Tài liệu Nghiên cứu chế tạo Robot gắp sản phẩm trong công nghiệp

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu LỜI CẢM ƠN Chúng em xin chân thành cám ơn Ban Giám Hiệu Trƣờng Đại học Bà Rịa - Vũng Tàu, đã tạo điều kiện cho chúng em làm đồ án này. Đặc biệt chúng em xin gửi lời cám ơn chân thành tới Tiến Sĩ Lê Ngọc Trân, ngƣời thầy đã luôn sát cánh chỉ bảo, hƣớng dẫn chúng em bằng tất cả tâm huyết của mình, tạo mọi điều kiện thuận lợi nhất cho chúng em làm đề tài nghiên cứu khoa học này. Làm việc với thầy chúng em học hỏi thêm đƣợc rất là nhiều điều, từ những kiến thức bổ ích, những kỹ năng mềm tới tác phong làm việc, để áp dụng vào công việc mai sau cũng nhƣ trong cuộc sống hằng ngày. Đồng thời chúng em cũng gửi lời cảm ơn tới anh Lê Việt Thanh, ngƣời đã giám sát, hƣớng dẫn chúng em, chỉ bảo những chỗ thiếu sót, sai lệch, giúp đề tài nghiên cứu của em đƣợc hoàn thiện hơn. Cuối cùng em xin gửi lời cảm ơn tới các thầy cô trong Khoa Điện - Điện tử đã truyền đạt cho chúng em những kiến thức quý báu, để chúng em có hành trang bƣớc vào đời. Vũng tàu, ngày …..tháng..…. năm 2015 Sinh viên thực hiện (Ký và ghi rõ họ tên) Nguyễn Văn Sỹ Nguyễn Văn Hoàng Thanh ii Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu MỤC LỤC ĐỀ MỤC ............................................................................................Trang NHIỆM VỤ ĐỀ TÀI……………………………………………………..i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... ii MỤC LỤC ................................................................................................ iii LỜI MỞ ĐẦU ........................................................................................... 1 CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT GẮP TRONG DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT ....................................................................................................... 2 1.1 Tồng Quan ....................................................................................... 2 1.2 Phân loại robot gắp .......................................................................... 4 CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT ROBOT GẮP VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ............................................................................................ 6 2.1 Trình tự thiết kế và lắp đặt............................................................... 6 2.2 Thiết bị sử dụng ............................................................................... 7 2.3 Kết nối và lắp đặt ........................................................................... 13 CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƢỜI DÙNG ....................... 18 3.1 Yêu cầu .......................................................................................... 18 3.2 Phƣơng pháp thiết kế ..................................................................... 18 CHƢƠNG 4: CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN ................................... 24 4.1 Yêu cầu .......................................................................................... 24 4.2 Phƣơng pháp lập trình và giải thuật............................................... 24 4.2.1 Chƣơng trình chính ............................................................ 24 4.2.2 Chƣơng trình điều khiển bằng tay ..................................... 26 4.2.3 Chƣơng trình điều khiển tự động Auto 1 .......................... 27 4.2.4 Chƣơng trình điều khiển tự động Auto 2 .......................... 38 4.2.5 Chƣơng trình điều khiển tự động Auto 3 .......................... 43 iii Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu 4.3 Kết nối ........................................................................................... 