ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP 

Tên đề tài: “Phân tích thiết kế hệ thống xếp các sản phẩm theo tọa độ đặt sẵn dùng PLC và AC Servo”

Nội dung:

1. Nội dung thuyết minh
2. Giới thiệu chung về hệ thống điều khiển logic sử dụng plc cho hệ vẩn chuyển sản phẩm.
3. Phân tích lựa chọn phương án truyền động.
4. Điều khiển hệ servo.
5. Thiết kế hàm logic và lập trình điều khiển.
6. Nguyên lý hoạt động và kiểm tra kết quả.
7. Nội dung bản vẽ
8. Mô tả hệ thống
9. Sơ đồ nguyên lý
10. Chương trình điều khiển

ĐẶT VẤN ĐỀ

    Ngày nay trong cuộc sống hàng ngày chúng ta thường xuyên gặp các mô hình động cơ Servo. Như trong các nhà máy xí nghiệp ở các phương tiện lao động: máy phân loại sản phẩm, máy nâng công cụ, cánh tay robot... Như vậy có thể nói động cơ Servo nắm vai trò quan trọng cuộc sống và trong lao động sản xuất. Do sự phát triển ngày càng mạnh mẽ của kỹ thuật điện tử nên các thiết bị sử dụng Servo cũng có các bước phát triển nhảy vọt. Việc ứng dụng kỹ thuật điện tử với những thiết bị hiện đại làm cho hệ thống dây truyền ngày càng hoạt động tốt hơn và khả năng tự động hoá cao.

     Ở nước ta do nhu cầu công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước nên các hệ thống điều khiển phải ngày càng nhanh và chính xác để đáp ứng nhu cầu đó. Một trong những hệ thống có thể đáp ứng được những yêu cầu đó là hệ thống sử dụng động cơ Servo. Do đó ở nước ta ngày càng xuất hiện nhiều những dây truyền sản xuất mới có mức độ tự động hoá cao với các hệ thống sử dụng động cơ Servo tốc độ cao. Việc xuất hiện của động cơ Servo đã góp phần thúc đẩy sự phát triển, nghiên cứu, đào tạo ngành tự động hoá ở nước ta tiếp thu khoa học kỹ thuật hiện đại nhằm tăng khả năng sản xuất, tăng chất lượng, đồng thời tiết kiệm được chi phí cho việc thuê nhân công và làm năng suất sản phẩm tăng lên. Ngoài ra với ưu điểm chi phí thấp trong bảo dưỡng và vận hành, có độ bền cao nên hệ thống sử dụng động cơ AC Servo ngày càng được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy, xí nghiệp. Việc tạo ra những hệ thống dây truyền có sử dụng Servo tạo nên sự thuật tiện và điều khiển chúng được dể dàng hơn là việc làm vô cùng xác thực. Chính vì vậy việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống truyền động sử dụng động cơ AC Servo là cần thiết đối với sinh viên.

Là một sinh viên ngành điện em được giao đề tài tốt nghiệp là “Phân tích thiết kế hệ thống xếp các sản phẩm theo tọa độ đặt sẵn dùng PLC và AC Servo”. Trong thời gian làm đồ án được sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo Nguyễn Ngọc Kiên và sự chỉ bảo của các thầy cô giáo trong bộ môn tự động hóa cùng với sự giúp đỡ của bạn bè. Đến nay bản đồ án của em đã hoàn thành đầy đủ các nội dung yêu cầu. Với khả năng có hạn, bản đồ án của em chắc sẽ không tránh khỏi những thiếu sót. Em rất mong có được sự chỉ bảo của các thầy cô giáo.

PHẦN 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC SỬ DỤNG PLC CHO HỆ VẨN CHUYỂN SẢN PHẨM.

1.1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN LOGIC SỬ DỤNG PLC CHO HỆ VẨN CHUYỂN SẢN PHẨM.

Ngày nay trong công cuộc đổi mới khoa học kỹ thuật tiến bộ thì việc sử dụng các loại máy móc đang dần thay thế sức lao động của con người. Khoa học kỹ thuật áp dụng trong hầu hết các lĩnh vực từ sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, y tế, học đường…trong đó công nghệ tự động hóa được chú trọng hàng đầu. Qua quá trình nghiên cứu của các nhà khoa học thì việc sản xuất ra những thiết bị hiện đại đem lại hiệu quả cao.

Đối với ngành công nghiệp sản xuất, chế tạo ta có thể thấy rất rõ các thành tựu đã đạt được của khoa học kỹ thuật nói chung và tự động hóa nói riêng.

            Trong các xí nghiệp sản xuất thì đều được chia ra làm nhiều công đoạn, dây truyền khác nhau. Một trong những công đoạn đó là vận chuyển sản phẩm.

