Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, việc ứng dụng các kỹ thuật tự động hóa tiên tiến nhằm nâng cao năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa chi phí đầu tư là yêu cầu cấp thiết đối với các doanh nghiệp sản xuất, đặc biệt là tại các quốc gia đang phát triển như Việt Nam. Phần lớn các dây chuyền lắp ráp và đóng gói truyền thống tại các khu công nghiệp vẫn phụ thuộc đáng kể vào thao tác thủ công của nhân công, dẫn đến giới hạn về tốc độ và sản lượng. Việc nhập khẩu nguyên hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh từ nước ngoài thường đòi hỏi chi phí đầu tư rất lớn, gây khó khăn cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ.

Để giải quyết bài toán tối ưu năng suất và tiết kiệm diện tích nhà xưởng, giải pháp gia công hoặc xử lý sản phẩm trực tiếp ngay khi phôi đang di chuyển trên băng chuyền (như cơ cấu máy cắt lia, xử lý ảnh kiểm tra lỗi) mang lại hiệu quả cao. Yêu cầu kỹ thuật cốt lõi của giải pháp này là phải điều khiển đồng bộ chính xác cả về vận tốc và vị trí giữa cơ cấu chấp hành mang công cụ và phôi liệu đang chuyển động. Xuất phát từ nhu cầu thực tiễn đó, đề tài "Nghiên cứu và thiết kế cơ cấu chuyển động đồng bộ 2 trục điều khiển bằng PLC" được thực hiện.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định theo 7 nội dung cụ thể:

  1. Nghiên cứu phương án thiết kế hệ thống đồng bộ.
  2. Hoàn thành bản vẽ 3D của hệ thống cơ khí.
  3. Gia công chế tạo mô hình cơ khí thực tế.
  4. Thiết kế và xây dựng mạch điều khiển cùng mạch động lực.
  5. Thử nghiệm, đánh giá và rút ra kinh nghiệm từ kết quả thực nghiệm.
  6. Lập bản báo cáo đề tài tốt nghiệp.
  7. Hoàn thiện toàn diện đề tài.

Hệ thống đặt ra các chỉ tiêu kỹ thuật và phạm vi nghiên cứu rõ ràng:

  • Đối tượng nghiên cứu: Cơ cấu đồng bộ 2 trục gồm trục B (trục chủ/cấp phôi dạng băng tải puly - đai) và trục A (trục chấp hành/mang đầu chỉ dạng vít-me đai ốc bi).
  • Phạm vi không gian và quy cách vật lý: Hành trình đồng bộ chuyển động đạt 400 mm; kích thước phôi mẫu hình hộp chữ nhật $5 \times 10 \times 7\text{ mm}$; chiều dài đầu chỉ trên trục A là 120 mm; tổng khối lượng kết cấu cơ khí khảo sát ước tính khoảng 30 kg; kích thước tấm đế lắp đặt $740 \times 680 \times 10\text{ mm}$.
  • Yêu cầu đánh giá: Mức độ đồng bộ vị trí và tốc độ chính xác (chiếm 30% trọng số), độ chính xác và tính thẩm mỹ cơ khí (20%), thiết kế mạch điều khiển - động lực hợp lý (20%), mô hình bản vẽ 3D (10%) và công tác thử nghiệm đánh giá kết quả (20%).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển chuyển động đa trục, lý thuyết truyền thông mạng công nghiệp và mô hình cơ khí ảo:

1. Khung lý thuyết và mô hình động cơ

Tác giả phân tích và so sánh 4 nhóm động cơ điện phổ biến: động cơ điện một chiều (DC), động cơ điện xoay chiều (AC), động cơ bước (Stepper Motor) và động cơ Servo (AC/DC Servo). Động cơ AC Servo được lựa chọn làm cơ cấu chấp hành chính nhờ khả năng điều khiển vị trí và tốc độ với độ chính xác cao thông qua bộ mã hóa xung (encoder) hồi tiếp vòng kín, khả năng vận hành êm, hiệu suất trên 90% và mô-men xoắn ổn định ở dải tốc độ cao.