47 CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI ......... 49 5.1 Chạy thử nghiệm............................................................................ 49 5.2 Kết quả đạt đƣợc ............................................................................ 50 5.3 Vấn đề cần khắc phục .................................................................... 50 5.4 Kết luận.......................................................................................... 50 5.5 Hƣớng phát triển của đề tài ........................................................... 50 TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................... 51 iv Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu LỜI MỞ ĐẦU Trong thời buổi nền công nghiệp lên ngôi, kéo theo sự phát triển không ngừng nghỉ của các công cụ lao động phụ trợ, từ những công cụ máy móc thô sơ cho năng suất và chất lƣợng kém, đã dần dần đƣợc thay thế bằng những công cụ, máy móc hiện đại hơn, nâng cao độ chính xác, năng suất cao hơn, sản xuất đƣợc nhiều mặt hàng tinh xảo. Thời gian đầu, các công đoạn sản xuất đều phải có công nhân vận hành và làm việc trực tiếp, nên cần lƣợng nhân công rất lớn làm tăng chi phí nhân công, các công đoạn hầu nhƣ đƣợc làm thủ công nên năng suất không cao vì tốc độ làm việc của con ngƣời có giới hạn, làm việc với thời gian dài và liên tục sẽ khiến cho con ngƣời giảm bớt sự tập trung, thiếu chính xác, sẽ khiến cho sản phẩm bị lỗi, gây thiệt hại về kinh kế, cũng nhƣ sự bất cẩn của con ngƣời dẫn đến những thao tác sai lệnh gây hậu quả nặng nề, thậm chí ảnh hƣởng tới tính mạng con ngƣời. Một số môi trƣờng đặc biệt mà con ngƣời không thể làm việc đƣợc, nhƣ những môi trƣờng độc hại, khói bụi, hóa chất, phóng xạ, nhiệt độ cao, tiếng ồn lớn, đòi hỏi phải có một thiết bị, công cụ có thể thay thế con ngƣời, và làm tốt hơn khả năng của con ngƣời mang lại hiệu quả cao. Trƣớc những yêu cầu đó nhóm chúng em đã nghiên cứu và chế tạo ra một Robot có đƣợc những yêu cầu nhƣ trên. Robot có khả năng phát hiện vật, phân loại sản phẩm nhựa và kim loại một cách chính xác với tốc tộ cao, chắc chắn, làm việc không ngừng nghỉ và thay thế hoàn toàn con ngƣời trong khâu sản xuất này. Nội dung đề tài là: “NGHIÊN CỨU, CHẾ TẠO ROBOT GẮP SẢN PHẨM TRONG CÔNG NGHIỆP“. Yêu cầu robot phải có khả năng tùy biến bằng tay do ngƣời vận hành thao tác, và có chế độ chạy tự động, đếm sản phẩm đồng thời giám sát qua màn hình. 1 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu CHƢƠNG 1: GIỚI THIỆU ROBOT GẮP TRONG DÂY TRUYỀN SẢN XUẤT 1.1 Tồng Quan Robot gắp trong công nghiệp là tay máy tự động đƣợc đặt cố định hoặc di động bao gồm thiết bị dạng tay máy có số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chƣơng trình, có thể tái lập trình để hoàn thành các chức năng hoạt động và điều khiển trong quá trình sản xuất. Robot gắp trong công nghiệp đƣợc cấu hình bởi các yếu tố sau: + Tay máy là cơ cấu cơ khí gồm các khâu khớp chúng hình thành cánh tay để tạo các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo linh hoạt, bàn tay hoàn thành thao tác trên đối tƣợng. + Cơ cấu chấp hành tạo chuyển động cho các khâu cổ tay máy, động cơ là nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành. + Hệ thống cảm biến gồm các cảm biến và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu cần thiết khác, các robot cần hệ thống cảm biến trong để nhận biết trạng thái của bản thân, các cơ cấu của robot và các cảm biến ngoài để nhận biết trạng thái của môi trƣờng. + Hệ thống điều khiển hiện nay thƣờng là máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot. Kết cấu tay máy gắp sản phẩm + Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của RBCN đó là thiết bị đảm bảo