            Mục đích hàng đầu của các xí nghiệp, doanh nghiệp là đạt chỉ tiêu về số lượng cũng như về chất lượng.Vì vây, mỗi công đoạn cần tính toán thiết kế đảm bảo năng suất, giảm thời gian quá độ giữa các công đoạn. Từ đó tiết kiệm chi phí sản xuất, tăng năng suất, chất lượng sản phẩm.Hàng hóa chủ yếu được sản xuất dưới hình thức hàng loạt, vì vậy việc vận chuyển sản phẩm trong dây chuyền sản xuất cần nhanh và đúng vị trí.

            Do vậy, trong sản xuất công nghiệp nói chung và hàng hóa nói riêng thì công đoạn vận chuyển sản phẩm là rất quan trọng.

1.2. CÔNG NGHỆ HỆ THỐNG VẬN CHUYỂN SẢN PHẨM

Đề tài : Phân tích thiết kế hệ thống xếp các sản phẩm theo tọa độ đặt sẵn dùng PLC và AC Servo

Yêu cầu công nghệ:

Đóng ATM cấp nguồn cho hệ thống, bấm nút Bắt đầu trục vitme di chuyển đến các vị trí để khay, mỗi khay có 4 ngăn mỗi ngăn chứa 1 loại phụ kiện: sách có kích thước 17,6x25cm, giấy A5 phẳnng, giấy A4 gấp làm 4, đĩa CD bọc nilon, sau đó gắp vào thùng. Khi gắp đủ 4 loại phụ kiện vào thùng thì dừng 10s để lấy thùng chứa ra. Quy trình cứ thế lặp đi lặp lại. Ấn nút Tạm dừng để dừng các quá trình gắp và nhả sản phẩm. Ấn nút Gốc tọa độ để về vị trí gốc. Đèn báo vàng báo sự cố, đèn báo đỏ báo hệ thống dừng, đèn báo xanh báo hệ thống đang hoạt động.

Sơ đồ khối

Hình 1.1: Mô tả hệ thống

Hệ thống sử dụng động cơ servo để dẫn động, hệ Servo 2 trục điều khiển vị trí theo phương 2 trục tọa độ xy. Trục 1 điều khiển theo phương trục x, trục 2 điều khiển linh hoạt theo phương cả 2 trục tọa độ xy để tách được các phụ kiện ở các khay chứa riêng biệt rồi sắp xếp lần lượt theo thứ tự thành 1 bộ vào khay chứa sản phẩm nhờ các cảm biến: RLS-cảm biến giới hạn ngược, DOG-cảm biến vị trí gốc tọa độ, FLS-cảm biến giới hạn thuận.

PHẦN 2: PHÂN TÍCH LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

2.1 MỘT SỐ PHƯƠNG ÁN TRUYỀN ĐỘNG

            Việc truyền động được ứng dụng rất nhiều trong các thiết bị, dây chuyền, công nghệ sản xuất ở hầu hết trong các ngành công nghiệp hiện nay. Trên thực tế có 3 loại truyền động chính đó là:

Truyền động cơ khí

Truyền động điện

Truyền động khí nén, thuỷ lực

2.1.1 TRUYỀN ĐỘNG CƠ KHÍ

            Là Hệ thống gồm nhiều chi tiết dùng để truyền và thay đổi tính chất của chuyển động ở dạng năng lượng cơ học: Lực và vận tốc. Ta có thể phân loại truyền động cơ khí thành hai nhóm chính như sau:

2.1.1.1. HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG MA SÁT:

a. Bộ truyền bánh ma sát: Gồm có hai bánh trơn được ép sát vào nhau để có áp lực tạo nên lực ma sát theo định luật ma sát: Fms= k.N

Hình 2.1: Bộ truyền bánh ma sát

b. Bộ truyền đai:

Gồm có hai chi tiết truyền động dạng đĩa là bánh đai, chuyển động giữa hai bánh đai được truyền qua chi tiết truyền động mềm là dây đai theo nguyên lý ma sát của Euler.

Hình 2.2: Bộ truyền đai

2.1.1.2 HỆ THỐNG TRUYỀN ĐỘNG ĂN KHỚP:

a. Bộ truyền bánh răng: Hệ thống gồ có hai hoặc nhiều chi tiết truyền chuyển động dạng đĩa hay trục có răng ở biên dạng ngoài cài vào nhau.

Hình 2.3: Bộ truyền bánh răng

b. Bộ truyền xích: Hệ thống gồm có hai chi tiết truyền động có răng tượng tự như bánh răng được đặt cách xa nhau, chuyển động được truyền thông qua một chi tiết truyền động gồm nhiều mắc nối với nhau gọi là xích.

Hình 2.4: Bộ truyền xích

c. Bộ truyền trục vít – bánh vít: Hệ thống gồm có một trục ren (gọi là trục vít) với các ren cài vào răng của một chi tiết dạng bánh răng gọi là bánh vít.

