Đặt vấn đề 60 năm trước động cơ servo đã cách mạng hóa ngành công nghiệp điều khiển chuyển động. Từ đó đến nay, ngành công nghiệp servo đã phát triển không ngừng và hầu như góp mặt trong mọi hệ thống điều khiển tự động trên thế giới. Khoa học kỹ thuật phát triển không ngừng kéo theo yêu cầu về độ chính xác, khả năng đáp ứng của các máy móc ngày càng phải nhanh và mạnh hơn, để đáp ứng được yêu cầu khắt khe đó các hệ thống tự động hóa ngày nay hầu như đều sử dụng servo trong những quá trình tự động cụ thể như cánh tay robot, máy CNC, cần trục và các cơ cấu vít me, bàn xoay, linear, … Hệ thống servo được sử dụng rất nhiều tại các nước phát triển trên thế giới, cụ thể như ứng dụng servo trong hệ thống cắt thép Flying shear, hệ thống Rotary knife hay trong tất cả các robot lắp ráp tự động trong đa lĩnh vực y tế, lắp ráp chế tạo ô tô, hàng không, quân sự, … Trong nước, hệ thống Flying shear hay Rotary knife đã và đang được sử dụng rất nhiều trong các nhà máy công nghiệp sản xuất thép tấm, in, khắc trên các vật liệu hay công nghiệp thực phẩm như đóng gói bao bì, chiết rót nước, … Tuy nhiên, có rất ít các nhà máy, xí nghiệp sử dụng động cơ servo trong hệ thống mà chủ yếu là dùng các hệ thống liên kết bằng cơ khí để thực hiện các điều khiển đồng bộ trên hay phải tốn rất nhiều thời gian để tạo ra sản phẩm do không có sự đồng bộ. Tính cấp thiết Sau gần hai thập kỷ của thế kỷ 21, công nghệ kỹ thuật phát triển một cách chóng mặt giúp cho con người rất nhiều trong công việc sản xuất đến các nhu cầu giải trí hằng ngày.
Càng phát triển, con người càng khó tính hơn, các yêu cầu về mọi mặt đều khắt khe hơn nhưng cũng nhờ vậy mà khoa học kỹ thuật mới có thể tiến xa được như ngày hôm nay. Hiện nay, cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 đã bùng nổ tại nhiều quốc gia mà Việt Nam là một trong số các quốc gia đó. Vì lẽ đó việc nắm bắt kịp thời các công nghệ trên thế giới là điều tất yếu đối với mỗi cá nhân trong lĩnh vực kỹ thuật. Các hệ thống, máy móc hiện đại ra đời thay thế dần cho các máy móc của thập kỷ, thế kỷ trước vừa đáp ứng được nhu cầu con người đặt ra vừa cải thiện được hiệu suất, độ chính xác, kích thước 1 do an ngày càng nhỏ gọn và hơn thế nữa có tính kinh tế, ứng dụng cực kỳ cao.
Cụ thể, một trong số đó chính là việc thay thế các hệ thống cơ khí đồ sộ trong điều khiển đồng bộ bằng việc sử dụng các loại động cơ chuyên dụng trong những yêu cầu cụ thể. Vì thế, động cơ servo đã và đang được sử dụng rộng rãi trong thập kỷ gần đây như một trong những giải pháp thông minh đáp ứng được cao yêu cầu đã nêu trên. Từ các lí do đó có thể thấy được tính cấp thiết trong việc nắm bắt và điều khiển servo cũng như các hệ thống và ứng dụng quan trọng thế nào trong cuối thập kỷ này. Trong những năm gần đây, hệ thống cơ khí ảo hay sử dụng cam data trong việc điều khiển servo nhờ việc sử dụng những dòng servo giao tiếp mạng đã và đang đi đầu trong việc điều khiển động bộ.
Hơn thế nữa các hãng sản xuất thiết bị tự động hóa trên thế giới như Mitsubishi, Omron, Seimens, … đã cập nhật, cải tiến không ngừng những công nghệ này trong các dòng servo cũng như bộ điều khiển cho thấy được tầm quan trọng của hệ thống đồng bộ trong tự động hóa ngày này. Lý do chọn đề tài Qua việc tìm hiểu từ những chuyến đi thực tế nhà máy sản xuất thép tấm posco, những hệ thống đóng gói bao bì, hệ thống chiết rót, robot tốc độ cao đã giúp chúng em biết đến hệ thống Flying shear cũng như thấy được những điểm mới lạ trong điều khiển tự động. Từ những ngày còn học trên ghế nhà trường, chúng em đã tìm hiểu về những hệ thống này nhưng đều chưa có phương pháp giải quyết. Được thầy Lê Hoàng Lâm giới thiệu về hệ thống mạng Servo và bộ điều khiển chuyển động motion CPU, chúng em đã quyết định thực hiện mô hình Flying shear bằng việc sử dụng motion CPU để điều khiển chuyển động đồng thời 5 động cơ servo dòng MR-J3-B của Mitsubishi giao tiếp qua mạng SSCNET III.