cho robot khả năng làm việc nâng hạ vật. + Ban đầu ngƣời ta chế tạo tay máy phỏng tay ngƣời còn hiện nay tay máy rất đa dạng và nhiều loại khác xa tay ngƣời tuy nhiên vẫn sử dụng thuật ngữ nhƣ vai, cánh tay, cổ tay, bàn tay và khớp để chỉ các bộ phận của tay máy. Trong thiết kế tay máy ngƣời ta quan tấn đến các thông số ảnh hƣởng khả năng làm việc: + Sức nâng, độ cứng vững lực kẹp của tay. + Tầm với của vùng làm việc. + Khả năng định vị, định hƣớng phần công tác. Kết cấu gồm các khâu đƣợc nối với nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở các khớp chủ yếu là khớp quay và khớp trƣợt tuỳ theo cách bố chí mà các khớp có thể tạo ra tay máy có toạ độ đề các, độ trục tạo độ cầu SCARA và kiểu tay ngƣời. 2 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Một số hình ảnh robot gắp sản phẩm trong công nghiệp: Hình 1.1.1 Robot gắp kính Hình 1.1.2 Robot phân loại hàng hóa 3 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu 1.2 Phân loại robot gắp Robot gắp đƣợc phân loại chủ yếu theo nguồn dẫn động:  Robot dùng động cơ điện Nguồn cấp điện cho robot thƣờng là DC để điều khiển động cơ DC. Hệ thống dùng nguồn AC cũng đƣợc chuyển đổi sang DC. Các đông cơ sử dụng thƣờng là động cơ bƣớc, động cơ DC servo, động cơ AC servo. Robot loại này có thể thiết kế gọn, chạy êm, định vị rất chính xác, các ứng dụng phổ biến là robot sơn, hàn. Hình 1.2.1 Robot servo  Robot dùng hệ thống khí nén Hệ thống cần đƣợc trang bị máy nén, bình chứa khí và động cơ kéo máy nén. Robot loại này thƣờng đƣợc sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng nhỏ có tay máy là các xi – lạnh khí nén thực hiện chuyển động thẳng và chuyển động quay. Do khí nén là lƣu chất nén đƣợc nên robot loại này thƣờng đƣợc sử dụng trong các thao tác gắp đặt không cần độ chính xác cao. 4 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Hình 1.2.2 Robot khí nén  Robot dùng hệ thống thủy lực Nguồn thuỷ lực sử dụng lƣu chất không nén đƣợc là dầu thuỷ lực. Hệ thống cần trang bị bơm để tạo áp lực dầu. Robot loại này đƣợc sử dụng trong các ứng dụng có tải trọng lớn. Hình 1.2.3 Robot dùng hệ thống thủy lực 5 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT ROBOT GẮP VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 2.1 Trình tự thiết kế và lắp đặt Thiết kế và lắp đặt mô hình cơ khí Chân đế chịu lực cho: băng chuyền, robot, bảng điều khiển Hệ thống truyền động robot Băng chuyền Thiết kế hệ thống điều khiển Hệ thống dây nối Bảng điều khiển Giải thuật Màn hình HMI Hình 2.1 Trình tự thiết kế và lắp đặt 6 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu 2.2 Thiết bị sử dụng PLC S7-300 Thiết bị điều khiển logic khả trình (programmable logic controller) là loại thiết bị thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay vì phải thực hiện thuật toán đó bằng mạch số. Nhƣ vậy, PLC là một bộ điều khiển gọn, nhẹ và dễ dàng trao đổi thông tin với môi trƣờng bên ngoài (với các PLC khác hoặc máy tính). Toàn bộ chƣơng trình điều khiển đƣợc lƣu trữ trong bộ nhớ của PLC dƣới dạng các khối chƣơng trình và đƣợc thực hiện theo chu kỳ của vòng quét (scan). Hình 2.2 Cấu trúc bên trong của một PLC 7 Báo cáo nghiên cứu khoa học  Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Các module mở rộng Hình 2.6 Module nguồn PS307 -5a Hình 2.7 Module truyền thông CP 343-1 8 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Hình 2.8 Module SM321 Hình 2.9 Module SM322 Bộ nguồn 24 vdc Nguồn một chiều có nhiệm vụ cung cấp năng lƣợng một chiều cho các mạch và các thiết bị điện tử hoạt động. Năng lƣợng một chiều của nó tổng quát đƣợc lấy từ nguồn xoay chiều của lƣới điện thông qua một quá trình biến đổi đƣợc thực hiện trong nguồn một chiều. Yêu cầu đối với loại nguồn này là điện áp ít phụ thuộc vào