Tài liệu: Ứng dụng điều khiển robot scara gắp xếp sản phẩm

Chuyên khảo ứng dụng điều khiển robot scara gắp xếp sản phẩm phân tích chuyên sâu các khía cạnh quan trọng trong lĩnh vực hiện nay

• Tác giả: Trần Trọng Tín
• 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 Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng điều khiển robot SCARA gắp xếp sản phẩm
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Robot SCARA và ứng dụng gắp xếp sản phẩm

Robot SCARA (Selective Compliance Articulated Robot Arm) là một loại robot công nghiệp được thiết kế đặc biệt cho các công việc gắp xếp sản phẩm với độ chính xác cao. Robot này sở hữu 4 bậc tự do, cho phép thực hiện các chuyển động nhanh chóng và linh hoạt trong không gian làm việc hạn chế. Ứng dụng điều khiển robot SCARA đã trở thành giải pháp hiệu quả trong các ngành công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa sản xuất. Hệ thống này giúp tăng năng suất, giảm chi phí nhân công và cải thiện chất lượng sản phẩm. Việc tích hợp các bộ điều khiển lập trình tiên tiến như Mitsubishi Q04UDHCPU cùng với bộ điều khiển chuyển động Q172DSCPU tạo nên một hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh và đáng tin cậy.

1.1. Đặc điểm kỹ thuật của Robot SCARA G6 551S EPSON

Robot SCARA G6-551S từ hãng EPSON là một lựa chọn tối ưu cho công việc gắp xếp. Robot này sở hữu những đặc tính nổi bật như: không gian làm việc rộng, tải trọng chịu được, tốc độ hoạt động cao và độ lặp lại chính xác. Các thông số kỹ thuật được thiết kế để đáp ứng yêu cầu khắt khe của các ứng dụng công nghiệp hiện đại.

1.2. Vai trò của bộ điều khiển trong hệ thống

Bộ điều khiển Q04UDHCPU và bộ điều khiển chuyển động Q172DSCPU đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống. Chúng quản lý tất cả các hoạt động của robot, từ việc xử lý tín hiệu đầu vào đến điều khiển động cơ servo. Các driver MR-J3 và MR-J4 kết hợp với bộ điều khiển tạo nên một hệ thống tự động hóa mạnh mẽ.

II. Thành phần cấu thành hệ thống robot gắp xếp

Hệ thống robot SCARA gắp xếp sản phẩm được tạo thành từ nhiều thành phần quan trọng. Bộ phận cơ khí bao gồm bàn sắt làm khung chính, miếng nhôm đỡ robot, tủ điều khiển chứa các thiết bị điện tử. Ngoài ra còn có bàn xoay được tích hợp động cơ servo để đồng bộ chuyển động với robot, và giá đặt sản phẩm để chứa các sản phẩm cần xếp. Các động cơ servo được lắp trên các trục của robot, cung cấp lực và mô-men xoắn cần thiết. Tỉ số Gear hộp số giảm tốc được tính toán chính xác bằng phần mềm MR Configurator2 để đảm bảo hiệu suất tối ưu. Tủ điều khiển chứa bộ điều khiển lập trình, các module ngõ ra QY42P, và các driver động cơ được sắp xếp khoa học.

2.1. Bàn xoay và hệ thống cơ khí hỗ trợ

Bàn xoay được trang bị động cơ servo để thực hiện chuyển động quay đồng bộ với robot SCARA. Hệ thống cơ khí được thiết kế để chịu tải trọng của sản phẩm và đảm bảo độ ổn định cao. Khung bàn sắt được gia cố bằng miếng nhôm để tăng độ cứng.

2.2. Tủ điều khiển và các thiết bị điện tử

Tủ điều khiển là trái tim của hệ thống, chứa bộ điều khiển Q04UDHCPU, bộ điều khiển chuyển động Q172DSCPU, module ngõ ra, và các driver MR-J3-10B, MR-J3W-44B, MR-J4W-222B. Các thiết bị được sắp xếp logic, dễ bảo trì và sửa chữa.

III. Quy trình thiết kế chương trình điều khiển

Thiết kế chương trình điều khiển cho hệ thống robot SCARA gắp xếp là một quá trình phức tạp đòi hỏi kiến thức chuyên sâu. Trước tiên, cần xác định không gian làm việc của robot thông qua tính toán động học. Sử dụng phần mềm Matlab, các quỹ đạo chuyển động được mô phỏng chi tiết. Sau đó, các chương trình điều khiển được viết trên phần mềm GX Works2 cho bộ điều khiển lập trình và MT Developer2 cho bộ điều khiển chuyển động. Giao diện HMI được thiết kế trên GT Designer3 để dễ dàng vận hành và monitoring. Quy hoạch quỹ đạo đường tròn cho robot SCARA giúp thực hiện gắp xếp sản phẩm một cách trơn tru. Đồng bộ chuyển động với bàn xoay là yêu cầu kỹ thuật quan trọng để đảm bảo hiệu suất.