Hàm truyền toán học của động cơ Servo được thiết lập trên miền Laplace dựa trên phương trình cân bằng điện áp phần ứng và phương trình cân bằng mô-men trục quay: $$V(s) = (R + Ls)I(s) + E(s)$$ $$T(s) = J s \omega(s) + D \omega(s)$$ Trong đó các đại lượng bao gồm: điện áp phần ứng $V$, điện trở $R$, điện cảm $L$, suất điện động $E = K_b \omega$, mô-men xoắn $T$, mô-men quán tính $J$, hệ số ma sát nhớt $D$, vị trí góc quay $\theta$ và vận tốc góc $\omega$.

2. Mạng truyền thông SSCNET III

Thay vì sử dụng phương pháp phát xung rời rạc (Pulse-Train) hoặc tín hiệu điện áp tương tự (Analog) vốn dễ suy hao điện áp, giới hạn tần số xung và nhạy cảm với nhiễu môi trường, hệ thống ứng dụng chuẩn truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET III của Mitsubishi. Chuẩn này có tốc độ truyền dẫn đạt 50 Mbps với chu kỳ truyền lệnh rút ngắn xuống 0,44 ms, cho phép đồng bộ hóa dữ liệu điều khiển vị trí tuyệt đối giữa PLC và các bộ điều khiển Servo Amplifier một cách ổn định.

3. Nguyên lý điều khiển đồng bộ và cơ khí ảo

Nguyên lý đồng bộ trên Module QD77MS được xây dựng thông qua mô hình cơ khí ảo bao gồm 4 thành phần chính:

  • Trục đầu vào chính (Main shaft main input axis): Đóng vai trò trục dẫn động cơ sở (trục B).
  • Hộp số ảo (Main shaft gear): Thiết lập tỷ lệ truyền động giữa số vòng quay của trục đầu vào và trục đầu ra nhằm quy đổi tương quan quãng đường dịch chuyển.
  • Ly hợp ảo (Clutch): Đóng/ngắt kết nối truyền động đến trục chấp hành khi có tín hiệu kích hoạt.
  • Trục đầu ra và đĩa Cam điện tử (Output axis & Cam data): Chuyển đổi giá trị tọa độ của trục đầu vào thành quỹ đạo di chuyển phi tuyến hoặc tuyến tính của trục đầu ra theo bảng dữ liệu hàm Cam xác định trước.
Thành phần cơ khí ảo Chức năng trong hệ thống
Trục đầu vào chính (Main input shaft) Lấy dữ liệu vị trí/vận tốc từ trục băng chuyền (trục B) làm tín hiệu dẫn hướng
Bánh răng chính (Main shaft gear) Thay đổi tỷ lệ vòng quay để thiết lập tỷ số đồng bộ hình học giữa 2 trục
Ly hợp ảo (Clutch) Điều khiển khởi động hoặc ngắt chuyển động của trục chấp hành theo sự kiện
Trục đầu ra & Dữ liệu Cam (Output axis & Cam) Tạo quỹ đạo chuyển động thực tế cho trục vít me (trục A) dựa trên đường cong hàm Cam

4. Phương pháp nghiên cứu

Đề tài kết hợp phương pháp tính toán giải tích (xác định tỷ số truyền hộp số ảo, phân tích quỹ đạo Cam), phương pháp thiết kế mô hình hóa CAD 3D, phương pháp đấu nối tích hợp hệ thống điều khiển công nghiệp và phương pháp thực nghiệm kiểm chứng từng giai đoạn trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh từ kết cấu cơ khí đến kiến trúc phần cứng điều khiển và tham số truyền động:

1. Thiết kế cơ khí và kết cấu khung đỡ

  • Vật liệu chế tạo: Sử dụng hợp kim nhôm định hình và nhôm tấm nhờ ưu điểm nhẹ, độ bền cao, chống oxy hóa và đảm bảo tính thẩm mỹ công nghiệp.
  • Kích thước khung - đế: Tấm đế đáy kích thước $740 \times 680 \times 10\text{ mm}$; tấm khung đỡ dựng đứng kích thước $250 \times 740 \times 8\text{ mm}$; phương pháp gia công liên kết gồm khoan định vị, taro ren và bắt bu-lông cố định.
  • Trục chấp hành A (Trục tịnh tiến): Sử dụng cụm vít-me đai ốc bi mã hiệu VLA-ST-60-12-0700 có bước ren $d_A = 12\text{ mm}$, hành trình làm việc hữu ích đạt 700 mm (+10 mm dung sai), chiều dài tổng thể 887 mm, vận tốc tối đa cho phép 500 mm/s, gia tốc cực đại 0,3G, khối lượng 4,52 kg.
  • Trục dẫn động B (Trục cấp phôi): Sử dụng cơ cấu truyền động puly - đai răng đồng bộ với đường kính hai puly bằng nhau $d_1 = d_2 = 60\text{ mm}$, tỷ số giảm tốc hộp số động cơ là $1/9$. Quãng đường dịch chuyển của băng tải trong một vòng quay động cơ được tính toán: $$d_B = \frac{1}{9} \times \pi \times d_1 = \frac{1}{9} \times \pi \times 60 \approx 20,944\text{ mm} \approx 21\text{ mm}$$

2. Cấu hình phần cứng điều khiển và thiết bị điện

  • Bộ điều khiển lập trình (PLC CPU): Mitsubishi MELSEC Q00UCPU (dung lượng bộ nhớ chương trình 10k bước, quản lý 1024 điểm I/O tích hợp, mở rộng tối đa 8192 điểm I/O, trang bị cổng giao tiếp Mini USB và RS-232, thời gian quét lệnh nhanh).
  • Module điều khiển chuyển động: QD77MS2 (quản lý điều khiển độc lập hoặc đồng bộ 2 trục, truyền thông SSCNET III/H với cự ly kết nối cáp quang lên tới 100 m giữa các trạm, hỗ trợ các chế độ điều khiển vị trí, tốc độ, mô-men và Cam điện tử).
  • Động cơ và Bộ điều khiển Servo (Driver): 02 bộ động cơ AC Servo Mitsubishi HG-KR13 (công suất 100 W, mô-men quán tính $0,0777 \times 10^{-4}\text{ kg}\cdot\text{m}^2$, trọng lượng 0,54 kg) kết hợp cùng 02 bộ điều khiển Servo Driver MR-J3-10B (nguồn cấp 1 pha/3 pha 200–230 VAC 50/60 Hz, dòng định mức 0,9 A, tích hợp giao tiếp SSCNET III, độ phân giải encoder đạt 262.144 xung/vòng).
Thiết bị Mã hiệu Thông số kỹ thuật chính
PLC CPU Mitsubishi Q00UCPU Bộ nhớ 10 k steps / 40 kB RAM, 1024 I/O tích hợp, cổng kết nối Mini USB & RS232
Motion Module Mitsubishi QD77MS2 Điều khiển 2 trục, giao tiếp SSCNET III/H, chu kỳ truyền thông tốc độ cao
Servo Driver Mitsubishi MR-J3-10B Nguồn $200-230\text{ VAC}$, công suất 100W, encoder 18-bit (262.144 p/rev)
Servo Motor Mitsubishi HG-KR13 Công suất định mức 100W, mô-men quán tính $0,0777 \times 10^{-4}\text{ kg}\cdot\text{m}^2$
Vít-me bi Trục A VLA-ST-60-12-0700 Bước ren 12 mm, hành trình 700 mm, tốc độ tối đa 500 mm/s
Cơ cấu Trục B Puly - Dây đai Đường kính puly 60 mm, hộp số giảm tốc $1/9$, lượng dịch chuyển ~21 mm/vòng

3. Tính toán đồng bộ và thiết lập bảng hàm CAM

Dựa trên tương quan lượng dịch chuyển mỗi vòng của trục đầu ra A ($d_A = 12\text{ mm}$) và trục đầu vào B ($d_B \approx 21\text{ mm}$), tỷ số truyền của hộp số ảo được xác lập: $$G = \frac{d_A}{d_B} = \frac{12}{21}$$

Quá trình điều khiển đồng bộ được phân chia theo chu trình làm việc 4 giai đoạn thông qua bảng dữ liệu hàm Cam điện tử trên toàn dải góc pha $0^\circ - 360^\circ$:

  1. Giai đoạn $0^\circ - 40^\circ$ (Chờ kích hoạt): Trục A giữ nguyên vị trí ban đầu ($0\text{ mm}$) trong khi phôi trên trục B di chuyển qua cảm biến quang và đi vào vùng chuẩn bị.
  2. Giai đoạn $40^\circ - 72^\circ$ (Tăng tốc bắt kịp): Trục A tăng tốc nhanh để đưa đầu chỉ đuổi theo phôi, đạt vị trí 144 mm (tương ứng 36% tổng hành trình) tại thời điểm góc pha $72^\circ$.
  3. Giai đoạn $72^\circ - 200^\circ$ (Đồng bộ bám phôi): Vận tốc và vị trí của đầu chỉ trục A khóa đồng bộ tuyệt đối với phôi trên trục B trong suốt quãng đường làm việc từ 144 mm đến 400 mm (100% hành trình).
  4. Giai đoạn $200^\circ - 360^\circ$ (Hồi vị): Khi hết hành trình làm việc, ly hợp ảo ngắt, trục A chuyển động lùi nhanh đưa đầu chỉ về vị trí gốc ban đầu (Home position) để sẵn sàng cho chu kỳ tiếp theo.
STT Góc bắt đầu ($^\circ$) Góc kết thúc ($^\circ$) Vị trí trục A Trạng thái hoạt động
1 0 40 0 mm Đứng yên tại vị trí gốc, chờ tín hiệu phôi
2 40 72 144 mm (36%) Chạy đuổi vận tốc cao để tiếp cận tọa độ phôi
3 72 200 400 mm (100%) Chạy đồng bộ chính xác vận tốc và vị trí bám theo phôi
4 200 360 0 mm Quay trở về vị trí gốc ban đầu (Home)

4. Thiết lập phần mềm điều khiển và giao diện vận hành

  • Phần mềm lập trình: Cấu hình thông số tham số trục, mạng SSCNET III và thiết lập bảng dữ liệu Cam trên phần mềm GX Works2 / Simple Motion Module Setting Tool.
  • Quy trình xác định gốc (Homing): Thiết lập phương pháp tìm điểm gốc Proximity Dog Method kết hợp công tắc hành trình và tín hiệu xung Z của encoder.
  • Giao diện HMI: Xây dựng màn hình điều khiển và giám sát HMI ảo, cho phép thao tác chạy chế độ bằng tay (JOG), chạy tự động (Auto), cài đặt vận tốc, kiểm tra trạng thái tín hiệu I/O và theo dõi lỗi hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Tổng quan

Chương này phân tích tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tự động hóa công nghiệp. Tác giả chỉ ra hạn chế của phương thức sản xuất dùng nhân công thủ công và chi phí đắt đỏ của các hệ thống ngoại nhập đối với doanh nghiệp nhỏ. Mục tiêu cốt lõi là nghiên cứu cơ cấu xử lý phôi trực tiếp trên băng chuyền thông qua kỹ thuật đồng bộ 2 trục bằng PLC. Chương I đưa ra bảng phân bổ 5 yêu cầu kỹ thuật và khảo sát các công trình liên quan như máy cắt lia đồng bộ MR-MQ100 của hãng Mitsubishi Electronics và máy cắt lia của hãng Shanghai Sihua.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương tập trung trình bày lưu đồ thuật toán hoạt động tổng thể của hệ thống. Tác giả tiến hành phân loại, so sánh chi tiết ưu nhược điểm của 4 loại động cơ điện (động cơ 1 chiều, xoay chiều, động cơ bước, động cơ Servo) và lập luận lý do chọn AC Servo. Chương này thiết lập mô hình toán học hàm truyền động cơ Servo, các chế độ phát xung điều khiển (Pulse/Sign, Pulse/Pulse), cấu trúc phần cứng và nguyên lý quét của PLC. Đồng thời, tác giả giải thích chi tiết ưu thế của mạng truyền thông cáp quang SSCNET III và lý thuyết điều khiển đồng bộ bằng mô hình cơ khí ảo kết hợp đĩa Cam điện tử.

