằng hệ thống mạch điện, vi điều khiển và chương trình điều khiển được lắp đặt trong tủ (4). (1) Tay may robot (4) Tủ điều khién, may tính nhúng (3) Board găn linh (2) Khay kiện điện linh kiện tử Hình 1. Sơ đô bố trí cụm robot lắp mạch Giới hạn đề tài - Đề tài thực hiện robot có vùng hoạt động nhỏ, sử dụng động cơ bước và mạch điện tử đơn giản (dưới 30 linh kiện/mạch; linh kiện điện tử cắm).
- Độ chính xác lặp lại của tay máy robot: +/- 0.5 mm - Phương pháp lập trình: lập trình vi điều khiển dé điều khiển chuyền động của robot. - Robot ứng dụng trong công việc lắp ráp linh kiện cho mạch 01 lớp. Công đoạn hàn linh kiện do máy hàn khác hoặc robot khác thực hiện. Phân tích và lựa chọn bộ điều khiển Đề điều khiển robot có thé sử dụng một trong các phương pháp sử dụng thiết bị gồm: máy tính, bộ điều khiển PLC, mach vi điều khiển, mạch điện thuần túy sử dụng relay và các khí cụ điện khác.
Phần sau đây sẽ trình bày cụ thê từng phương pháp, sử dụng điều khiển và so sánh ưu, nhược điểm đề chọn ra thiết bị điều khiển phù hợp. Phương pháp điều khiến sử dung máy tính Phương pháp này sử dụng (lắp đặt) thêm một hoặc vài card mở rộng để giao tiếp tiếp và truyền dữ liệu giữa máy tính và đối tượng được điều khiến. Thuật toán điều khiển được viết dưới dạng chương trình phần mềm. Sau khi tính toán máy tính xuất dữ liệu xuống cơ cấu chấp hành ở phía dưới.
Máy tính thu thập sô liệu từ cảm biên có hệ thông cân điêu khiên. Uu điểm của phương pháp: - Tinh toán nhanh nhờ sự phát triển công nghệ của các hãng sản xuất chip tính toán, chip bộ nhớ. - Dé lập trình. - May tính công nghiệp hoạt động ôn định.
- Thay đổi chương trình dé dàng, có thé xử lý và lập trình các thuật toán khó, phúc tạp. - Kích thước gọn, nhẹ Khuyết điểm: - Gia thành máy tính cao. - Bao trì thường xuyên. - Card mở rộng giá thành cao.
- Chi phù hợp với một số hệ thống 2. Phương pháp điều khiến sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Thiét bị điêu khiên PLC két nôi dau vào là các cảm biên, nút nhân. Két nôi dau ra với thành phan của hệ thống đối tượng cần điều khiến là relay, khởi động từ, đèn Ngoài ra, đề thực hiện chức năng khác như: đọc tín hiệu tương tự từ cảm biến hoặc xuất tín hiệu tương tự cần thêm mođun mở rộng. Các mođun gồm: đọc/xuất xung tốc độ cao, modun đọc/xuất giá trị điện áp tương tự.
Chương trình điều khiển hệ thống được lập trình trên máy tính và nạp vào PLC dé hệ thống tự vận hành. Ưu điểm của phương pháp: - Ôn định, độ tin cậy cao, chống nhiều tốt, chống bụi tốt. - Dễ lắp đặt, kích thước nhỏ, dễ lập trình và thay đổi chương trình. - Điều khiển đa dạng, linh hoạt.
- Có thé mở rộng I/O, lượng I/O lớn, tốc độ hoạt động nhanh. - Có thé mở rộng thành hệ thống điều khién có giám sát, nỗi mạng giữa PLC-PLC, PLC-PC, giám sát hệ thông. Nhược điểm - Giá thành cao - Phù hợp với điều khiển on/off - Hệ thống phức tạp, đòi hỏi phải có chuyên gia của hãng. Phương pháp điều khiến sử dụng mach vi điều khiến.
Cấu trúc của hệ thống điều khiển sử dụng mạch vi điều khién: - Đầu vào (input): Két néi cam bién - Đầu ra (output): Kết nối mạch công suất thông qua mạch cách ly dé bảo vệ chip vi điều khién. - Chương trình viết trên máy tính bằng ngôn ngữ C/assembly, dịch ra ngôn ngữ máy và cuối cùng nạp vào chip vi điều khiển. Uu điểm cua vi điều khiên - Giá thành thấp - Kích thước nhỏ gọn Khuyết điểm - Chống nhiễu không tốt - Lập trình ngôn ngữ assembly phức tạp - Chất lượng hoạt động không ôn định. Phương pháp điều khiển bằng sử dụng mạch điện, khí cụ điện Uu điểm: - Dễ đấu nối - Đơn giản dé bảo trì - Giá thành thấp - Điều khiển dé dàng Khuyết điểm: - Không điều khién được hệ thong phức tạp - Chỉ điều khiển on/off - Chất lượng điều khiên không cao Qua phân tích, so sánh ưu, nhược điềm của các phương pháp điều khién trên cùng với đặc điểm của hệ thống được thiết kế, nhóm tiến hành chọn bộ điều khiển sử dụng vi điều khién với các đặc trưng: vi điều khiển là một máy tính nhỏ, trong đó các thành phần như CPU, bộ nhớ (RAM, ROM), I/O, thiết bị ngoại vi, timers, counters, được nhúng vào trong một mạch tích hợp (IC) nơi mà bộ vi xử lý và tất cả các khối này được tích hợp vào trong một board thông qua hệ thống bus.