Hình 2.5: Bộ truyền trục vít – bánh vít

d. Bộ truyền vít me bi:Vít me – đai ốc là cơ cấu truyền động biến truyền động quay thành chuyển động tịnh tiến.

Hình 2.6: Bộ truyền vít me

Vít me đai ốc bi

Cơ cấu vít me đai ốc bi có những đặc điểm sau :

Tổn thất ma sát ít nên có hiệu suất cao, có thể đạt từ 90 – 95 %.

Lực ma sát gần như không phụ thuộc vào tốc độ chuyển động nên đảm bảo chuyển động ở nhựng vận tốc nhỏ.

Hầu như không có khe hở trong mối ghép và có thể tạo ra lực căng ban đầu, đảm bảo độ cứng vững hướng trục cao.

Vì những ưu điểm đó vít me đai ốc bi thường được sử dụng cho những máy cần có truyền động thẳng chính xác như máy khoan, doa tọa độ, các máy điều khiển chương trình số.

Hình 2.7: Kết cấu vít me đai ốc bi

Giữa các rãnh của đai ốc 1 và vít me 2, người ta đặt những viên bi 3, vì vậy biến ma sát trượt trở thành ma sát lăn của những viên bi chuyển động một cách liên tục. Nhờ máng nghiêng 4 mà bi được dẫn từ rãnh cuối về rãnh đầu.

Rãnh của vít me – đai ốc bi được chế tạo dạng cung nửa vòng tròn hoặc rãnh

Để điều chỉnh khe hở vít me – đai ốc bi, đai ốc kép được sử dung. Giữa các đai ốc 1 và 2, đặt vòng căng 3. Khi xiết chặt vít 4, các rãnh của 2 đai ốc sẽ tì sát vào bề mặt bi, khử được khe hở giữa vít me và đai ốc đồng thời tạo được lực căng ban đầu.

2.1.2 HỆ TRUYỀN ĐỘNG THUỶ LỰC KHÍ NÉN

- Truyền động thuỷ lực: Trong truyền động thuỷ lực việc truyền công suất trong hệ thống do chất lỏng đảm nhận. Tuỳ theo việc sử dụng năng lượng của dòng chất lỏng là thế năng hay động năng mà hệ thống được gọi là truyền động thuỷ tĩnh hay truyền động thuỷ động.

+ Truyền động thuỷ tĩnh làm việc theo nguyên lý choán chỗ. Trong trường hợp đơn giản nhất, hệ thống gồm một bơm được truyền động cơ học cung cấp một lưu lượng chất lỏng để làm chuyển động một xy lanh hay một động cơ thuỷ lực. Áp suất tạo bởi tải trọng trên động cơ hay xi lanh lực cùng với lưu lượng đưa đến từ bơm tạo thành công suất cơ học truyền đến các máy công tác. đặc tính của truyền lực thuỷ tĩnh có tính chất: tần số quay cũng như vận tốc của máy công tác trong thực tế không phụ thuộc vào tải trọng. Do có khả năng tách bơm và động cơ theo không gian và sử dụng các đường ống rất linh động nên không cần một không gian lắp đặt xác định giữa động cơ và máy công tác. Trên hệ thống truyền động thuỷ tĩnh có thể thay đổi tỷ số truyền vô cấp trong một khoảng rộng. Chất lỏng thuỷ lực hiện nay có thể được sử dụng là dầu từ dầu mỏ, chất lỏng khó cháy, dầu có nguồn gốc thực vật hoặc nước.

+ Truyền động thuỷ động được cấu tạo từ một phần bơm và một phần động cơ (tua bin). Việc chuyển đổi mô men và tần số quay được thực hiện nhờ động năng của khối chất lỏng. Đường đặc tính của truyền động thuỷ động có tính chất: tần số quay của phần bị động giảm khi mô men quay tăng. Trong sử dụng, truyền động thuỷ động có cấu trúc gọn nhưng yêu cầu có một không gian xác định giữa động cơ và thiết bị cần dẫn động.

- Truyền động khí nén: Cấu trúc tổng quát của truyền động khí nén cũng tương tự như cấu trúc của truyền động thuỷ tĩnh. Điều khác biệt cơ bản dẫn đến sự khác biệt về tính chất hoạt động và cấu trúc của các chi tiết là môi chất truyền năng lượng. Trong các hệ thống truyền động khí nén môi chất là không khí nén – một chất “lỏng” chịu nén. Như vậy có thể lấy không khí từ môi trường, nén lại, truyền dẫn làm hoạt động các động cơ khí nén hoặc xy lanh khí nén và lại thải ra môi trường.