3.1. Tính toán động học và quy hoạch quỹ đạo

Tính toán động học xác định vị trí, vận tốc, gia tốc của từng khớp robot. Quy hoạch quỹ đạo đường tròn cho phép robot SCARA di chuyển mượt mà. Sử dụng Matlab để mô phỏng giúp phát hiện và khắc phục lỗi trước khi vận hành thực tế.

3.2. Lập trình và giao diện điều khiển HMI

Phần mềm GX Works2 được sử dụng để lập trình bộ điều khiển Q04UDHCPU. MT Developer2 dùng cho bộ điều khiển chuyển động Q172DSCPU. GT Designer3 tạo giao diện HMI thân thiện, giúp người vận hành dễ dàng điều khiển toàn hệ thống.

IV. Kết quả thực nghiệm và đánh giá hiệu suất hệ thống

Sau khi hoàn thành thiết kế và lắp ráp, hệ thống robot SCARA gắp xếp sản phẩm được thực nghiệm nhiều lần để đánh giá hiệu suất. Các kết quả ghi nhận cho thấy robot hoạt động ổn định, tốc độ di chuyển nhanh, và độ chính xác cao trong bài toán gắp xếp. Các tính toán sai số được so sánh giữa lý thuyết và thực tế. Hệ thống cho thấy đồng bộ chuyển động tốt giữa robot và bàn xoay. Video vận hành ghi lại toàn bộ quá trình hoạt động, từ bắt sản phẩm, di chuyển theo quỹ đạo đường tròn, cho đến xếp sản phẩm. Hiệu suất của bộ điều khiển và các động cơ servo được xác nhận là đáng tin cậy. Hệ thống đã đạt mục tiêu tự động hóa cao, giảm sai sót con người, tăng năng suất sản xuất.

4.1. Kết quả đo đạc và phân tích sai số

Các phép đo đạc trong thực nghiệm cho thấy độ chính xác định vị đạt yêu cầu. Sai số giữa vị trí mong muốn và vị trí thực tế rất nhỏ. Bộ điều khiển và động cơ servo phản ứng nhanh với các lệnh điều khiển.

4.2. Đánh giá tổng quát hiệu suất hệ thống

Hệ thống robot SCARA đã chứng minh hiệu quả trong ứng dụng gắp xếp sản phẩm. Đồng bộ chuyển động giữa robot và bàn xoay hoạt động liên tục mà không lỗi. Giao diện HMI dễ sử dụng, giúp tăng trải nghiệm người dùng.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan 2 Ở chương này đưa ra các vấn đề, lý do chọn đề tài, đưa ra mục tiêu nghiên cứu cũng như giới hạn đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết Trình bày lý thuyết về PLC, giới thiệu các dòng Q PLC, Servo Driver, ngôn ngữ lập trình SFC. Chương 3: Thiết kế và thi công hệ thống Trình bày các bước thi công phần cơ, phần điện, sơ đồ đấu nối, giới thiệu thiết bị sử dụng, tính toán động học, thuật toán gắp vật và giải thuật điều khiển. Chương 4: Giải thuật và vận hành hệ thống Kiểm chứng động học của Robot, giới thiệu giao diện điều khiển và chế độ điều khiển Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Đánh giá kết quả sau khi thực hiện đồ án, đưa ra những vấn đề còn tồn đọng và hướng phát triển Robot.

Giới hạn đề tài Gắp vật bằng nam châm điện nên chỉ gắp vật làm từ kim loại. Vì không sử dụng camera để phát hiện vật nên sản phẩm sẽ được đặt ở các vị trí được quy định sẵn trên bàn xoay Robot chỉ đang hoạt động trong môi trường lí tưởng, ít nhiễu, chưa đem vào môi trường công nghiệp để sử dụng. 3 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Tổng quan về PLC 2.

Giới thiệu về PLC Khái niệm: PLC (Programmable Logic Controller) còn có tên gọi khác là bộ điều khiển lập trình, là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển. PLC có thể coi là một máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp. Cấu tạo: PLC được cấu tạo bao gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm (CPU), khối ngõ vào (Module input, Analog input), khối ngõ ra (Module output, Analog output).