điện áp mạng, của tải và nhiệt độ. Để đạt đƣợc yêu cầu đó cần phải dùng các mạch ổn định (ổn áp, ổn dòng). Các mạch cấp nguồn cổ điển thƣờng dùng biến áp, nên kích 9 Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Báo cáo nghiên cứu khoa học thƣớc và trọng lƣợng của nó khá lớn. Ngày nay ngƣời ta có xu hƣớng dùng các mạch cấp nguồn không có biến áp. Hình 2.13 Nguồn tổ ong 24 vdc – 2a Nút bấm Nút bấm là một linh kiện cơ khí, sử dụng kim loại có tính đàn hồi cao để làm tiếp điểm. Hình 2.14 Nút bấm 10 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Công tắc Công tắc là tên của một thiết bị (xét trong mạch điện), hoặc một linh kiện (xét trong một thiết bị điện) sử dụng với mục đích để ngắt - mở dòng điện hoặc chuyển hƣớng trạng thái đóng - ngắt trong tổ hợp mạch điện có sử dụng chung một công tắc Hình 2.15 Công tắc Relay Relay là một loại thiết bị điện tự động mà tín hiệu đầu ra thay đổi nhảy cấp khi tín hiệu đầu vào đạt những giá trị xác định. Relay là thiết bị điện dùng để đóng cắt mạch điện điều khiển, bảo vệ và điều khiển sự làm việc của mạch điện động lực. Hình 2.16 Relay 11 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Piston Hình 2.17 Piston khí nén Solenoid valve Hình 2.18 Solenoid valve 12 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu 2.3 Kết nối và lắp đặt Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát Hình 2.20 Sơ đồ kết nối. 13 Báo cáo nghiên cứu khoa học  Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Bảng điều khiển Bảng điều khiển đóng vai trò là tủ điện, đồng thời là nơi điều khiển robot ở chế độ điều khiển bằng tay (Manual). Hình 2.21Sơ đồ bảng điều khiển Bảng điều khiển gồm có: Module PLC S7-300 Màn hình HMI Relay Nút nhấn Switch Switch MAN-AUTO Đèn báo Domino Còi báo 14 Báo cáo nghiên cứu khoa học a. Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Module PLC Ngõ vào (input) I0.0 : Switch 1 I0.1 : Switch 2 I0.2 : Switch 3 I0.3 : Switch 4 I0.4 : Switch 5 I0.5 : Motor I0.6 : Reset I0.7 : Sensor kim loại I1.0 : Switch Man-Auto I1.1 : Button Stop I1.2 : Button Start I1.3 : Sensor a1 (Giới hạn dƣới pitston A) I1.4 : Sensor a2 (Giới hạn trên pitston A) I1.5 : Sensor c (Giới hạn dƣới pitston C) I1.6 : Sensor tay gắp Ngõ ra (output): Các ngõ ra đƣợc kết nối với các relay. Q0.0 : Valve solenoid A1 Q0.1 : Valve solenoid A2 Q0.2 : Valve solenoid B Q0.3 : Valve solenoid C Q0.4 : Valve solenoid tay gắp Q0.5 : Lamp Man_Auto Q0.6 : Lamp Start_Stop Q0.7 : Motor băng chuyền Q1.0 : Còi báo 15 Báo cáo nghiên cứu khoa học b. Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu Domino Sơ đồ đấu dây của domino nhƣ sau: Q0.0 - solenoid valve a1 Q0.1 - solenoid valve a2 Q0.2 - solenoid valve b Q0.3 - solenoid valve c Q0.5 - solenoid valve tay gắp Q0.6 - motor băng chuyền Q0.7 - còi báo Mass Mass Mass 24 vdc (plc) 24 vdc (plc) I1.3 - Sensor a1 (Giới hạn dƣới piston A) I1.4 - Sensor a2 (Giới hạn trên piston A) I1.5 - Sensor c (Giới hạn dƣới piston C) I1.6 - Sensor tay gắp Mass (plc) Mass (plc) c. Mạch động lực Sử dụng van khí nén điện từ solenoid điều khiển các pitston khí nén. Tín hiệu từ PLC điều khiển đóng mở cuộn dây làm đóng mở dòng khí nén vào pitston. Sơ đồ kết nối: - Valve solenoid A nối với pitston A. - Valve solenoid B nối với pitston B. 16 Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu - Valve solenoid C nối với pitston C. - Valve solenoid D nối với tay gắp. d. Cảm biến Cảm biến là thành phần quan trọng không thể thiếu, gồm có cảm biến nam châm, cảm biến lazer, cảm biến kim loại. - Sensor a1 bằng 1 khi pitston A xuống điểm giới hạn dƣới. - Sensor a2 bằng 1 khi pitston A xuống điểm giới hạn trên. - Sensor c bằng 1 khi pitston C xuống điểm giới hạn dƣới. - Sensor d bằng 1 khi pitston tay gắp tác động. 17