Ngoài ra để thiết kế một hệ thống truyền lực còn có các giải pháp kết hợp: thuỷ lực – khí nén; điện – khí nén; điện – thuỷ lực, …

Giải pháp tối ưu cho một nhiệm vụ điều khiển và truyền lực luôn phụ thuộc vào mức độ thực hiện các yêu cầu công nghệ, kỹ thuật và kinh tế. Trong kỹ thuật có hàng loạt các trường hợp ứng dụng và các lĩnh vực ứng dụng tiêu biểu. Khi đó việc lựa chọn sử dụng loại truyền lực và truyền động nào là dựa vào các lợi thế đặc biệt của một loại. Các bộ truyền lực tịnh tiến để khắc phục lực tải lớn với vận tốc nhỏ thường được thực hiện bằng thuỷ lực. Thí dụ cho các trường hợp này là các máy nén ép trong công nghiệp ô tô và công nghiệp chế tạo vật liệu nhân tạo, bộ phận nâng hạ trong các máy nâng hàng, máy xúc và cần cẩu tự hành,… Cả truyền động của các máy công tác hạng nặng và các máy công nghiệp cũng được thực hiện bằng thuỷ lực. Trong các máy công cụ, trong kỹ thuật rô bốt và chế tạo máy, trong chế tạo tàu biển, hàng không, trên các xe vận tải cũng luôn gặp các ứng dụng của kỹ thuật thuỷ lực và khí nén. Trong kỹ thuật truyền lực, điều khiển và điều chỉnh ngoài thuỷ lực và khí nén còn ứng dụng cả các giải pháp cơ học, điện - điện tử hoặc liên hợp các giải pháp. Đặc biệt các bộ truyển thuỷ lực - điện và khí nén - điện ngày càng được phát triển rộng rãi do được kết nối với máy tính và ứng dụng kỹ thuật điều khiển số. Các hệ thống thuỷ lực và khí nén điều khiển số ngày càng có ý nghĩa lớn trong sản xuất.

2.1.3 HỆ TRUYỀN ĐỘNG ĐIỆN

a. Khái niệm:  Hệ truyền động điện là tập hợp các thiết bị như: thiết bị điện, thiết bị điện từ, thiết bị điện tử phục vụ cho việc biến đổi năng lượng điện năng thành cơ năng cung cấp cho các cơ cấu công tác trên các máy sản xuất, cũng như gia công truyền tín hiệu thông tin để điều khiển quá trình biến đổi năng lượng đó theo yêu cầu công nghệ.

b. Cấu trúc của hệ truyền động điện

Hình 2.8: Cấu trúc hệ truyền động điện

Trong đó:

vPhần lực (mạch lực): Lưới điện (nguồn điện) cấp điện năng đến bộ biến đổi (BBĐ) và động cơ điện (ĐC) truyền động phụ tải (MSX).

Các bộ biến đổi:

+ Bộ biến đổi máy điện (máy phát điện một chiều, xoay chiều, máy điện khuếch          đại)

+ Bộ biến đổi điện từ (khuếch đại từ, cuộn kháng bảo hoà)

+ Bộ biến đổi điện tử, bán dẫn (chỉnh lưu thyristor, bộ điều áp một chiều, biến tần transistor, thyristor).

Động cơ điện:

+ Một chiều, xoay chiều, các loại động cơ đặc biệt.

vPhần điều khiển (mạch điều khiển):

+ Cơ cấu đo lường

+ Bộ điều chỉnh tham số và công nghệ.

+ Khí cụ, thiết bị điều khiển đóng cắt phục vụ công nghệ và cho người vận hành.

+ Mạch ghép nối với các thiết bị tự động khác hoặc với máy tính điều khiển.

c. Phân loại hệ truyền động điện:

- Truyền động điện không điều chỉnh:

Động cơ nối trực tiếp với lưới điện, dẫn động quay máy sản xuất với một tốc độ nhất định.

- Truyền động có điều chỉnh:

Theo cầu công nghệ sản xuất có thể có các hệ truyền động điều chỉnh sau

+ Truyền động điện điều chỉnh tốc độ

+ Truyền động điện tự động điều chỉnh mô men, lực kéo

+ Truyền động điện tự động điều chỉnh vị trí.

- Theo cấu trúc và tín hiệu điều khiển: Truyền động điện tự động điều khiển số, truyền động điện tự động điều khiển tương tự, truyền động điện tự động điều khiển theo chương trình ...

- Theo đặc điểm truyền động: Truyền động điện tự động với động cơ điện một chiều, động cơ điện xoay chiều, động cơ bước, v.v.

- Theo mức độ tự động hóa: Truyền động không tự động và truyền động điện tự động.