Chương III: Thiết kế phần cứng

Chương III trình bày toàn bộ quá trình tính toán, lựa chọn và thiết kế hệ thống vật lý. Các nội dung bao gồm: lựa chọn kích thước đế nhôm ($740 \times 680 \times 10\text{ mm}$) và khung đỡ ($250 \times 740 \times 8\text{ mm}$); phân tích và lựa chọn cụm vít-me bi VLA-ST-60-12-0700 cho trục A; tính toán kích thước puly - dây đai cho trục B; lựa chọn động cơ Servo HG-KR13, Servo Driver MR-J3-10B, CPU PLC Q00UCPU và Module chuyển động QD77MS2. Chương này cung cấp các bản vẽ 3D, hình chiếu cơ khí, sơ đồ kết nối mạng SSCNET III, sơ đồ mạch động lực, đồng thời thực hiện tính toán chi tiết tỷ số hộp số ảo ($12/21$) và bảng thông số hàm Cam 4 vùng hoạt động.

Chương IV: Điều khiển

Chương IV mô tả chi tiết các bước thiết lập trên phần mềm điều khiển. Tác giả hướng dẫn trình tự khởi tạo dự án trên GX Works2, cấu hình tham số mạng cho module QD77MS2, thiết lập thông số cơ khí của động cơ Servo và trục vít-me (giá trị phát xung, khoảng dịch chuyển mỗi vòng, giới hạn hành trình mềm Stroke Limit), cài đặt thông số gia tốc/giảm tốc, tham số chạy JOG và quy trình trả về điểm gốc máy bằng phương pháp Proximity Dog Method. Chương này cũng trình bày sơ đồ logic điều khiển, cấu hình trục đồng bộ trên phần mềm và thiết kế giao diện HMI ảo phục vụ vận hành.

Chương V: Hoàn thành và thực nghiệm

Chương V trình bày kết quả lắp ráp hoàn thiện cơ cấu cơ khí, bố trí tủ điện và mạch nối dây điều khiển thực tế. Tác giả tiến hành chạy thử nghiệm hệ thống đồng bộ dưới nhiều điều kiện tỷ số truyền bánh răng ảo khác nhau để đánh giá đáp ứng chuyển động của trục A theo trục B:

  • Kết quả thực nghiệm 1: Thiết lập tỷ số bánh răng ảo chuẩn theo tính toán lý thuyết là $12:21$.
  • Kết quả thực nghiệm 2: Thiết lập thử nghiệm với tỷ số bánh răng $1:1$.
  • Kết quả thực nghiệm 3: Thiết lập thử nghiệm với tỷ số bánh răng $5000:9015$. Các biểu đồ và hình ảnh thực nghiệm cho thấy hệ thống bám vị trí ổn định, chuyển động trơn tru khi chạy theo quỹ đạo hàm Cam đã cấu hình.

Chương VI: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các kết quả đã đạt được đối chiếu với bảng mục tiêu ban đầu thông qua bảng tự đánh giá nhiệm vụ. Tác giả nhìn nhận những điểm hoàn thiện về cơ khí, mạch điện và thuật toán đồng bộ, đồng thời chỉ ra các hạn chế còn tồn tại trên mô hình và đề xuất các hướng phát triển nâng cao tính năng cho hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

1. Kết quả kỹ thuật cụ thể

  • Chế tạo thành công mô hình vật lý: Hoàn thành kết cấu khung đế nhôm kích thước $740 \times 680 \times 10\text{ mm}$ vững chắc, lắp ráp hoàn chỉnh cụm truyền động vít-me đai ốc bi hành trình 700 mm (trục A) và băng tải puly - đai (trục B).
  • Tích hợp hệ thống điều khiển công nghiệp hoàn chỉnh: Đấu nối và cấu hình thành công hệ thống điều khiển sử dụng PLC Mitsubishi Q00UCPU, Module điều khiển chuyển động QD77MS2 kết nối với 02 bộ Servo Driver MR-J3-10B qua mạng cáp quang SSCNET III.
  • Thực hiện thành công thuật toán đồng bộ vận tốc và vị trí: Ứng dụng thành công mô hình cơ khí ảo và bảng hàm Cam điện tử để điều khiển đầu chỉ trục A bám chính xác theo phôi trên trục B trong vùng hành trình đồng bộ 400 mm.
  • Kiểm chứng đa dạng thông số: Đã thử nghiệm và kiểm chứng tính đáp ứng của hệ thống trên các tỷ số hộp số ảo khác nhau ($12:21$, $1:1$, $5000:9015$), đảm bảo cơ cấu vận hành ổn định, không xảy ra xung đột cơ khí và đáp ứng tốt thuật toán về gốc Proximity Dog Method.