Vi điều khiển có thé dễ dàng giao tiếp với thiết bị ngoại vi bên ngoài như ADC, DAC, công nối tiếp, ADC, DAC, Bluetooth, Wi-Fi. Lap trình điều khiển: vi điều khién ESP32 và framework ESP-IDF 2. Vi điều khiển ESP32 ESP32 là một vi điều khiển có chi phí và tiêu thụ điện năng thấp, hỗ trợ kết nối WiFi cùng với Bluetooth chế độ kép. Nó bao gồm bộ vi xử lý Tensilica Xtensa LX6 có sẵn trên cả hai biến thé lõi đơn và lõi kép.
ESP32 tích hợp sẵn các thành phần như bộ khuếch đại công suất, bộ khuếch đại thu nhiễu thấp, ăng-ten tích hợp, RF balun, bộ lọc và module quản lý năng lượng. Espressif System được sản xuất và phát triển bởi một công ty có trụ sở tại Thượng Hải, Trung Quốc. Vi điều khiển này được chế tạo bằng công nghệ 40 nm bởi TSMC và là một phiên bản nâng cấp của ESP8266. Core and memory 2 (or 1) x Xtensa® 32- | bit LX6 Microprocessors SHA RSA ROM SHAM AES | | RNG Hình 2.
Kiến trúc vi điều khiển ESP32 Cấu hình của ESP32: CPU e Vi xử lý Xtensa Dual-Core. e Kiến trúc 32 bit. e Tốc độ xử lý 160 MHZ, lên đến 240 MHz se Tốc độ xung nhịp đọc flash chip 40 - 80MHz (tùy chỉnh khi lập trình) e RAM: 520 KByte SRAM liền chip (trong đó có 8 KB RAM RTC tốc độ cao, 8 KB RAM RTC tốc độ thấp (dùng trong chế độ DeepSleep)). Hỗ trợ 2 chuẩn giao tiếp không dây e Wi-Fi: 802.2 BR/EDR, BLE Hồ trợ tat cả các loại giao tiép e2 công DACs (digital to analog) 8-bit e 16 công analog (ADC) 12-bit e SD card /SDIO/MMC host e Slave (SDIO/SPI) e Ethernet MAC interface with dedicated DMA and IEEE 1588 support e CAN bus 2.0 e IR (TX/RX) e Bam xung PWM (tat cả các chân) e Ultra low power analog pre-amplifier e 2c6ng PC e 3côngUART e3 công SPI (1 công cho chip FLASH) e 2 céng PS Cảm biến tích hợp trên chip esp32 e 1 cảm biến đo nhiệt độ e _1 cảm biến Hall (cảm biến từ trường) e_ Cảm biến chạm (điện dung) với 10 đầu vào khác nhau.
Bảo mật e Tất cả các tính năng bảo mật theo tiêu chuẩn IEEE 802.11 đều được hỗ trợ, bao gồm WFA, WPA/WPA2 va WAPI. e Tich hợp mã hoá flash e 1024-bit OTP, lên đến 768-bit cho client. e Hỗ trợ các chuẩn mã hoá: SHA-2, AES, RSA, random number generator (RNG), elliptic curve cryptography (ECC) Nhiệt độ hoạt động: -40 đến +85°C Điện áp hoạt động: 2.6V Số cổng GPIO: 34 20 Bch AOR ~ GPIO 23 GPIO36 ~ : HO ~ GPIO22 GPIO 39 ~ ĐÀ ~. GPIO1 GPIO 34 ~| Äj~ GPIO3 GPIO 35 ~ [9Ä ~ GPIO21 GPIO 32 ~ GPIO33 ~ ~ GPIO 19 GPIO25 ~ ~ GPIO 18 GPIO26 ~ ~ GPIO5 GPIO27 ~ ~ GPIO17 GPIO 14 ~ ~ GPIO16 GPIO12 ~ ~ GPIO4 GND ~ GPIOO GPIO 13 ~| ~ GPIO2 GPIo9_ ~| ~ GPIO 15 GPIO 10 ~| ~ GPIO8 GPIO 11 ~| ~ GPIO7 ~ GPIO 6 Hình 2.
Framework ESP-IDF ESP-IDF (Espressif loT Development Framework) là một framework phát triển phan mềm mã nguồn mở chính thức cho các vi điều khién ESP32 và ESP8266 của Espressif Systems (công ty chủ quản của dòng vi điều khiển ESP). ESP-IDF cung cấp các công cụ và thư viện cần thiết dé xây dựng các ứng dụng IoT (Internet of Things).