- Ngoài ra, còn có hệ truyền động điện không đảo chiều, có đảo chiều, hệ truyền động đơn, truyền động nhiều động cơ, v.v.

d) Động Cơ DC

Động cơ DC hay còn gọi là động cơ một chiều, được sử dụng trong dòng điện một chiều. Trong nhiều năm trở lại đây, động cơ điện một chiều DC đã được rất nhiều những tiến bộ trong công nghiệp sản xuất quạt trần. Ngày nay nó đã và đang được phát triển trong lắp đặt quạt trần. Khác với những loại động cơ khác, DC có mức tiêu thụ thấp hơn giúp tiết kiệm năng lượng cho người dùng. Ngoài ra nó cũng có khối lượng khá nhẹ, phù hợp với mọi gia đình.

e) Động Cơ AC

Động cơ điện xoay chiều hay động cơ AC là động cơ điện được dẫn động bằng dòng điện xoay chiều (AC). Động cơ AC thường bao gồm hai phần cơ bản, một stator bên ngoài có các cuộn dây được cấp dòng xoay chiều để tạo ra từ trường quay và một rô-to bên trong được gắn vào trục đầu ra tạo ra từ trường quay thứ hai. Từ trường rôto có thể được tạo ra bởi các nam châm vĩnh cửu, sự lồi từ trở, hoặc cuộn dây điện DC hoặc AC.

Động cơ AC trong quạt trần thường bao gồm hai phần cơ bản là Roto và Stato bằng nam châm điện. Khi hoạt động, động cơ sẽ cần 2 nguồn cấp điện cho cả Roto và Stato.

g) Động Cơ Bước

Động Cơ bước hay còn gọi là step motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường. Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển góc quay hoặc các chuyển động của roto có khả năng cố định roto và các vị trí cần thiết.

h) Hệ Servo.

Động cơ Servo là loại động cơ đồng bộ 3 pha sử dụng lõi từ là nam châm vĩnh cửu thường được điều khiển bằng cách driver chuyên dụng cùng hãng với khả năng chạy tốc độ lẫn vị trí với độ chính xác cao. Khi sử dụng Servo thì nếu hư hỏng motor hoặc driver thì thường bắt buộc phải tìm hàng đúng mã, đúng hãng mới tương thích để thay thế.

Động cơ Servo hiện nay thường tích hợp tới 3 chế độ điều khiển bao gồm vị trí, tốc độ và torque(momen), tuy nhiên ứng dụng trong thực tế nhiều nhất vẫn là chế độ điều khiển vị trí. Driver đi kèm motor servo thường tích hợp sẵn màn hình cài đặt thông số hoặc phần mềm trên máy tính để người dùng có thể tuỳ biến nhiều thông số cài đặt khác nhau.

SO SÁNH:

Về tính năng thì motor servo tỏ ra ưu việt hơn khi sử dụng thuật toán điều khiển có kiểm soát dựa trên sự phản hồi của cảm biến tốc độ ( thường là encoder, relsover) nên giúp cho kết quả điều khiển tốc độ hay vị trí đạt chất lượng cao hơn. Còn đối với động cơ bước được thiết kế vi bước dựa trên sự bố trí của các cuộn dây và điều khiển vòng hở nên dẫn tới khi chạy ở tốc độ cao và tải nặng có thể dẫn tới tình trạng mất bước điều khiển không chính xác.

Chính vì những công nghệ phức tạp được tích hợp bên trong sản phẩm cộng với việc chế tạo khó hơn nên dẫn tới giá thành của động cơ AC Servo sẽ cao hơn rất nhiều so với motor bước. Tuy nhiên do nhu cầu thị trường hiện nay đang tăng đột biến và có nhiều thương hiệu cùng sản xuất nên giá thành của Servo hiện tại đã tốt hơn trước, phù hợp hơn với túi tiền của khách hàng nhóm chế tạo máy tại Việt Nam.

2.2 KẾT LUẬN

Vì hệ Servo có nhiều ưu điểm phù hợp nhất nên đồ án của chúng em sẽ chọn hệ Servo để thực hiện bài toán công nghệ.

Ưu điểm: Điều khiển tốc độ tốt, điều khiển trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ, hầu như không dao động, hiệu suất cao hơn 90%, ít nhiệt, điều khiển tốc độ cao, điều khiển vị trí chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa). Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp, không có bàn chải mặc, bảo trì miễn phí (đối với môi trường không có bụi, nổ).

Nhược điểm: Điều khiển phức tạp hơn, các thông số ổ đĩa cần phải điều chỉnh các thông số PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn.

Ứng dụng trong ngành điện - điện tử: Máy lắp là thiết bị lắp các linh kiện điện tử ví dụ như các chip LSI lên trên bảng mạch, cần tới tốc độ cao và độ chính xác cao.