2. Đóng góp của đề tài

  • Làm rõ quy trình thiết kế, tính toán giải tích và xây dựng hệ thống chuyển động đồng bộ 2 trục master - slave sử dụng nền tảng thiết bị công nghiệp chuẩn mực của Mitsubishi.
  • Cung cấp phương pháp chi tiết về cấu hình module chuyển động chuyên dụng QD77MS2, thiết lập tham số hộp số ảo và dữ liệu Cam điện tử, làm tài liệu mẫu cho các ứng dụng tự động hóa yêu cầu bám vết phôi chuyển động trên băng tải.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

1. Hạn chế

  • Giới hạn ứng dụng thực tế trên mô hình: Hệ thống dừng lại ở mức độ mô hình hóa với trục A mang đầu chỉ kiểm tra mô phỏng bám theo phôi nhựa kích thước $5 \times 10 \times 7\text{ mm}$, chưa tích hợp trực tiếp các cơ cấu chấp hành công nghiệp nặng (như cụm dao cắt nhiệt, đầu đột dập hoặc camera công nghiệp xử lý ảnh).
  • Phạm vi khảo sát động học: Các bài kiểm nghiệm thực nghiệm chủ yếu tập trung vào tính đáp ứng của tỷ số truyền và quỹ đạo Cam tại một số dải vận tốc cố định, chưa có các thiết bị đo lường chuyên dụng để trích xuất biểu đồ sai số động học theo thời gian thực (Dynamic error tracking).

2. Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp cơ cấu công nghệ thực tế: Gắn cụm dao cắt đồng bộ (máy cắt bay/cắt lia) hoặc tích hợp hệ thống camera xử lý ảnh (Machine Vision) trên trục A để kiểm tra sản phẩm trực tiếp khi băng chuyền đang chuyển động liên tục.
  • Mở rộng quy mô điều khiển đa trục: Phát triển thuật toán và cấu hình điều khiển đồng bộ cho hệ thống phức tạp từ 3 trục trở lên (đồng bộ 3D).
  • Nâng cấp thuật toán bù sai số: Bổ sung thuật toán tự động bù sai số trượt của dây đai và biến động tải trọng để tăng cường độ chính xác cho hệ thống khi hoạt động ở dải vận tốc cao.

Giá trị tham khảo

Tài liệu đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn thiết thực cho các nhóm đối tượng sau:

  • Sinh viên và học viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa: Là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tính toán cơ khí tích hợp (vít-me bi, puly - dây đai) và quy trình thiết kế tủ điện điều khiển Servo công nghiệp.
  • Kỹ sư phát triển ứng dụng điều khiển chuyển động (Motion Control): Cung cấp tài liệu hướng dẫn từng bước cấu hình module Motion QD77MS2 trên phần mềm GX Works2, phương pháp khai báo mạng cáp quang SSCNET III và kỹ thuật lập bảng dữ liệu Cam điện tử (Electronic Cam).
  • Người nghiên cứu các cơ cấu máy cắt lia (Flying Shear) hoặc hệ thống cấp phôi đồng bộ: Nắm bắt được phương pháp toán học quy đổi tỷ số truyền hộp số ảo ($G = d_A / d_B$) và phân chia các giai đoạn góc pha trong chu trình bám đuổi - đồng bộ - hồi vị.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại lựa chọn giao thức mạng SSCNET III thay vì phương pháp phát xung truyền thống (Pulse-Train)?

