Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong hơn ba thập kỷ thực hiện công nghiệp hóa và hiện đại hóa, Việt Nam đã có những chuyển biến rõ rệt về cơ cấu kinh tế. Đến năm 2020, tỷ trọng công nghiệp chiếm khoảng 40–41% GDP, dịch vụ chiếm 42–43% và nông nghiệp chiếm 16–17%; tỷ trọng lao động công nghiệp và dịch vụ đạt 50%. Tuy nhiên, lực lượng lao động kỹ thuật cao có khả năng làm chủ công nghệ điều khiển phức tạp vẫn còn chiếm tỷ lệ khiêm tốn. Trong thực tế sản xuất, nhiều hệ thống rô bốt công nghiệp sau một thời gian vận hành bị hư hỏng hoặc lỗi thời phần điều khiển điện tử, trong khi phần cơ khí chính xác vẫn hoạt động tốt, dẫn đến tình trạng lãng phí trang thiết bị. Bên cạnh đó, các cơ sở đào tạo đại học chuyên ngành Cơ điện tử và Tự động hóa còn hạn chế về trang thiết bị thực hành công nghiệp cao cấp.

Đề tài "Phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển cho rô bốt công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q" được thực hiện nhằm giải quyết các nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể sau:

  1. Thiết kế và tích hợp hệ thống điều khiển phần cứng: Lựa chọn thiết bị điều khiển, thiết bị truyền động, thiết bị bảo vệ và thiết lập mạng truyền thông công nghiệp giữa máy tính với PLC và giữa PLC với các bộ điều khiển động cơ.
  2. Thiết kế phần mềm điều khiển trên máy tính sử dụng ngôn ngữ C# (nền tảng Windows Forms), giao tiếp với PLC qua gói phần mềm trung gian.
  3. Lập trình điều khiển trên PLC Mitsubishi dòng Q bằng phần mềm GX Works2, thực hiện các chế độ vận hành độc lập từng trục (JOG), tự động tìm gốc (Homing), chạy về gốc tốc độ cao và điều khiển nội suy nhiều trục (nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn) theo quỹ đạo định trước.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình rô bốt công nghiệp cấu hình Cartesian 3 bậc tự do tịnh tiến (3 trục X, Y, Z), tải trọng làm việc 1 kg.
  • Cơ cấu truyền động và dẫn hướng: Kết hợp giữa bộ truyền vít me – đai ốc bi, bộ truyền đai răng và hệ thống ray dẫn hướng thanh trượt vuông.
  • Không gian làm việc: Hành trình chuyển động tối đa của trục X là 380 mm, trục Y là 280 mm, trục Z là 90 mm.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đồ án được triển khai thực nghiệm tại Phòng 212 nhà T, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội, trong khoảng thời gian từ ngày 01/04/2023 đến ngày 30/07/2023.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án kết hợp giữa phương pháp mô hình hóa toán học, thiết kế kỹ thuật và kiểm nghiệm thực nghiệm trên mô hình vật lý:

  • Khung lý thuyết động học: Sử dụng phương pháp Denavit – Hartenberg (D-H) để thiết lập hệ tọa độ cho từng khâu của rô bốt 3 bậc tự do tịnh tiến. Xây dựng ma trận biến đổi thuần nhất $A_i^{i-1}$ và ma trận chuyển đổi tổng quát $T_3^0$ nhằm giải quyết bài toán động học thuận và động học ngược, xác định mối quan hệ giải tích trực tiếp giữa tọa độ điểm tác động cuối $(x, y, z)$ và biến khớp $(a_1, a_2, d_3)$.
  • Khung lý thuyết động lực học: Ứng dụng phương trình vi phân Lagrange loại II ở dạng ma trận tổng quát: $$M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + G(q) = Q$$ Trong đó, nhóm tác giả phân tích ma trận khối lượng $M(q)$, ma trận Coriolis $C(q, \dot{q})$ và ma trận trọng lượng $G(q)$ thông qua các ma trận Jacobi tịnh tiến ($J_T$), Jacobi quay ($J_R$) và ma trận mô men quán tính khối của từng khâu.
  • Phương pháp quy hoạch quỹ đạo: Sử dụng đa thức bậc 3 để thiết lập luật chuyển động trơn tru trong không gian thao tác, đảm bảo tính liên tục của vận tốc và thỏa mãn các điều kiện biên về vị trí và vận tốc triệt tiêu tại thời điểm bắt đầu và kết thúc chuyển động.
  • Phương pháp thiết kế và phát triển hệ thống:
    • Thiết kế cơ khí: Sử dụng phần mềm SolidWorks để xây dựng mô hình 3D hoàn chỉnh của hệ thống khung giàn 3 trục.
    • Mô phỏng toán học: Sử dụng phần mềm MATLAB để tính toán quỹ đạo và vẽ đồ thị biến thiên của các biến khớp theo thời gian.
    • Lập trình điều khiển: Sử dụng phần mềm GX Works2 để cấu hình tham số, nạp bảng thanh ghi ô nhớ cho mô-đun điều khiển chuyển động vị trí QD75MH4.
    • Lập trình giao diện máy tính: Sử dụng Microsoft Visual Studio 2022 (ngôn ngữ C#, Windows Forms), tích hợp thư viện điều khiển ActiveX MITSUBISHI ActUtlType Controls Ver 1 thông qua phần mềm trung gian MX Component.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thông số kỹ thuật chuẩn của các dòng PLC Mitsubishi Q-series, mô-đun định vị QD75MH4, chuẩn giao tiếp mạng cáp quang SSCNET III/H; dữ liệu thực nghiệm đo đạc độ chính xác vị trí và phân tích sai lệch chuyển động bằng đồng hồ so cơ khí.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển được thiết kế theo cấu trúc điều khiển phân tầng, kết nối đồng bộ giữa phần mềm quản lý trên máy tính, bộ điều khiển logic khả trình và các cơ cấu chấp hành công nghiệp:

Thành phần hệ thống Thiết bị / Công nghệ triển khai Thông số kỹ thuật / Đặc tính chức năng
Bộ xử lý trung tâm CPU Mitsubishi Q02HCPU Tốc độ xử lý lệnh cơ bản 34 ns; bộ nhớ chương trình 28k steps (112k bytes); quản lý 4.096 I/O thực tế (8.192 I/O chương trình); 2.048 Timer; 1.024 Counter; giao tiếp máy tính qua cổng USB và RS-232.
Mô-đun điều khiển vị trí Mitsubishi QD75MH4 Điều khiển tối đa 4 trục chuyển động; hỗ trợ phát xung, điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ, chạy nội suy tuyến tính và cung tròn; cấu hình tham số trực tiếp trên bộ nhớ đệm Buffer Memory.
Mạng truyền thông chấp hành Mạng cáp quang SSCNET III/H Tốc độ truyền thông 150 Mbps; chu kỳ giao tiếp gửi/nhận 0,88 ms (hỗ trợ tối đa 16 trục) và 0,22 ms (hệ 4 trục); chống nhiễu quang học hoàn toàn; quản lý hệ tọa độ tuyệt đối của động cơ servo.
Bộ truyền động AC Servo Driver và Motor Mitsubishi Nhận lệnh điều khiển vị trí trực tiếp từ QD75MH4 qua đường cáp quang SSCNET; phản hồi chính xác vị trí khâu chấp hành.
Thiết bị phụ trợ tủ điện Nguồn 24V, MCB 2 cực, Rơ-le trung gian, Nút dừng khẩn CRE-25R1R, Cảm biến tiệm cận Cung cấp nguồn 24VDC ổn định; bảo vệ quá tải, ngắn mạch; ngắt khẩn cấp phần cứng; cảm biến từ trường xác định giới hạn hành trình và vị trí gốc máy.
Phần mềm máy tính (Host PC) C# (.NET Framework, Windows Forms) Giao diện điều khiển giám sát: Bật/Tắt hệ thống, JOG từng trục, Homing, cài đặt tọa độ nội suy, hiển thị đồ họa quỹ đạo thời gian thực, mở/lưu tệp tọa độ gia công.
Thư viện truyền thông Mitsubishi MX Component Module thư viện ActUtlType Controls Ver 1 cho phép chương trình C# đọc/ghi dữ liệu trực tiếp vào các thanh ghi bit/word của PLC qua kết nối USB.

Quy trình triển khai và kiểm thử hệ thống được thực hiện qua các bước:

  1. Cấu hình phần cứng trên GX Works2: Khai báo mã hiệu mô-đun base, nạp địa chỉ I/O của CPU Q02HCPU và mô-đun QD75MH4; thiết lập thông số Parameter (giới hạn hành trình mềm, tốc độ tối đa, thời gian tăng/giảm tốc, phương pháp Homing, tỷ số truyền cơ khí).
  2. Lập trình khối chức năng PLC: Xây dựng khối lệnh điều khiển chế độ JOG, khối lệnh chạy về gốc tọa độ máy (Homing) và về gốc nhanh, khối lệnh thiết lập dữ liệu bảng điểm để chạy nội suy 2D/3D (đường thẳng, cung tròn).
  3. Kết nối phần mềm C# qua MX Component: Cấu hình trạm kết nối logical station, kiểm tra bắt tay thành công (Connection Test) qua cổng USB; ánh xạ các nút nhấn giao diện tới các bit nhớ $M$ và thanh ghi dữ liệu $D$ trong PLC.
  4. Kiểm nghiệm chức năng trên mô hình: Tiến hành kiểm tra vận hành thử không tải, kiểm tra cơ chế ngắt an toàn của nút dừng khẩn cấp và cảm biến giới hạn, kiểm tra quỹ đạo chuyển động thực tế bằng bút vẽ gắn tại đầu tác động cuối.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1. Lý do lựa chọn đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về vai trò của công nghiệp hóa – hiện đại hóa tại Việt Nam và tính cấp thiết của việc đào tạo nguồn nhân lực kỹ thuật cao, đáp ứng nhu cầu tự động hóa sản xuất. Tác giả phân tích thực trạng các cơ sở sản xuất có nhiều hệ thống cơ khí còn sử dụng tốt nhưng hỏng hóc hệ thống điều khiển, từ đó đề xuất giải pháp phát triển hệ điều khiển dùng PLC dòng Q nhằm phục hồi và làm chủ công nghệ.

Chương này cũng phân loại các dòng rô bốt công nghiệp phổ biến:

  • Rô bốt SCARA: Cấu tạo gồm 2 khớp quay và 1 khớp tịnh tiến song song, có ưu điểm tốc độ cao, độ lặp lại tốt, phù hợp trong lắp ráp linh kiện và hàn cơ khí trong phạm vi hẹp.
  • Rô bốt 6 bậc tự do: Cấu hình 6 trục quay linh hoạt, cho phép thực hiện các thao tác không gian phức tạp như hàn khung ô tô, bốc xếp, phay, cắt tia nước, đánh bóng.
  • Rô bốt tuyến tính (Cartesian Robot): Cấu tạo từ các khâu tịnh tiến liên kết dạng chuỗi hở theo hệ trục tọa độ Descartes. Nhóm tác giả phân tích chi tiết ứng dụng của rô bốt Cartesian trong hệ thống gắp phân loại trên băng chuyền, đóng gói chuyển hàng, máy gia công CNC, hàn điểm chính xác và các hệ thống bôi keo/chất bịt kín tự động.

CHƯƠNG 2. HỆ THỐNG CƠ KHÍ

Chương 2 tập trung phân tích kết cấu cơ khí, thiết kế mô hình 3D và xây dựng mô hình toán học cho rô bốt 3 bậc tự do:

  • Phân tích cơ cấu truyền động: So sánh giữa vít me – đai ốc trượt và vít me – đai ốc bi (hiệu suất đạt từ 90–95%, ma sát lăn không phụ thuộc vận tốc, khử được khe hở qua đai ốc kép); phân tích bộ truyền đai răng (làm việc theo nguyên lý ăn khớp, dây đai có sợi thép bện chịu tải bọc cao su/chất dẻo, vận hành êm, truyền động khoảng cách trục xa); phân tích hệ thống dẫn hướng thanh trượt vuông với ưu điểm độ cứng vững cao và chịu tải lớn.
  • Kích thước thiết kế trên SolidWorks:
    • Trục X: Kích thước $900 \times 130 \times 80\text{ mm}$ (chưa tính đế đỡ).
    • Trục Y: Kích thước $700 \times 80 \times 85\text{ mm}$ (chưa tính chi tiết hỗ trợ).
    • Trục Z: Kích thước $350 \times 130 \times 55\text{ mm}$ (chưa tính chi tiết hỗ trợ).
  • Tính toán động học thuận và ngược: Thiết lập bảng thông số D-H cho 3 khâu tịnh tiến:
    • Khâu 1: $\theta_1 = 0$, $d_1 = -m$, $a_1 = a_1 - a_3$, $\alpha_1 = 0$.
    • Khâu 2: $\theta_2 = \pi/2$, $d_2 = 0$, $a_2 = a_2$, $\alpha_2 = 0$.
    • Khâu 3: $\theta_3 = -\pi/2$, $d_3 = d_3 + m$, $a_3 = a_3$, $\alpha_3 = 0$.
    • Tọa độ điểm tác động cuối: $x = a_1$, $y = a_2$, $z = d_3$. Từ đó suy ra hệ phương trình động học ngược đồng nhất: $a_1 = x$, $a_2 = y$, $d_3 = z$.
  • Tính toán động lực học: Thiết lập phương trình vi phân chuyển động theo phương pháp Lagrange II. Do cấu trúc 3 trục tịnh tiến trực giao và đối xứng qua các mặt phẳng tọa độ ($I_{xy}=I_{xz}=I_{yz}=0$), ma trận khối lượng thu được là ma trận đường chéo hằng số: $$M(q) = \begin{bmatrix} m_1 + m_2 + m_3 & 0 & 0 \ 0 & m_2 + m_3 & 0 \ 0 & 0 & m_3 \end{bmatrix}$$ Vì ma trận khối lượng là hằng số nên ma trận Coriolis triệt tiêu hoàn toàn: $C(q, \dot{q}) = 0$. Ma trận trọng lực tác động lên trục Z có dạng: $$G(q) = \begin{bmatrix} 0 \ 0 \ -m_3 g \end{bmatrix}$$ Lực điều khiển suy rộng tại các khớp được xác định: $$\begin{cases} \tau_1 = (m_1 + m_2 + m_3)\ddot{a}_1 \ \tau_2 = (m_2 + m_3)\ddot{a}_2 \ \tau_3 = m_3\ddot{d}_3 - m_3 g \end{cases}$$
  • Quy hoạch quỹ đạo: Giải bài toán di chuyển điểm tác động cuối từ $A(50, 60, 40)\text{ mm}$ đến $B(150, 100, 80)\text{ mm}$ trong thời gian 5 giây bằng đa thức bậc 3. Xác định quy luật vị trí biến khớp: $a_1(t) = 50 + 12t^2 - 1.6t^3$, $a_2(t) = 60 + 4.8t^2 - 0.64t^3$, $d_3(t) = 40 + 4.8t^2 - 0.64t^3$. Nhóm tác giả sử dụng MATLAB mô phỏng đồ thị vận tốc, vị trí và quỹ đạo không gian của điểm tác động cuối.

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

Chương 3 trình bày cơ sở lựa chọn và tích hợp các thiết bị điện – điều khiển công nghiệp:

  • Lựa chọn bộ điều khiển: Khảo sát các dòng PLC Mitsubishi (FX, L, Q, iQ-F, iQ-R) và quyết định chọn dòng Q với CPU Q02HCPU nhờ khả năng xử lý tốc độ cao 34 ns/lệnh, hỗ trợ kiến trúc đa bộ xử lý và quản lý dung lượng chương trình lớn (28k steps).
  • Lựa chọn mô-đun điều khiển vị trí: Sử dụng mô-đun QD75MH4 hỗ trợ 4 trục servo đồng bộ qua mạng truyền thông SSCNET III.
  • Lựa chọn chuẩn truyền thông SSCNET III/H: Kết nối bằng cáp quang, tốc độ 150 Mbps, chu kỳ quét $0,22\text{ ms}$ cho 4 trục, khả năng chống nhiễu điện từ tuyệt đối và lưu giữ hệ tọa độ tuyệt đối mà không cần thiết lập lại khi mất điện.
  • Lựa chọn khí cụ và thiết bị phụ trợ: Bộ nguồn tổ ong 24VDC, Aptomat MCB 2 cực bảo vệ ngắn mạch, nút dừng khẩn cấp CRE-25R1R, rơ-le trung gian và cảm biến tiệm cận từ trường. Bản vẽ bố trí vị trí thiết bị trong tủ điện và sơ đồ đi dây mạch động lực, mạch điều khiển được xây dựng chi tiết.

CHƯƠNG 4. THIẾT KẾ GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 trình bày cấu trúc phần mềm điều khiển và giải thuật lập trình:

  • Lập trình trên GX Works2:
    • Cấu hình khai báo mô-đun phần cứng trên thanh Base và nạp dải địa chỉ I/O.
    • Cấu hình tham số Parameter cho mô-đun QD75MH4: đơn vị điều khiển, số xung trên một vòng quay, cự ly di chuyển mỗi vòng, giới hạn phần mềm, tốc độ JOG, phương pháp Homing.
    • Lập trình các đoạn lệnh điều khiển chạy độc lập 3 trục, chương trình tìm gốc (Homing), chạy về Home nhanh tốc độ cao, chương trình ghi dữ liệu vùng nhớ để thực hiện nội suy đường thẳng và cung tròn.
  • Cấu hình giao tiếp qua MX Component: Cài đặt phần mềm, thiết lập kết nối Logical Station, liên kết thư viện điều khiển MITSUBISHI ActUtlType Controls Ver 1 vào dự án Visual Studio 2022.
  • Xây dựng giao diện điều khiển bằng Windows Forms (C#):
    • Khối hiển thị thời gian thực và trạng thái kết nối PLC (Connect/Disconnect).
    • Khối chức năng bật/tắt hệ thống (ON/OFF) và nút ngắt dừng khẩn cấp (Emergency Stop).
    • Khối điều khiển thủ công (Manual / JOG): các nút điều khiển chạy tiến/lùi độc lập từng trục X, Y, Z và ô nhập giá trị tốc độ chạy.
    • Khối giám sát tọa độ: hiển thị giá trị vị trí hiện tại của điểm tác động cuối.
    • Khối chức năng Homing: tìm tọa độ máy khi khởi động và chức năng về Home nhanh.
    • Khối chạy nội suy: bảng nhập tọa độ điểm đích, bán kính cung tròn, cao độ trục Z khi nâng/hạ đầu công tác, nút kích hoạt chạy nội suy đường thẳng và cung tròn.
    • Khối đồ họa và quản lý tệp: khung mô phỏng trực quan quỹ đạo chuyển động, chức năng xóa/làm mới màn hình, chức năng mở và lưu file chương trình gia công.
    • Đóng gói phần mềm hoàn chỉnh thành tệp thực thi.

CHƯƠNG 5. ĐÁNH GIÁ, KIỂM NGHIỆM KẾT QUẢ THỰC TẾ

Chương 5 trình bày quá trình thực nghiệm và kiểm tra độ chính xác của hệ thống:

  • Thực nghiệm chuyển động trên bàn vẽ: Hệ thống rô bốt thực hiện các bài thử nghiệm vẽ các đường thẳng nối tiếp, cung tròn và tập hợp các chữ cái theo quỹ đạo thiết kế định trước.
  • Kiểm tra sai số vị trí: Sử dụng đồng hồ so cơ khí để đo đạc độ lặp lại và sai số vị trí tại các mốc tọa độ của từng trục.
  • Đánh giá kết quả: Xây dựng biểu đồ biến thiên sai số của các trục theo thời gian và biểu đồ phân tán sai lệch theo vận tốc chuyển động, xác nhận tính ổn định của hệ thống trong vùng vận tốc làm việc thấp và trung bình.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể được ghi nhận trong văn bản:

  • Thiết kế, chế tạo hoàn chỉnh mô hình rô bốt Cartesian 3 bậc tự do với thông số hành trình làm việc thực tế: trục X đạt $380\text{ mm}$, trục Y đạt $280\text{ mm}$, trục Z đạt $90\text{ mm}$, tải trọng làm việc $1\text{ kg}$.
  • Xây dựng tủ điều khiển công nghiệp tích hợp bộ điều khiển PLC Mitsubishi dòng Q (CPU Q02HCPU), mô-đun điều khiển vị trí QD75MH4 kết nối 4 động cơ AC Servo qua mạng cáp quang SSCNET III/H với tốc độ truyền thông $150\text{ Mbps}$.
  • Xây dựng thành công phần mềm giao diện điều khiển trên máy tính bằng ngôn ngữ C# (Windows Forms), kết nối thông suốt với PLC qua MX Component, đáp ứng đầy đủ các chế độ: JOG, Homing, về Home nhanh, chạy nội suy đường thẳng, nội suy cung tròn, mô phỏng đồ họa quỹ đạo và quản lý tệp tọa độ.
  • Giải quyết bài toán động học thuận/ngược, bài toán động lực học bằng phương pháp Lagrange II và quy hoạch quỹ đạo chuyển động trơn tru bằng đa thức bậc 3.
  • Thực nghiệm chạy vẽ quỹ đạo chữ và hình học trên bàn vẽ thực tế đạt độ ổn định cao, kiểm chứng độ chính xác vị trí bằng đồng hồ so.

Về mặt đóng góp so với các nghiên cứu và ứng dụng trước:

  • Tác giả đã làm chủ quy trình cấu hình và lập trình bộ điều khiển PLC Mitsubishi dòng Q cỡ lớn cùng mô-đun chuyên dụng QD75MH4, vốn là dòng thiết bị phức tạp thường chỉ ứng dụng trong công nghiệp quy mô lớn.
  • Đề xuất và hiện thực hóa giải pháp phục hồi hệ thống điều khiển cho các cơ cấu rô bốt công nghiệp cũ còn sử dụng tốt phần cơ khí bằng cấu trúc điều khiển hiện đại qua mạng cáp quang SSCNET III/H, giúp tiết kiệm chi phí đầu tư thiết bị.
  • Kết hợp đồng bộ giữa phần mềm giao diện trên nền tảng PC với chương trình điều khiển thời gian thực trên PLC, tạo nền tảng linh hoạt cho việc mở rộng các tính năng gia công hoặc giảng dạy kỹ thuật.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung đánh giá của Giáo viên hướng dẫn (TS. Dương Văn Lạc), Giáo viên phản biện (Nguyễn Xuân Hạ) và phần tự đánh giá của nhóm tác giả:

  • Hạn chế của đồ án:

    • Cấu hình rô bốt 3 bậc tự do tịnh tiến dạng Cartesian còn tương đối đơn giản so với các cấu hình rô bốt nhiều bậc tự do không gian (như cánh tay máy 6 bậc tự do).
    • Chưa giải quyết trọn vẹn bài toán động lực học thời gian thực có tính đến các yếu tố phi tuyến như lực ma sát trượt, ma sát nhớt tại các khâu dẫn động; do đó hệ thống mới chỉ vận hành ổn định và chính xác ở dải vận tốc thấp.
    • Giao diện điều khiển trên máy tính vẫn còn một số điểm hạn chế về trải nghiệm người dùng và chương trình điều khiển PLC cần được tối ưu hóa sâu hơn về mặt thuật toán.

  • Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

    • Mở rộng thuật toán điều khiển sang các cấu hình rô bốt có số bậc tự do lớn hơn thông qua việc nâng cấp sử dụng mô-đun điều khiển chuyển động nhiều trục hơn như Mitsubishi QD77MS16 (điều khiển tối đa 16 trục qua SSCNET III/H).
    • Nghiên cứu tích hợp các giải thuật bù ma sát và động lực học nâng cao vào thuật toán điều khiển để rô bốt có thể vận hành chính xác ở dải tốc độ cao.
    • Tối ưu hóa giao diện phần mềm C# và hoàn thiện mô hình phục vụ công tác đào tạo thực hành các học phần Cơ điện tử, Robot công nghiệp, hoặc ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất thực tế (gắp đặt linh kiện, lắp ráp tự động, máy phun keo, máy cắt laser).

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

  • Sinh viên và học viên cao học các ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ kỹ thuật đang thực hiện đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án nghiên cứu về rô bốt công nghiệp và điều khiển chuyển động (Motion Control).
  • Kỹ sư thiết kế và tích hợp hệ thống tự động hóa trong công nghiệp có nhu cầu tìm hiểu phương pháp cấu hình, lập trình mô-đun điều khiển vị trí dòng QD75/QD77 của Mitsubishi, chuẩn truyền thông cáp quang SSCNET III/H, và giải pháp kết nối PC với PLC qua thư viện MX Component.

Các nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu nhất trong tài liệu bao gồm:

  1. Quy trình thiết lập ma trận D-H, ma trận Jacobi, phương trình động lực học Lagrange II cho mô hình 3 trục tịnh tiến.
  2. Bảng cấu hình chi tiết thông số Parameter và bản đồ ô nhớ (Buffer Memory) của mô-đun QD75MH4 trên GX Works2.
  3. Phương pháp lập trình giao tiếp giữa ứng dụng C# (.NET) và PLC Mitsubishi sử dụng thư viện MITSUBISHI ActUtlType Controls Ver 1 trong MX Component.