PHẦN 3: ĐIỀU KHIỂN HỆ SERVO

      Động cơ Servo là thiết bị được điều khiển bằng chu trình kín. Từ tín hiệu vận tốc hoặc vị trí, hệ thống điều khiển số sẽ điều khiển sẽ điều khiển hoạt động của một động cơ Servo. Với lý do nêu trên sensor đo tốc độ hoặc vị trí là các bộ phận cần thiết phải tích hợp cho động cơ Servo. Đặc tính vận hành của một động cơ Servo phụ thuộc rất nhiều vào đặc tính từ và phương pháp điều khiển động cơ Servo. Có 3 loại động cơ Servo được sử dụng hiện nay đó là động cơ AC Servo dựa trên nền tảng động cơ AC lồng sóc; động cơ DC Servo dựa trên nền tảng động cơ DC; và động cơ AC Servo không chổi than dựa trên nền tảng động cơ không đồng bộ.     

                                Hình 3. 1. Bộ điều khiển và động cơ Servo

     Động cơ Servo là thành phần quan trọng của hệ thống điều khiển chuyển động.  Để hoạt động được, chúng ta phải nối động cơ Servo với các phần cứng, phần mềm hỗ trợ điều khiển chuyển động. Động cơ Servo được kết hợp cơ khí với các thiết bị máy móc khác để cung cấp lực di chuyển các thiết bị này theo yêu cầu của ứng dụng. Trong đề tài này chúng ta sẽ cùng khám phá công nghệ để vận hành động cơ Servo, bộ điều khiển động cơ Servo và các phương pháp phản hồi để đạt được hoạt động như mong muốn.

 Cấu hình hệ AC Servo.

     Thông thường hệ AC Servo chủ yếu được cấu hình bởi 3 thành phần sau:

- Bộ khuếch đại Servo: là bộ điều khiển có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm.

- Động cơ Servo: là thiết bị dò và dẫn động

- Bộ điều khiển để phát đi các lệnh điều khiển thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.

Hình 3. 2. Khái quát về hệ AC Servo

     Bộ điều khiển gửi các lệnh tới bộ khuếch đại Servo

       Hình 3.3 Bộ điều khiển gửi các lệnh tới bộ khuếch đại Servo

     Sau khi nhận được lệnh bộ khếch đại Servo sẽ truyền lệnh tới động cơ Servo, sau đó nó sẽ phát ra lực dẫn động theo lệnh đó.

Hình 3.4: Bộ khuếch đại Servo truyền lệnh đến động cơ Servo

     Động cơ Servo cũng có bộ mã hóa để dò vị trí hiện tại rồi gửi thông tin này về bộ khuếch đại Servo. Bộ khuếch đại sẽ so sánh giá trị của lệnh với giá trị hiện tại như bộ mã hóa đã đọc được rồi sau đó đưa ra một lệnh sửa đổi để giảm tối thiểu mức chênh lệch. Quá trình này được gọi là quá trình điều khiển hồi tiếp, quá trình này cho phép các AC servo liên tục sửa đổi các chỉ dẫn theo kết quả thực tế để giảm tối thiểu mức chênh lệch. Do vậy mà các AC servo có thể điều khiển chính xác như vậy.

Hình 3.5: Động cơ AC Servo dò vị trí hiện tại và gửi thông tin này

về bộ khuếch đại Servo

3.1. ĐỘNG CƠ HỆ AC SERVO

    Động cơ hệ AC Servo được sử dụng trong các hệ thống điều khiển chuyển động để cung cấp một lực cơ học cụ thể trong khoảng thời gian nhất định. Để đạt được điều này, chúng ta phải điều khiển vị trí, vận tốc và mô men của động cơ Servo theo yêu cầu ứng dụng. Trong nội dung đề tài này chúng em sử dụng động cơ KF-KP43

3.1.1. GIỚI THIỆU VỀ ĐỘNG CƠ AC SERVO.

Hình 3.6: Động cơ AC Servo

   Về cấu tạo cơ bản thì động cơ hệ AC Servo là dạng động cơ đồng bộ 3 pha dùng nam châm vĩnh cửu. Động cơ hệ Servo sẽ được tích hợp encoder độ phân giải lớn để giúp quá trình điều khiển chính xác. Để điều khiển motor này thì mỗi hãng sẽ tích hợp riêng driver cho động cơ của mình.

     Tùy mỗi ứng dụng thì động cơ AC Servo thường có 3 chế độ điều khiển chính là tốc độ, vị trí và torque (momen), ở mỗi chế độ khác nhau thì chúng ta cần cài đặt tùy theo thông số của ứng dụng và tải. Lưu ý trong một thời điểm AC Servo chỉ chạy được một chế độ, một số loại Servo mới hiện nay như Servo Yaskawa thì có thể chuyển đổi giữa các mode điều khiển trong quá trình hoạt động. Ngoài ra khi sử dụng motor Servo thì bắt buộc các bạn phải dùng driver của đúng hãng đó thì mới có khả năng hoạt động chính xác được.

     Khi sử dụng động cơ AC Servo ta cần quan tâm tới độ phân giải của encoder vì nó sẽ ảnh hưởng đến sai số của máy móc. Độ phân giải đối với Servo hiện nay dao động từ 2500 cho đến hoặc  xung trên một vòng, khi độ phân giải encoder quá cao thì các bạn nên quan tâm tới hộp số điện tử khi điều khiển motor Servo. Đối với một số dòng Servo cũ thì tín hiệu encoder sẽ được nối trực tiếp với driver, một số dòng Servo mới sau này encoder có độ phân giải rất cao nên thường được tích hợp board mạch để chuyển đổi dạng tín hiệu này thành truyền thông để gửi vị trí encoder cho driver.

     Động cơ Servo AC được chia thành động cơ đồng bộ và không đồng bộ, điều khiển chuyển động hiện tại thường được sử dụng động cơ đồng bộ, dải công suất, công suất lớn, quán tính lớn, tốc độ cực đại thấp, tốc độ tăng với công suất suy giảm, thích hợp cho hoạt động trơn tru tốc độ thấp của dịp này.

     Rô-to bên trong motor Servo là nam châm vĩnh cửu, điều khiển điện ba pha U / V / W để tạo thành trường điện từ, rôto quay theo hành động của từ trường và bộ mã hóa đi kèm với tín hiệu phản hồi tới trình điều khiển, giá trị phản hồi và giá trị đích. Giá trị điều chỉnh góc xoay của rôto, độ chính xác của mô tơ Servo phụ thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa (số dòng).

3.1.2.CẤU TẠO

     Động cơ Servo chủ yếu được cấu tạo bởi Stato, Roto (Nam châm vĩnh cửu) và Bộ mã hóa (Bộ dò)

Hình 3.7: Cấu tạo của động cơ hệ AC Servo

     Stato là bệ động cơ, sợi dây được quấn quanh lõi để cung cấp lực cần thiết để xoay Roto.

     Roto là trục quay, nam châm vĩnh cửu cũng được sử dụng trong cấu tạo.

     Bộ mã hóa được cấu tạo để dò vị trí tuyệt đối, được kết nối trực tiếp vào động cơ, bộ mã hóa là bộ dò có thể đọc được vị trí hiện tại của động cơ. Bộ phận mã hóa được cấu tạo bởi đĩa quang và các linh kiện điện tử dễ vỡ nên cần thao tác cẩn thận.

Hình 3.8: Thành phần của bộ mã hóa

Hình 3.9: Động cơ HF-KP43B

Thông số kỹ thuật:

     Tốc độ định mức: 3000r/min

     Công suất đầu ra định mức: 400W

     Độ phân giải encoder: 262144 xung/vòng

     Trọng lượng: 2.1kg

Hình 3.10: Đặc tính momen của động cơ

     Ưu điểm: Điều khiển tốc độ tốt, điều khiển trơn tru trên toàn bộ vùng tốc độ, hầu như không dao động, hiệu suất cao hơn 90%, ít nhiệt, điều khiển tốc độ cao, điều khiển vị trí chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa). Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp, không có bàn chải mặc, bảo trì miễn phí (đối với môi trường không có bụi, nổ)

     Nhược điểm: điều khiển phức tạp hơn, các thông số ổ đĩa cần phải điều chỉnh các thông số PID để xác định nhu cầu kết nối nhiều hơn.

Ứng dụng:

Điều khiển vị trí: Động cơ Servo có thể đạt được vị trí chính xác khi kết hợp các bộ điều khiển vị trí. Một vòng quay roto có thể phân chia thành 131072 vị trí hay nhiều hơn nữa với các hệ thống mới ngày nay

     Điều chỉnh tốc độ: Động cơ có thể ổn tốc ở tốc độ 1/1000 tốc độ định mức với momen đầu ra là hằng số. Do vậy động cơ servo được dùng trong các hệ thống đòi hỏi điều chỉnh tốc độ chính xác trong phạm vi rộng, trong các dây chuyền sản xuất.

     Điều khiển momen: Các ứng dụng đòi hỏi điều khiển vị trí đã được trình bày trong phần trên tuy nhiên động cơ servo có thể đạt được momen cực đại là 300%. Khi sử dụng độc lập động cơ có thể đáp ứng được việc tăng tốc độ/ giảm tốc độ đợt ngột trong 10ms. Từ trạng thái đứng yên chuyển sang tốc độ định mức. Khi động cơ servo được sử dụng không cần thêm các loại tiếp xúc cơ khí điều khiển vị trí khác, thắng/hãm, động cơ DC v.v ….. Vì vậy chi phí bảo dưỡng được giảm thiểu. Ngoài ra động cơ servo không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường.

vThiết kế hệ điều khiển vị trí dùng động cơ hệ AC Servo:

Giới thiệu về hệ điều khiển vị trí.