Cấu trúc cơ bản của PLC. 4 Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit) Là bộ não của PLC, quyết định tốc độ xử lý cũng như khả năng điều khiển chuyên biệt của PLC. Là nơi đọc các tín hiệu từ ngõ vào đồng thời xử lý cũng như xuất tín hiệu ra ngõ ra. Khối ngõ vào (Module Input): gồm hai loại: ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input) Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu dạng xung như: nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến tiệm cận… Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục như: cảm biến nhiệt độ, khoảng cách, độ ẩm.

Khối ra (Module Output): gồm hai loại: ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output) Ngõ ra DO kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo quy tắc On/Off như: đèn báo, chuông, van điện… Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính… Hình 2. Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC. Đặc điểm của PLC Ưu điểm: PLC có rất nhiều ưu điểm nổi bật so với các mạch điều khiển dạng tiếp điểm truyền thống, cụ thể là: 5 Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt. Muốn thay đổi yêu cầu hoạt động, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình bằng việc lập trình.

Tích hợp sẵn Timer, Counter bên trong, bên cạnh đó PLC còn hỗ trợ thêm các khối hàm có chức năng chuyên dụng: bộ phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao, bộ điều khiển PID… PLC có thể thay thế toàn bộ mạch điều khiển truyền thống sử dụng dây dẫn. Cấu trúc PLC dạng Module nên cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác. Người dùng có thể lựa chọn các loại Module tùy theo yêu cầu mà người dùng mong muốn để tiết kiệm về chi phí. Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác.

Khả năng chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp, tuổi thọ cao. Nhược điểm: Nhược điểm rất lớn của PLC là nằm ở giá thành. Việc giá thành khá cao so với mạch điều khiển tiếp điểm truyền thống đã gây cản trở việc PLC có thể tiếp cận được với các hệ thống đơn giản, yêu cầu về điều khiển là không nhiều nên khó có thể cạnh tranh với mạch điều khiển tiếp điểm truyền thống. Đòi hỏi phải có kiến thức cơ bản về lập trình PLC mới có thể điều khiển được.

Vai trò của PLC Với khả năng đa nhiệm thực hiện nhiều nhiệm vụ cùng một lúc, PLC đem lại năng suất và sản lượng rất lớn cho các ngành công nghiệp. Nó đóng một vai trò thiết yếu trong việc tự động hoá và gia tăng hiệu quả của các dây chuyền sản xuất. Hiện nay, trong các nhà máy dây chuyền công nghiệp, PLC đã thay thế hầu hết các hệ thống điều khiển sử dụng mạch điều khiển tiếp điểm truyền thống. Việc này giúp hệ thống hoạt động hiệu quả hơn, độ tin cậy cao hơn, tiết kiệm được nhân công và tránh được những thao tác sai lầm của người vận hành.

Tổng quan PLC dòng Q của Mitsubishi 2. Giới thiệu các sản phầm thuộc Q-Series: Phát triển lên từ dòng sản phẩm trước đó họ AnSH, họ Q PLC Mitsubishi cho phép người dùng phối hợp và lựa chọn sự kết hợp tốt nhất giữa CPU, công cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt và I/O trên cùng một nền tảng. Điều này cho phép người dùng cấu hình hệ thống theo những gì mình cần, khi nào 6 mình cần, nơi mình cần triển khai. Có thể phối hợp PLC CPU (cơ bản & nâng cao), Motion CPU, Process Controllers và ngay cả PC vào trong một hệ thống duy nhất lên đến 4 CPU khác nhau.

Điều này tạo cho người sử dụng sự chọn lựa hướng điều khiển, ngôn ngữ lập trình – tất cả cùng chung trên một nền tảng duy nhất. Tên thiết bị Mô tả Mẫu CPU Các tính năng, phương Mã CPU ứng dụng QnUCPU tổng pháp, thiết bị cho lập trình quát Mẫu QCPU cơ bản/ Qn(H)/QnPH/ Các tính năng, phương hiệu năng cao/ điều QnPRHCPU pháp, thiết bị cho lập trình khiển quy trình/ dự phòng Thông tin cho cấu hình hệ thống đa CPU (cấu hình Mẫu QCPU cơ bản/ hệ thống, thông số I/O, hiệu năng cao/ điều QCPU liên kết thiết bị vào/ra và khiển quy trình/ ứng tính năng thiết bị thông dụng tổng quan minh Cấu hình hệ thống dự phòng, tính năng, kết nối QnPRHCPU Mã CPU dự phòng với các thiết bị bên ngoài và xử lý sự cố Tính năng liên kết thông Mã CPU ứng dụng QnUCPU qua cổng Ethernet gắn tổng trong quát Bảng 2. Một số bộ điều khiển dòng Q series. Các module và CPU dòng Q series.