Phương pháp phát xung truyền thống bị giới hạn về tần số phát xung tối đa khi điều khiển ở tốc độ cao, đồng thời đường truyền tín hiệu dây đồng dễ bị suy hao điện áp và dễ bị nhiễu điện từ trong môi trường công nghiệp. Mạng SSCNET III sử dụng cáp quang tốc độ cao (50 Mbps) với chu kỳ giao tiếp lệnh chỉ 0,44 ms, giúp truyền nhận dữ liệu điều khiển vị trí tuyệt đối chính xác, không bị nhiễu và hỗ trợ điều khiển đồng bộ mượt mà giữa PLC và nhiều Servo Driver.

2. Tỷ số hộp số ảo $G = 12/21$ giữa trục A và trục B được tính toán dựa trên các thông số cơ khí nào?

Tỷ số hộp số ảo $G$ được xác định dựa trên tỷ lệ quãng đường di chuyển của hai trục sau một vòng quay động cơ:

  • Trục A sử dụng vít-me có bước ren $d_A = 12\text{ mm/vòng}$.
  • Trục B sử dụng puly đường kính $d_1 = 60\text{ mm}$ qua hộp giảm tốc $1/9$, quãng đường tương ứng là $d_B = (1/9) \times \pi \times 60 \approx 21\text{ mm/vòng}$. Do đó, tỷ số truyền hình học để đồng bộ tốc độ là $G = d_A / d_B = 12/21$.

3. Chu trình hoạt động của đĩa Cam điện tử được phân bổ theo các góc pha như thế nào trong hành trình 400 mm?

Bảng dữ liệu Cam được chia làm 4 giai đoạn trên chu kỳ $360^\circ$:

  • $0^\circ - 40^\circ$: Trục A ở vị trí $0\text{ mm}$ chờ phôi.
  • $40^\circ - 72^\circ$: Trục A chạy đuổi nhanh đến vị trí 144 mm (36% hành trình).
  • $72^\circ - 200^\circ$: Trục A khóa đồng bộ vận tốc và vị trí cùng trục B từ 144 mm đến 400 mm (100% hành trình).
  • $200^\circ - 360^\circ$: Trục A hồi vị nhanh về điểm gốc $0\text{ mm}$.

4. Hệ thống sử dụng phương pháp nào để xác định điểm gốc máy (Home Position) cho trục vít-me?

Hệ thống sử dụng phương pháp Proximity Dog Method. Trong phương pháp này, trục tịnh tiến di chuyển về phía công tắc tiệm cận giới hạn với tốc độ cài đặt; khi công tắc được kích hoạt (chuyển trạng thái On), bộ điều khiển sẽ giảm tốc độ và dò tìm điểm xung Z chuẩn (Zero phase pulse) của encoder động cơ Servo để xác lập tọa độ gốc chính xác tuyệt đối.

5. Cấu hình phần cứng chính của hệ thống gồm những thiết bị cụ thể nào?

Hệ thống bao gồm bộ vi xử lý PLC Mitsubishi Q00UCPU, module điều khiển chuyển động 2 trục QD77MS2, 02 bộ điều khiển Servo MR-J3-10B, 02 động cơ AC Servo HG-KR13 (công suất 100 W), cụm vít-me đai ốc bi VLA-ST-60-12-0700 (trục A) và bộ truyền động puly - dây đai puly 60 mm (trục B).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế cơ khí và tích hợp hệ thống điều khiển đồng bộ 2 trục vị trí - tốc độ dựa trên nền tảng PLC Mitsubishi Q00UCPU và Module Motion QD77MS2. Mô hình vật lý được chế tạo vững chắc, vận hành ổn định trên mạng truyền thông cáp quang SSCNET III kết hợp giải pháp điều khiển Cam điện tử trong phạm vi hành trình 400 mm. Kết quả thử nghiệm đã chứng minh tính đúng đắn của phương pháp tính toán tỷ số truyền ảo và cung cấp nền tảng kỹ thuật tin cậy để mở rộng ứng dụng cho các dây chuyền cắt phôi tự động hoặc kiểm tra sản phẩm trên băng chuyền công nghiệp.