Một vài mô tả tổng quan hơn về hệ thống Flying shear : ✓ Flying shear là một trong những ứng dụng phổ biến trong công nghiệp ✓ Phạm vi ứng dụng cực kì lớn trong việc cắt kim loại, chiết rót nước hay định hình nguyên liệu vào khuôn, … ✓ Điểm đặc biệt của mô hình Flying shear chính là khả năng thực hiện các thao tác cắt, rót, gắp, … mà không cần dừng nguyên liệu ✓ Cơ cấu Flying shear tự tăng tốc cho đến khi đạt được tốc độ bằng với trục cấp liệu tại vị trí mong muốn, khi đã đạt sự đồng bộ việc xử lí vật liệu sẽ được thực hiện 2 do an Hình 1. 1 Mô hình mô tả hệ thống Flying shear Hình 1. 2 Hệ thống Flying shear trong thực thế 3 do an 1. Nội dung nghiên cứu Nội dung nghiên cứu được đưa ra khi xác định được các đối tượng, chủ đề, giới hạn nghiên cứu để tiến hành định hướng, dẫn dắt cho việc thực hiện đề tài.
Mục tiêu và nội dung cụ thể của đề tài : ✓ Tìm hiểu cơ chế hoạt động của hệ thống Flying shear ✓ Tìm hiểu giải pháp thực hiện hệ thống ✓ Nghiên cứu và điều khiển phối hợp nhiều động cơ servo ✓ Tìm hiểu về các thiết bị cần thiết và phù hợp, đáp ứng được yêu cầu hệ thống ✓ Thiết kế phần cơ khí cho hệ thống ✓ Thiết kế phần điện điều khiển cho hệ thống ✓ Lập trình các chương trình điều khiển trên motion CPU bằng phần mềm MT Developer 2 ✓ Lập trình các chương trình điều khiển trên CPU dòng Q-series bằng phần mềm GX Works 2 ✓ Thiết kế và lập trình giao diện cho màn hình HMI GOT1000 bằng phần mềm GT Designer 3 ✓ Vận hành và chỉnh sửa cũng như điều chỉnh các thông số, chương trình cho phù hợp với hệ thống 1. Phương pháp nghiên cứu Để thực hiện đề tài, nhóm đã tham quan nhà máy posco, tham khảo các hệ thống cắt, đóng gói bao bì trong thực tế, tham khảo nhiều mô hình trên mạng internet hay các cuộc triển lãm của các hãng sản xuất servo. Dựa trên mục tiêu ban đầu, một số chi tiết, hệ thống có sẵn của các khóa trước và quan trọng hơn hết là sự góp ý nhiệt tình từ giáo viên hướng dẫn nhóm đã tự đưa ra cho mình hướng đi cũng như cách thức thực hiện đề tài. Tiến trình thực hiện đề tài : ✓ Tham khảo thực tế và hướng dẫn của giáo viên để đưa ra nhiều ý tưởng ✓ Nghiên cứu về servo và điều khiển chuyển động ✓ Tìm hiểu về các chi tiết cơ khí ✓ Thiết kế bản vẽ và gia công phần cơ khí và điện ✓ Lắp ráp hệ thống 4 do an ✓ Lập trình hệ thống ✓ Tinh chỉnh hệ thống để đạt được mong muốn ✓ Chạy thử và thu kết quả ✓ Kết luận và rút ra thiếu sót cũng như hướng phát triển tương lai 1.
Đối tượng nghiên cứu Các đối tượng cơ khí : ✓ Cơ cấu vít me ✓ Cơ cấu băng tải – con lăn ✓ Cơ cấu hộp giảm tốc ✓ Cơ cấu tay gắp sử dụng khí nén ✓ Các chi tiết lắp ráp như mặt bích, khối đế, các lỗ chốt định vị,… Các đối tượng điện điều khiển : ✓ Bộ điều khiển PLC dòng Q-series của Mitsubishi ✓ Bộ điều khiển motion CPU Q172DS ✓ Module ngõ vào/ra QX42 và QY42P ✓ Màn hình HMI GOT1000 ✓ Động cơ servo MR-J3-B kết nối qua mạng SSCNETIII ✓ Cảm biến laser tốc độ cao LV-H37 và bộ khuếch đại và LV-21A ✓ Bộ phát xung Manual Pulse Generator ✓ Cổng nhận PLS và High speed mark detection I/F tích hợp trên Q172DS 5 do an Chương II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu về servo - Động cơ servo nói chung là loại động cơ sử dụng khả năng hồi tiếp tín hiệu từ encoder về driver điều khiển để điều chỉnh tốc độ, moment, vị trí của động cơ hay các kết cấu cơ khí đi kèm đạt được như mong muốn. Khi có vật cản hoặc những tác động làm hãm trục động cơ, hệ thống hồi tiếp sẽ giúp động cơ tự điều chỉnh cho lực moment, tốc độ, hay quán tính cho phù hợp với tải đang mang. Ngoài ra động cơ servo luôn có xu hướng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, chính vì thế khi có một ngoại vi tác động làm thay đổi vị trí của động cơ hay kết cấu cơ khí liên kết với trục động cơ thì servo sẽ tự trở về vị trí trước khi bị sai lệch.
Phân loại động cơ servo - Động cơ servo có 2 loại : AC servo và DC servo - Đối với DC servo, nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều. DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việc thay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì. DC servo thường có thế mạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cách cực kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp. Moment xoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điều khiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động.
Vì những lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo. - Đối với AC servo, có cấu tạo gần khá giống với brushless motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cần thiết hơn so với DC servo. Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác. Sự liên kết và phản hồi được sử dụng trong các động cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bô điều khiển hay bộ khuếch đại.
Quán tính trên roto rất thấp so với DC servo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần số và các pha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trí mong muốn. Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000 vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng.