Đồ Án HCMUTE: Mô Hình Flying Shear Điều Khiển Đồng Bộ Với Mạng SSCNET III

Đồ án nghiên cứu hcmute mô hình flying shear điều khiển đồng bộ sử dụng mạng sscnet iii, thiết kế chi tiết, tính toán kỹ thuật theo tiêu chuẩn, đánh giá tính khả thi dự án.

• Tác giả: Trần Thanh Tùng
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Hoàng Lâm
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công Nghệ Kỹ Thuật Điện – Điện Tử
• Đề tài: Mô Hình Flying Shear – Điều Khiển Đồng Bộ Sử Dụng Mạng SSCNET III
• Loại tài liệu: đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2018
• Địa điểm: Tp. Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
• PHIẾU NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
• LỜI CẢM ƠN
• DANH MỤC BẢNG BIỂU
• DANH MỤC HÌNH ẢNH, BIỂU ĐỒ
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Đặt vấn đề
• 1.2. Tính cấp thiết
• 1.3. Lý do chọn đề tài
• 1.4. Nội dung nghiên cứu
• 1.5. Phương pháp nghiên cứu
• 1.6. Đối tượng nghiên cứu
• 2. CHƯƠNG II: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu về servo
• 2.2. Phân loại động cơ servo
• 2.3. Ứng dụng của động cơ servo
• 2.4. Khái niệm về Encoder
• 2.5. Phân loại Encoder
• 3. CHƯƠNG III: THIẾT KẾ VÀ GIỚI THIỆU MÔ HÌNH
• 3.1. Thiết kế phần cơ khí
• 3.2. Mặt bích đỡ trục xoay
• 3.3. Đế tổng để gắn phần cơ khí
• 3.4. Dựng mô hình 3D
• 3.5. Thiết kế mạch điều khiển
• 3.5.1. Mạch động lực
• 3.5.2. Mạch kết nối servo
• 3.5.3. Mạch điều khiển
• 3.6. Thiết bị sử dụng
• 3.7. Giới thiệu mô hình đã hoàn thành
• 3.8. Hệ thống phần cơ khí
• 3.9. Hệ thống phần điện
• 3.10. Màn hình HMI
• 4. CHƯƠNG IV: BÀI TOÁN FLYING SHEAR VÀ PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN
• 4.1. Bài toán Flying shear
• 4.2. Hệ thống Flying shear trong thực tế
• 4.3. Giải pháp thực hiện bài toán Flying shear
• 4.4. Phương pháp thực hiện
• 4.5. Các thiết lập cho motion CPU và servo parameter trên phần mềm MT Developer2
• 4.6. Chương trình motion SFC chính
• 5. VẬN HÀNH HỆ THỐNG, ĐƯA KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG ĐI TƯƠNG LAI
• 5.1. Vận hành hệ thống
• 5.2. Hướng phát triển đề tài
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về mô hình Flying Shear

Mô hình Flying Shear là một trong những ứng dụng quan trọng trong ngành công nghiệp, đặc biệt trong lĩnh vực cắt kim loại và chế biến vật liệu. Hệ thống này cho phép thực hiện các thao tác cắt mà không cần dừng nguyên liệu, giúp tăng hiệu suất sản xuất. Flying Shear hoạt động bằng cách đồng bộ hóa tốc độ của trục cấp liệu với tốc độ cắt, đảm bảo rằng quá trình cắt diễn ra liên tục và hiệu quả. Việc sử dụng Mạng SSCNET III trong điều khiển đồng bộ giúp cải thiện độ chính xác và tốc độ phản hồi của hệ thống. Điều này đặc biệt quan trọng trong các ứng dụng công nghiệp hiện đại, nơi yêu cầu về độ chính xác và tốc độ ngày càng cao.

1.1. Nguyên lý hoạt động của hệ thống Flying Shear

Nguyên lý hoạt động của hệ thống Flying Shear dựa trên việc sử dụng động cơ servo để điều khiển các cơ cấu cắt. Động cơ servo cung cấp khả năng điều chỉnh chính xác vị trí và tốc độ, cho phép hệ thống thực hiện các thao tác cắt một cách linh hoạt. Hệ thống sử dụng cảm biến để theo dõi vị trí của vật liệu và điều chỉnh tốc độ cắt cho phù hợp. Việc này không chỉ giúp tăng hiệu suất mà còn giảm thiểu lãng phí nguyên liệu. Hệ thống điều khiển đồng bộ đảm bảo rằng tất cả các động cơ hoạt động cùng một lúc, tạo ra sự đồng nhất trong quá trình sản xuất.

II. Thiết kế và lập trình hệ thống điều khiển

Thiết kế hệ thống điều khiển cho mô hình Flying Shear bao gồm việc lựa chọn các thiết bị phù hợp và lập trình các chương trình điều khiển. Sử dụng motion CPU Q172DS của Mitsubishi, hệ thống có khả năng điều khiển đồng thời nhiều động cơ servo thông qua Mạng SSCNET III. Việc lập trình được thực hiện bằng phần mềm MT Developer 2, cho phép người dùng thiết lập các thông số và điều chỉnh các tham số hoạt động của động cơ. Hệ thống cũng được trang bị màn hình HMI GOT1000 để người dùng có thể theo dõi và điều khiển quá trình hoạt động một cách trực quan.

2.1. Lập trình điều khiển cho động cơ servo

Lập trình điều khiển cho động cơ servo là một phần quan trọng trong việc phát triển mô hình Flying Shear. Các chương trình điều khiển được viết bằng ngôn ngữ lập trình SFC (Sequential Function Chart), cho phép thiết lập các quy trình hoạt động một cách tuần tự và logic. Việc này giúp đảm bảo rằng các động cơ hoạt động đồng bộ và chính xác. Các thông số như tốc độ, vị trí và thời gian phản hồi được điều chỉnh để phù hợp với yêu cầu của quá trình sản xuất. Sự linh hoạt trong lập trình cũng cho phép người dùng dễ dàng thay đổi các tham số để tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống.

III. Ứng dụng và giá trị thực tiễn của mô hình

Mô hình Flying Shear không chỉ có giá trị trong việc cải thiện hiệu suất sản xuất mà còn mở ra nhiều cơ hội ứng dụng trong các lĩnh vực khác nhau. Trong ngành công nghiệp chế biến kim loại, hệ thống này giúp giảm thiểu thời gian dừng máy và tăng năng suất. Ngoài ra, việc sử dụng công nghệ tự động hóa trong mô hình cũng góp phần vào cuộc cách mạng công nghiệp 4.0, nơi mà các hệ thống sản xuất thông minh ngày càng trở nên phổ biến. Hệ thống điều khiển đồng bộ giúp nâng cao độ chính xác và giảm thiểu sai sót trong quá trình sản xuất, từ đó tạo ra sản phẩm chất lượng cao hơn.

3.1. Tác động đến ngành công nghiệp

Mô hình Flying Shear có tác động lớn đến ngành công nghiệp, đặc biệt trong việc tối ưu hóa quy trình sản xuất. Việc áp dụng công nghệ servo và Mạng SSCNET III giúp các nhà máy cải thiện hiệu suất và giảm chi phí sản xuất. Hệ thống này không chỉ giúp tăng tốc độ sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng sản phẩm, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường. Sự phát triển của các hệ thống tự động hóa như Flying Shear là một bước tiến quan trọng trong việc hiện đại hóa ngành công nghiệp, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của thị trường.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền công nghiệp hiện đại như sản xuất thép tấm, in ấn, bao bì, đóng chai và chiết rót, các cơ cấu cơ khí liên kết cứng truyền thống đang bộc lộ nhiều hạn chế về tốc độ xử lý, khả năng đáp ứng tải, độ linh hoạt và kích thước cồng kềnh. Xu hướng tự động hóa chuyển dịch mạnh mẽ sang việc ứng dụng động cơ servo và các hệ thống điều khiển chuyển động đa trục (Motion Control) nhằm tối ưu hóa năng suất, giảm thời gian gián đoạn và nâng cao độ chính xác khi vận hành. Cơ cấu cắt bay (Flying shear) là giải pháp điển hình cho phép thực hiện các thao tác cắt, gắp, rót hoặc định hình trực tiếp trên phôi liệu đang chuyển động liên tục mà không cần dừng băng chuyền. Nhằm tiếp cận và làm chủ công nghệ điều khiển chuyển động tiên tiến của hãng Mitsubishi, đề tài "Mô hình Flying shear – điều khiển đồng bộ sử dụng mạng SSCNET III" được thực hiện tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Mục tiêu và các nhiệm vụ nghiên cứu chính của đề tài được xác định cụ thể qua các nội dung sau:

1. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động và cơ chế vận hành của hệ thống Flying shear trong môi trường công nghiệp.
2. Nghiên cứu giải pháp điều khiển đồng bộ phối hợp nhiều trục động cơ servo.
3. Khảo sát, lựa chọn các thiết bị phần cứng điện, điều khiển và cơ khí đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của hệ thống.
4. Thiết kế và gia công chế tạo phần cơ khí cho mô hình thực nghiệm (vít me, bàn đỡ, mặt bích, khung đế tổng).
5. Thiết kế và thi công hệ thống tủ điện, mạch động lực và mạch điều khiển cho toàn bộ mô hình.
6. Lập trình chương trình điều khiển chuyển động (Motion SFC) cho Q-Motion CPU bằng phần mềm MT Developer2.
7. Lập trình chương trình điều khiển logic tuần tự (Ladder logic) cho CPU PLC dòng Q-Series bằng phần mềm GX Works2.
8. Cài đặt các thông số vận hành (servo parameters), thiết lập cấu hình hệ thống cơ khí ảo (Virtual Mechanical System) và tinh chỉnh thông số cơ khí.
9. Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển người - máy trên màn hình HMI GOT1000 bằng phần mềm GT Designer3.
10. Vận hành thử nghiệm hệ thống nhiều lần, ghi nhận dữ liệu hoạt động, phân tích sai số và đánh giá hiệu năng làm việc.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài bao gồm:

• Đối tượng phần cứng cơ khí: Hệ thống cơ khí 5 trục chuyển động bao gồm cơ cấu trục vít me X, cụm trục Y, cụm trục Z, cơ cấu bàn xoay, hệ thống băng tải cấp liệu truyền động qua hộp giảm tốc, cơ cấu kẹp/gắp bằng khí nén cùng các chi tiết gá lắp (mặt bích, tấm đỡ, khối đế định vị).
• Đối tượng phần cứng điện và điều khiển: Bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q-Series; bộ điều khiển chuyển động Motion CPU Q172DSCPU; các mô-đun ngõ vào/ra số QX42 và QY42P; 05 bộ động cơ servo và driver Mitsubishi dòng MR-J3-B giao tiếp qua mạng cáp quang SSCNET III; cảm biến laser tốc độ cao Keyence LV-H37 kết hợp bộ khuếch đại LV-21A; bộ phát xung tay (Manual Pulse Generator/Handy Pulser); màn hình cảm ứng công nghiệp HMI GOT1000; hệ thống cảm biến quang cữ hành trình và cảm biến gốc (dog).
• Phạm vi nghiên cứu: Mô hình thực nghiệm điều khiển đồng bộ 5 trục thực hiện chức năng cắt bay mô phỏng tại xưởng Trung tâm tư vấn, thiết kế và chế tạo thiết bị công nghiệp - Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM trong khoảng thời gian từ tháng 02/2018 đến tháng 07/2018.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển chuyển động tự động, cấu trúc động cơ servo, nguyên lý cảm biến vị trí và giải thuật đồng bộ hóa chuyển động điện tử:

• Khái niệm và đặc tính động cơ servo: Phân tích đặc điểm hoạt động của AC servo và DC servo. Hệ thống AC servo sử dụng nguyên lý động cơ không chổi than (brushless), hồi tiếp vòng kín qua encoder về driver điều khiển để tự động hiệu chỉnh dòng điện, điện áp, tần số stato, từ đó kiểm soát chính xác vị trí, vận tốc và mô-men xoắn với khả năng đáp ứng nhanh từ 1 ms đến vài ms, tốc độ vận hành có thể đạt 6000 vòng/phút.
• Nguyên lý và phân loại Encoder: Nghiên cứu cấu tạo đĩa quang quay của hai dòng encoder chính: Encoder tương đối (Incremental encoder - ghi nhận góc quay và tốc độ thông qua các rãnh đều nhau phát xung liên tục) và Encoder tuyệt đối (Absolute encoder - xác định vị trí thực nhờ các rãnh mã hóa nhị phân phân bố đặc thù, duy trì vị trí góc quay ngay cả khi mất nguồn điện).
• Thiết lập thông số truyền động điện tử: Xác lập các biến số cốt lõi trong driver servo gồm số xung trên mỗi vòng quay (Number of pulses per rotation), khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay cơ khí (Movement amount per rotation), logic tín hiệu ngõ ra (Positive/Negative logic), thiết lập chiều quay thuận/nghịch (Rotation direction setting) và giới hạn hành trình (Software limits / Hardware limits). Ba chế độ phát xung điều khiển vị trí được khảo sát:

Chế độ phát xung	Đặc điểm nguyên lý	Quy ước điều khiển hướng
Pulse/sign	Tốc độ và quãng đường phụ thuộc vào tần số và số lượng xung lệnh.	Chiều quay điều khiển độc lập bằng mức logic ON/OFF của tín hiệu Sign.
CW/CCW	Sử dụng hai đường phát xung riêng biệt cho hai chiều quay.	Ngõ A nhận xung quay theo chiều kim đồng hồ (CW); ngõ B nhận xung quay ngược chiều (CCW).
Pulse/pulse	Sử dụng hai pha xung A và B lệch pha nhau 90 độ điện.	Quay thuận khi pha B trễ pha hơn pha A 90°; quay nghịch khi pha A trễ pha hơn pha B 90°.

• Hệ thống cơ khí ảo (Virtual Mechanical System) và điều khiển đồng bộ: Công nghệ đồng bộ hóa bằng phần mềm thay thế hoàn toàn các kết cấu cơ khí thực tế (trục truyền, bánh răng, ly hợp, đĩa cam cơ khí). Hệ thống cơ khí ảo được cấu thành từ 3 khối mô-đun chính:
  1. Mô-đun truyền động (Trục đầu vào): Có thể chọn 1 trong 3 dạng gồm Trục servo thực (Real servo axis), Trục servo ảo (Virtual servo axis) hoặc Encoder đồng bộ bên ngoài (Synchronous encoder gắn trên băng tải/trục chính).
  2. Mô-đun dẫn động: Bao gồm Bánh răng ảo (Gear) với tỉ số truyền cố định, Bánh răng đổi tốc độ (Speed change gear) cho phép thay đổi tỉ số truyền linh hoạt thông qua vùng nhớ, Ly hợp ảo (Clutch dạng cứng hoặc mềm) để đóng/ngắt truyền động mượt mà, và Bánh răng vi sai (Differential gear) để cộng/trừ độ dịch chuyển giữa trục chính và trục phụ.
  3. Mô-đun đầu ra (Đĩa cam ảo - Cam data): Điều khiển chuyển động trục chấp hành theo biên dạng cam cài đặt sẵn, gồm 3 loại đĩa cam: Two-way operation (chuyển động khứ hồi lặp lại), Feed operation (chuyển động tịnh tiến cập nhật vị trí mới sau mỗi chu kỳ) và Linear cam (đĩa cam tuyến tính theo quỹ đạo thẳng).

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa khảo sát thực tế tại nhà máy sản xuất thép Posco, thu thập tài liệu kỹ thuật của hãng Mitsubishi, mô hình hóa 3D phần cơ khí, thiết kế thi công mạch phần cứng và lập trình tích hợp điều khiển trên phần mềm chuyên dụng (MT Developer2, GX Works2, GT Designer3).

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí, cấu hình mạch điện điều khiển đến kiến trúc mạng truyền thông và giao diện vận hành:

1. Thiết kế cơ khí

• Bàn đỡ trục vít me X: Kết cấu đế trượt dẫn hướng và gá đỡ trục vít me dẫn động bàn dao chuyển động dọc theo chiều chuyển động của băng chuyền.
• Bàn đỡ và cụm trục Y - Z: Cụm trượt đứng gắn động cơ servo trục Z và cơ cấu dẫn động trục Y giúp đầu công tác nâng/hạ chính xác khi thực hiện thao tác cắt/gắp.
• Mặt bích đỡ trục xoay: Chi tiết gia công cơ khí chính xác định vị cụm xoay gắn với đầu mang dao hoặc tay gắp khí nén.
• Đế tổng: Khung thép tấm gia công phẳng có lỗ chốt định vị chịu lực, làm bệ đỡ tích hợp cho toàn bộ hệ thống trục vít me X, khung đỡ cụm Y-Z, băng tải phôi và động cơ truyền động giảm tốc.
• Bản vẽ 3D tổng thể: Mô hình hóa toàn bộ kết cấu 5 trục trên không gian 3 chiều trước khi gia công chế tạo thực tế.