Các loại Module nguồn và thẻ nhớ: Module Đầu vào Đầu ra Q61P 100V-240VAC 5VDC 6A Q62P 100V-240VAC 5VDC 3A/24VDC 0.6A Q63P 24VDC 5VDC 6A Q64P(N) 100V-120VAC; 200-240VAC 5VDC 8.5A Q64P-D 100V-240VAC 5VDC 6A Bảng 2. Một số bộ nguồn cung cấp cho CPU. Các loại module nguồn và thẻ nhớ. Số ngõ 100–120 100 – 220 24 VDC 5/12 VDC 24 VDC vào VAC VAC QX48Y57 8 QX28 16 QX10 QX40,QX40-S1 QX70 QX80 QX40, QX40-S1, 32 QH42P QX71 QX81 QX42, QX42-S1 QX82, 64 QX72 QX82-S1 Bảng 2.

Một số loại module ngõ vào. Sơ đồ mạch điện ngõ ra của PLC. Cấu trúc PLC dòng Q PLC dòng có thành phần chính là một bộ nhớ chương trình RAM bên trong (có thể mở rộng thêm một số bộ nhớ ngoài EPROM). Một bộ vi xử lý có cổng giao tiếp dùng cho việc ghép nối với PLC, các modul vào/ra.

Nguyên lý hoạt động của PLC Đầu tiên các tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi (sensor, contact, …) được đưa vào CPU thông qua module đầu vào. Sau khi nhận được tín hiệu đầu vào thì CPU sẽ xử lý và đưa các tín hiệu điều khiển qua module đầu ra xuất ra các thiết bị được điều khiển bên ngoài theo 1 chương trình đã được lập trình sẵn. Một chu kỳ bao gồm đọc tín hiệu đầu vào, thực hiện chương trình, truyền thông nội, tự kiểm tra lỗi, gửi cập nhật tín hiệu đầu ra được gọi là 1 chu kỳ quét hay 1 vòng quét (Scan Cycle). Thường thì việc thực hiện một vòng quét xảy ra trong thời gian rất ngắn (từ 1ms-100ms).

Thời gian thực hiện vòng quét này phụ thuộc vào tốc độ xử lý lệnh của PLC, độ dài ngắn của chương trình, tốc độ giao tiếp giữa PLC và thiết bị ngoại vi. Vòng quét PLC Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc cách tín hiệu đầu vào, sau đó việc thực hiện chương trình. Việc thực hiện chương trình sẽ được thực hiện lệnh đầu tiên (trên cùng) đến lệnh kết thúc. Tiếp đến là thực hiện truyền thông nội bộ và thực hiện tự kiểm tra lỗi.

Cuối cùng là cập nhật trạng thái tới đầu ra Output. Tổng quan về động cơ AC Servo 2. Giới thiệu về AC Servo Là một loại máy móc chuyên dụng, được sử dụng để cung cấp cơ năng cho một số thiết bị. Một trong các bộ phận không thể thiếu để giúp động cơ Servo hoạt động chính xác đó là Driver Servo, nó cung cấp cho động cơ Servo lượng lực cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành.

Động cơ Servo AC. Phân loại động cơ Servo Động cơ servo thông thường dựa trên dòng điện mà phân thành 2 loại: Động cơ DC Servo: nguồn cấp cho động cơ là nguồn điện 1 chiều, được thiết kế để ứng dụng vào những hệ thống sử dụng dòng điện nhỏ hơn. Nó được phân thành hai loại: động cơ DC servo 1 chiều có chổi than và không có chổi than. Động cơ 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.

Động cơ AC Servo: là loại motor xoay chạy bằng dòng điện xoay chiều 3 pha. Nó hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu. Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh báo vị trí của rotor để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác. So với DC servo, quán tính của rôto rất thấp, hệ thống điều khiển phức tạp, và dòng điện, tần số và pha của stato được điều phối bởi driver để đạt được vị trí mong muốn.

Tốc độ quay của AC servo có thể đạt tới 6000 vòng / phút hoặc cao hơn trong servo chuyên dụng. Đối với hãng Mitsubishi, động cơ AC Servo của hãng sẽ phân theo ứng dụng của động cơ và sẽ được phân biệt dựa vào Seri kí hiệu. 11 Động cơ quán tính trung bình (Series HF): Độ chính xác của máy quán tính cao sẽ được đảm bảo. Thích hợp cho các máy yêu cầu tăng tốc nhanh chóng.