Câu hỏi thường gặp

1. Không gian làm việc và tải trọng thiết kế của mô hình rô bốt trong đồ án là bao nhiêu?
Rô bốt được thiết kế với tải trọng làm việc là 1 kg. Không gian làm việc gồm hành trình tối đa của trục X là 380 mm, trục Y là 280 mm và trục Z là 90 mm. Kích thước cơ cấu khung trên bản vẽ 3D lần lượt là $900 \times 130 \times 80\text{ mm}$ (trục X), $700 \times 80 \times 85\text{ mm}$ (trục Y) và $350 \times 130 \times 55\text{ mm}$ (trục Z).

2. Tại sao trong phương trình động lực học của đồ án ma trận Coriolis lại bằng 0?
Do rô bốt sử dụng cấu trúc 3 khớp tịnh tiến trực giao độc lập theo hệ trục Descartes, ma trận khối lượng $M(q)$ của hệ thống là ma trận đường chéo với các phần tử là các hằng số khối lượng đo được ($m_1 + m_2 + m_3$, $m_2 + m_3$, $m_3$). Vì ma trận khối lượng không phụ thuộc vào tọa độ suy rộng $q$ nên đạo hàm riêng của các phần tử ma trận khối lượng theo $q$ đều triệt tiêu, dẫn đến tất cả các hệ số trong ma trận Coriolis $C(q, \dot{q})$ đều bằng 0.

3. Hệ thống sử dụng chuẩn truyền thông nào để liên kết giữa PLC và các động cơ Servo?
Hệ thống sử dụng mô-đun điều khiển vị trí Mitsubishi QD75MH4 kết nối với các driver AC Servo qua mạng cáp quang SSCNET III/H. Chuẩn truyền thông này có tốc độ truyền dữ liệu 150 Mbps, chu kỳ giao tiếp gửi/nhận 0,88 ms (hoặc 0,22 ms cho hệ 4 trục), có khả năng chống nhiễu quang học và hỗ trợ kiểm soát, ghi nhớ tọa độ tuyệt đối của các trục.

4. Phần mềm trên máy tính giao tiếp với PLC Mitsubishi Q qua công cụ trung gian nào?
Ứng dụng giao diện máy tính được lập trình bằng ngôn ngữ C# trên Visual Studio 2022, kết nối với PLC Q02HCPU qua cổng USB bằng phần mềm trung gian Mitsubishi MX Component, thông qua việc nhúng thư viện điều khiển ActiveX MITSUBISHI ActUtlType Controls Ver 1.

5. Vì sao rô bốt trong đồ án chỉ vận hành ổn định ở tốc độ thấp theo nhận xét của giáo viên phản biện?
Theo nhận xét của giáo viên phản biện (Nguyễn Xuân Hạ), mô hình điều khiển của đồ án chưa giải quyết bài toán động lực học đầy đủ trong thời gian thực (đang coi là mô hình lý tưởng, bỏ qua các thành phần ma sát và lực cản nhớt phi tuyến), do đó hệ thống chỉ đảm bảo độ chính xác và ổn định khi vận hành ở dải tốc độ thấp.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Phát triển phần mềm và hệ thống điều khiển cho rô bốt công nghiệp sử dụng PLC Mitsubishi Q" đã hoàn thành trọn vẹn việc thiết kế mô hình cơ khí 3 trục Cartesian và xây dựng hệ thống điều khiển công nghiệp sử dụng CPU Q02HCPU cùng mô-đun QD75MH4 qua mạng cáp quang SSCNET III/H. Nhóm tác giả đã tích hợp thành công phần mềm giao diện máy tính bằng C# qua MX Component, cho phép thực hiện đầy đủ các chức năng vận hành JOG, tìm gốc máy và điều khiển nội suy quỹ đạo. Kết quả thực nghiệm đã kiểm chứng tính ổn định của hệ thống trên bàn vẽ, mở ra khả năng ứng dụng thực tế trong việc phục hồi các rô bốt công nghiệp cũ cũng như phục vụ công tác đào tạo kỹ thuật Cơ điện tử.