2. Thiết kế mạch điện và truyền thông điều khiển

• Mạng SSCNET III: Kết nối Motion CPU Q172DSCPU với 05 driver servo MR-J3-B qua cáp quang tốc độ cao, đảm bảo truyền nhận lệnh điều khiển vị trí, tốc độ và dữ liệu hồi tiếp vòng kín với độ chống nhiễu tuyệt đối.
• Mạch động lực: Cung cấp nguồn xoay chiều 1 pha/3 pha qua aptomat, contactor, bộ lọc nguồn bảo vệ cấp cho bộ nguồn PLC, CPU và các driver MR-J3-B.
• Mạch điều khiển và kết nối I/O:
  • Mô-đun ngõ vào số QX42 tiếp nhận tín hiệu từ các nút nhấn, công tắc chọn chế độ, cảm biến cữ hành trình phần cứng (upper/lower limit) và cảm biến vị trí gốc (dog).
  • Mô-đun ngõ ra số QY42P (dạng transistor) điều khiển đóng cắt rơ-le trung gian, van điện từ khí nén của cơ cấu tay gắp và đèn báo trạng thái.
  • Cổng High Speed I/F tích hợp trên Motion CPU kết nối trực tiếp với cảm biến laser Keyence LV-H37 (qua bộ khuếch đại LV-21A) để thực hiện chức năng ngắt bắt dấu tốc độ cao (High-speed mark detection) và nhận xung từ bộ phát xung quay bằng tay (Handy Pulser).

3. Thông số kỹ thuật của bộ điều khiển Motion CPU Q172DSCPU

Hạng mục thông số	Giá trị kỹ thuật
Số trục điều khiển tối đa	16 trục
Bộ nhớ chương trình chuyển động	14 k steps
Thiết bị I/O sử dụng trên chương trình	8192 giá trị
Thiết bị I/O truy cập trực tiếp trên mô-đun	256 giá trị
Chu kỳ hoạt động (Operating cycle)	Hỗ trợ hệ điều hành SV13 / SV22
Cổng truyền thông mạng Servo	SSCNET III (đầu nối CN2 kết nối tối đa 16 trục)
Cổng ngoại vi (Peripheral I/F)	100 Mbps / 10 Mbps (Full-duplex / Half-duplex)
Số điểm ngõ vào bắt dấu (Mark detection DI)	4 điểm (DI1 đến DI4, cách ly quang transistor)
Điện áp và dòng điện ngõ vào định mức (DI)	24V DC, dòng định mức xấp xỉ 5 mA
Thời gian phản hồi ngõ vào bắt dấu (DI)	Chuyển từ OFF sang ON / ON sang OFF: 1 ms

4. Thiết kế giao diện HMI GOT1000

Hệ thống màn hình giám sát được phân chia thành các trang chức năng chuyên biệt:

• Màn hình chính (Main screen): Tổng quan trạng thái kết nối mạng và lựa chọn các chế độ hoạt động.
• Màn hình điều khiển Jog (Jog screen): Cho phép điều khiển quay nhắp từng trục độc lập phục vụ cân chỉnh cơ khí ban đầu.
• Màn hình hiển thị vị trí và Home (Home/Position display screen): Giám sát tọa độ hiện thời và kích hoạt lệnh đưa các trục về gốc chuẩn máy (Home return).
• Màn hình điều khiển vị trí (Position control screen): Thiết lập tọa độ và kích hoạt chạy điểm - điểm cho các trục.
• Màn hình đồng bộ (Synchronous screen): Cài đặt các thông số cam ảo, tỉ số truyền và giám sát trạng thái đồng bộ giữa trục dao và băng tải cấp liệu.
• Màn hình bù vị trí dao cắt (Offset compensation screen): Giám sát và vi chỉnh khoảng dịch chuyển bù trừ dựa trên tín hiệu nhận diện Register mark từ cảm biến laser.
• Màn hình tự động (Automatic screen): Vận hành toàn bộ chu trình cắt bay tự động, hiển thị tốc độ sản phẩm và số lượng chu kỳ làm việc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương mở đầu trình bày tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh cuộc cách mạng công nghiệp 4.0 và xu hướng thay thế các cơ cấu cơ khí cồng kềnh bằng hệ thống servo điều khiển qua mạng. Tác giả phân tích lý do chọn đề tài xuất phát từ các đợt tham quan thực tế tại nhà máy thép tấm Posco và các hệ thống đóng gói, chiết rót tốc độ cao. Chương này xác định rõ mục tiêu nghiên cứu, 10 nhiệm vụ cần thực hiện, phương pháp nghiên cứu và liệt kê chi tiết các đối tượng cơ khí (vít me, băng tải, hộp giảm tốc, tay gắp khí nén, bệ đế) cùng các đối tượng thiết bị điện (Q-Series PLC, Q172DSCPU, servo MR-J3-B, mạng SSCNET III, cảm biến Keyence LV-H37/LV-21A, HMI GOT1000).

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung làm rõ các kiến thức cốt lõi về điều khiển vị trí và đồng bộ chuyển động:

• Phân tích cấu tạo, nguyên lý vận hành và so sánh ưu nhược điểm giữa động cơ AC servo và DC servo.
• Nguyên lý hoạt động của Encoder, phân biệt đặc tính kỹ thuật giữa Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối.
• Các chế độ phát xung điều khiển vị trí (Pulse/sign, CW/CCW, Pulse/pulse) và các bước thiết lập bộ truyền động điện tử (số xung/vòng, khoảng dịch chuyển/vòng, chiều quay, giới hạn hành trình).
• Cấu trúc hệ thống cơ khí ảo (Virtual Mechanical System): Phân tích chi tiết 3 loại trục đầu vào (trục thực, trục ảo, encoder ngoài), 4 bộ phận dẫn động ảo (bánh răng, ly hợp, bánh răng đổi tốc độ, bánh răng vi sai) và 3 loại đĩa cam ngõ ra (Two-way, Feed, Linear cam).

Chương III: Thiết kế và giới thiệu mô hình

Chương này mô tả chi tiết quá trình thiết kế, gia công và lắp ráp toàn bộ hệ thống thực nghiệm:

• Trình bày các bản vẽ thiết kế cơ khí 2D/3D của bàn đỡ trục vít me X, bàn đỡ trục Y, tấm đỡ và mặt bích trục xoay gắn trục Z, cùng bản vẽ khung đế tổng bằng kim loại.
• Thiết kế và giải thích chi tiết các sơ đồ nguyên lý mạch điện: Bản vẽ mạch động lực cấp nguồn cho PLC và 5 driver servo; mạch truyền thông quang SSCNET III; mạch ngõ vào QX42; mạch ngõ ra transistor QY42P; mạch kết nối bộ phát xung tay (Handy Pulser) và cảm biến laser Keyence vào cổng High Speed I/F của Motion CPU; mạch công tắc hành trình bảo vệ.
• Giới thiệu thông số phần cứng của CPU Motion Q172DSCPU (sơ đồ chân, bảng phân bổ tín hiệu I/F, đặc tính bộ phát hiện dấu).
• Thuyết minh cấu trúc phân tầng các giao diện vận hành trên màn hình cảm ứng HMI GOT1000.

Chương IV: Bài toán Flying shear và phương pháp thực hiện

Chương 4 là phần nội dung trọng tâm giải quyết bài toán điều khiển đồng bộ:

• Phân tích nguyên lý động học của hệ thống cắt bay (Flying shear): Trục dao cắt tăng tốc từ vị trí nghỉ đến khi đạt vận tốc đồng bộ bằng đúng vận tốc tuyến tính của băng tải phôi liệu, duy trì vận tốc đồng bộ trong suốt khoảng không gian thao tác để thực hiện cắt/gắp, sau đó giảm tốc và quay hồi vị nhanh về điểm xuất phát sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo.
• Xây dựng giản đồ thời gian biểu diễn mối quan hệ giữa tốc độ và vị trí của trục dao so với trục cấp liệu.
• Thiết lập cấu hình hệ cơ khí ảo trên phần mềm MT Developer2, khai báo chia sẻ vùng nhớ giữa CPU PLC (CPU1) và Motion CPU (CPU2), cấu hình mạng SSCNET III, khai báo thông số servo, cảm biến gốc (dog), cữ hành trình và cổng High speed input.
• Phát triển giải thuật Register mark sử dụng tín hiệu cảm biến laser tốc độ cao Keyence để bắt dấu in trên phôi liệu, kết hợp cơ chế bánh răng vi sai trong hệ cơ khí ảo để tự động tính toán và bù trừ khoảng thiếu hụt tọa độ do sai lệch vị trí phôi thực tế.
• Lập trình cấu trúc điều khiển hoàn chỉnh bằng ngôn ngữ lưu đồ chức năng tuần tự chuyển động (Motion SFC) gồm các khối lệnh: Về gốc (Home return), dịch chuyển đến vị trí cấp liệu 1, 2, 3, lệnh về vị trí sẵn sàng, và các đoạn chương trình SFC đồng bộ 1, 2, 3.

Chương V: Vận hành hệ thống, đưa kết luận và hướng đi tương lai

Chương cuối cùng tổng kết quá trình vận hành chạy thử hệ thống thực tế trên mô hình 5 trục, ghi nhận sự phối hợp nhịp nhàng giữa các trục servo qua mạng SSCNET III, đánh giá khả năng bắt điểm cắt chính xác của cơ cấu Flying shear, đồng thời đúc kết các bài học kinh nghiệm và đề xuất các hướng mở rộng nghiên cứu trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã hoàn thành đầy đủ các mục tiêu đề ra và đạt được các kết quả cụ thể:

• Kết quả kỹ thuật thực nghiệm:
  • Chế tạo thành công mô hình cơ khí 5 trục hoạt động ổn định, bao gồm cơ cấu vít me trục X, cụm trục Y-Z, bàn xoay định vị và băng chuyền cấp liệu dẫn động bằng hộp giảm tốc.
  • Xây dựng hoàn chỉnh tủ điện điều khiển tích hợp PLC Q-Series, Motion CPU Q172DSCPU, kết nối đồng thời 05 bộ servo driver MR-J3-B qua đường truyền cáp quang SSCNET III với tốc độ cao và khả năng chống nhiễu tốt.
  • Ứng dụng thành công hệ thống cơ khí ảo trên phần mềm MT Developer2 để đồng bộ chuyển động trục chạy dao theo vận tốc băng tải cấp liệu mà không cần kết nối cơ khí cứng.
  • Triển khai thành công giải thuật nhận diện vạch dấu (Register mark) qua cổng High Speed I/F với cảm biến laser Keyence LV-H37/LV-21A, tự động bù sai lệch vị trí phôi vào trục phụ thông qua bánh răng vi sai ảo.
  • Thiết kế hoàn chỉnh hệ thống giám sát và vận hành thân thiện trên màn hình cảm ứng HMI GOT1000 với đầy đủ các chế độ: Jog, Home, Chạy vị trí, Đồng bộ và Tự động.
• Đóng góp của đồ án theo công bố của nhóm tác giả:
  • Cung cấp tài liệu nghiên cứu và quy trình triển khai chi tiết về việc ứng dụng dòng điều khiển chuyển động chuyên dụng Q-Motion và mạng SSCNET III của Mitsubishi tại Việt Nam.
  • Chứng minh tính khả thi và ưu điểm vượt trội của giải pháp đồng bộ hóa điện tử (cơ khí ảo) so với các cơ cấu cam, bánh răng cơ khí truyền thống về mặt linh hoạt thay đổi quy cách sản phẩm, giảm hao mòn cơ học và tiết kiệm thời gian chu kỳ.
  • Xây dựng mô hình thí nghiệm trực quan phục vụ cho công tác giảng dạy, thực hành chuyên sâu về điều khiển chuyển động đa trục và tự động hóa công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

• Hạn chế của đề tài:
  • Nghiên cứu dừng lại ở cấp độ mô hình thực nghiệm trong phòng lab; cơ cấu chấp hành sử dụng cơ cấu gắp khí nén mô phỏng thao tác cắt thay vì lắp đặt lưỡi dao cắt phôi kim loại thực tế chịu tải trọng cắt lớn.
  • Quá trình chạy thử nghiệm chịu ảnh hưởng bởi các sai số cơ khí phát sinh trong quá trình gia công, lắp ráp thủ công các chi tiết gá bệ đỡ và mặt bích.
• Hướng phát triển đề tài được đề cập:
  • Tiếp tục tối ưu hóa giải thuật tính toán bù sai số động cơ ở dải tốc độ cao hơn nhằm nâng cao độ chính xác gia công phôi.
  • Ứng dụng hệ thống vào các dây chuyền cắt kim loại tấm, đóng gói bao bì tự động hoặc máy in ấn công nghiệp quy mô lớn trong nhà máy thực tế.
  • Mở rộng cấu hình điều khiển thêm các trục phụ trợ phức tạp khác, kết nối đồng bộ hóa với hệ thống quản lý sản xuất cấp cao (SCADA/MES).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo ứng dụng cao đối với:

• Sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Tự động hóa, Cơ điện tử và Kỹ thuật Điều khiển đang nghiên cứu về hệ thống Motion Control của Mitsubishi.
• Các kỹ sư thiết kế máy công nghiệp quan tâm đến giải pháp cắt bay (Flying shear), dao cắt quay (Rotary knife) hoặc các ứng dụng đóng gói/chiết rót liên tục không dừng phôi.
• Phần tài liệu đáng tham khảo nhất bao gồm: Sơ đồ đấu nối phần cứng chi tiết của Motion CPU Q172DSCPU với servo MR-J3-B qua mạng SSCNET III; phương pháp cấu hình hệ cơ khí ảo (Virtual Mechanical System) trên MT Developer2; và cấu trúc lập trình lưu đồ chức năng chuyển động (Motion SFC) kết hợp giải thuật Register mark bù sai số.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển Motion CPU Q172DSCPU sử dụng trong đồ án có khả năng quản lý tối đa bao nhiêu trục servo? Bộ điều khiển Motion CPU Q172DSCPU hỗ trợ điều khiển tối đa lên đến 16 trục servo thông qua đường truyền mạng cáp quang SSCNET III (sử dụng đầu nối CN2), với dung lượng bộ nhớ chương trình chuyển động đạt 14 k steps.

2. Cổng kết nối High Speed I/F trên mặt trước của Q172DSCPU đảm nhận nhiệm vụ gì trong mô hình? Cổng High Speed I/F (với 4 điểm ngõ vào tốc độ cao DI1 đến DI4, thời gian phản hồi 1 ms) được sử dụng để tiếp nhận trực tiếp tín hiệu phát hiện dấu phôi liệu (Mark detection) từ cảm biến laser Keyence LV-H37/LV-21A và kết nối tín hiệu xung pha từ bộ phát xung tay (Handy Pulser / Manual Pulse Generator).

3. Giải thuật Register mark trong bài toán Flying shear giải quyết vấn đề sai lệch vị trí phôi như thế nào? Khi phôi liệu di chuyển trên băng tải, cảm biến laser tốc độ cao bắt tín hiệu vạch dấu trên phôi và gửi về ngắt High Speed I/F của Motion CPU để xác định khoảng cách thực tế. Hệ thống so sánh vị trí này với chu kỳ lý thuyết, sau đó đưa giá trị sai lệch vào trục phụ thông qua bánh răng vi sai ảo (Differential gear) trong hệ cơ khí ảo để tự động bù khoảng thiếu hụt tọa độ trước khi trục dao bước vào giai đoạn cắt đồng bộ.

4. Ba loại đĩa cam ảo trong hệ thống cơ khí ảo của Motion CPU gồm những loại nào? Ba loại đĩa cam ảo gồm:

• Two-way operation: Biên dạng cam thực hiện chuyển động khứ hồi lặp đi lặp lại trong một vòng quay cam, điểm kết thúc chu kỳ trùng với điểm xuất phát ban đầu.
• Feed operation: Chuyển động tịnh tiến cập nhật tọa độ liên tục sau mỗi chu kỳ quay, điểm kết thúc chu kỳ này là điểm bắt đầu của chu kỳ tiếp theo.
• Linear cam: Đĩa cam tuyến tính đặc thù của hệ cơ khí ảo với dữ liệu cam dạng đường chéo tịnh tiến theo quãng đường di chuyển.

5. Hệ thống sử dụng những phần mềm chuyên dụng nào để lập trình và thiết kế giao diện? Đồ án sử dụng bộ 3 phần mềm chuyên dụng của Mitsubishi:

• MT Developer2: Lập trình lưu đồ Motion SFC, cài đặt tham số servo và thiết lập cấu hình hệ cơ khí ảo cho Motion CPU Q172DSCPU.
• GX Works2: Lập trình logic tuần tự (Ladder logic) và quản lý chia sẻ vùng nhớ cho PLC Q-Series (Q-CPU).
• GT Designer3: Thiết kế đồ họa và cấu hình biến truyền thông cho giao diện màn hình cảm ứng HMI GOT1000.

Kết luận

Đồ án "Mô hình Flying shear – điều khiển đồng bộ sử dụng mạng SSCNET III" của nhóm tác giả Trần Thanh Tùng và Nguyễn Công Hậu đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình điều khiển đồng bộ 5 trục ứng dụng công nghệ Motion CPU Q172DSCPU và mạng truyền thông quang SSCNET III của Mitsubishi. Nghiên cứu đã làm chủ giải pháp đồng bộ hóa điện tử thông qua hệ thống cơ khí ảo kết hợp thuật toán bắt dấu laser Register mark để xử lý chính xác bài toán cắt chuyển động không dừng phôi. Công trình cung cấp nền tảng lý thuyết và thực tiễn vững chắc, đóng góp một mô hình thực nghiệm trực quan có giá trị học thuật và ứng dụng cao cho ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử.

Trích đoạn nội dung tài liệu

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.