     Thuật ngữ điều khiển vị trí dùng động cơ hệ AC servo thường được hiểu là điều khiển số lượng vòng quay nhất định của động cơ servo sau đó sử dụng cơ cấu cơ khí chuyển từ dạng quay sang di chuyển ngang dọc như là sử dụng vitme, chính vì vậy ta thường gọi là điều khiển vị trí. Ví dụ một số dòng động cơ hệ AC Servo có độ phân giải encoder khoảng 2500 xung/vòng thì khi ta phát 1 xung cho driver thì motor sẽ quay được 1/2500 vòng.

     Hiện nay có một số dòng Servo linear sẽ di chuyển trực tiếp trên thanh trượt thì bên trong đó không có motor dạng quay mà motor dạng trượt luôn thì đó cũng là một đạng đặc biệt của động cơ hệ AC servo. Khi sử dụng PLC để điều khiển vị trí motor Servo phải sử dụng một số hàm phát xung tốc độ cao để lập trình điều khiển động cơ Servo được thuận tiện và linh hoạt hơn.

Cấu trúc cơ bản của hệ điều khiển vị trí.

Hình 3.11: Cấu trúc cơ bản hệ điều khiển vị trí sử dụng AC Servo

Cấu trúc hệ điều khiển vị trí gồm:

     Bộ điều khiển – Thông thường là PLC hoặc bộ điều khiển chuyển động chuyên dụng sẽ chạy chương trình điều khiển để thực hiện đúng theo yêu cầu kỹ thuật của ứng dụng.

     Bộ điều khiển động cơ – Thiết bị điện tử có chức năng cung cấp đủ năng lượng cho động cơ theo đúng cách, đúng thời điểm.

     Bộ mã hóa xung vòng quay – tạo phản hồi cho hoạt động của động cơ.

Trong hệ thống điều khiển vị trí này chúng em sử dụng PLC Q02UCPU, modul định vị QD75MH2, Driver MR-J3-40B, động cơ KP-HF43B của hãng Mitsubishi.

...

PHẦN 5: NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG VÀ KIỂM TRA KẾT QUẢ

5.1 NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG

vYêu cầu công nghệ:    

     Đóng ATM cấp nguồn cho hệ thống, bấm nút Tiếp tục trục vitme di chuyển đến các vị trí để khay, mỗi khay có 4 ngăn mỗi ngăn chứa 1 loại phụ kiện sau đó gắp vào thùng. Khi gắp đủ 4 loại phụ kiện vào thùng thì dừng 10s để lấy thùng chứa ra. Quy trình cứ thế lặp đi lặp lại. Ấn nút Tạm dừng để dừng các quá trình gắp và nhả sản phẩm. Ấn nút Gốc tọa độ để về vị trí gốc. Đèn báo vàng báo sự cố, đèn báo đỏ báo hệ thống dừng, đèn báo xanh báo hệ thống đang hoạt động.

vNguyên lý hoạt động:

     Đầu tiên đóng Atomat cấp điện cho hệ thống, hệ thống chưa hoạt động nên đèn báo đỏ(P10’) sáng. Người vận hành đặt khay chứa phụ kiện vào trị trí hút phụ kiện. Sau đó ấn nút Bắt đầu, hệ thống bắt đầu hoạt động nên đèn báo xanh(P10) sáng, đèn báo đỏ(P10’) tắt. Hệ thống sẽ di chuyển đến vị trí hút phụ kiện 1(P1), sau đó van cấp khí cho piston(P7) mở cấp khí cho piston đi xuống gặp cảm biến dưới của piston(V1) thì mở van cấp khí cho giác hút(P8) để hút phụ kiện, sau khi đã hút được phụ kiện cảm biến áp suất âm(V2) sẽ báo đủ áp suất và ngắt van cấp khí cho piston(V1) để piston hồi về. Sau khi piston hồi về gặp cảm biến trên của piston(V0) thì di chuyển đến vị trí đặt phụ kiện(P5). Đến vị trí đặt phụ kiện(P5) thì mở van cấp khí cho piston(P7) để piston đặt phụ kiện vào khay chứa, piston đi xuống chạm cảm biến dưới của piston(V1) thì ngắt van cấp khi cho giác hút(P8) để thả phụ kiện ra đồng thời cũng ngắt van cấp khí cho piston(P7) để piston hồi về. Khi gặp cảm biến trên của piston(V0) thì di chuyển đến vị trí hút phụ kiện 2(P2) và bắt đầu quá trình hút phụ kiện sau khi hút vật xong di chuyển đến vị trí đặt phụ kiện(P5). Khi đặt phụ kiện xong di chuyển đến vị trí hút phụ kiện 3(P3), sau khi hút phụ kiện xong di chuyển đến vị trí đặt phụ kiện(P5). Khi đặt phụ kiện xong di chuyển đến vị trí hút phụ kiện 4(P4), khi hút phụ kiện xong thì di chuyển đến vị trí đặt phụ kiện(P5), sau khi đặt phụ kiện thứ 4 xong thì di chuyển về gốc tọa độ dừng 10s(T1) cho người vận hành thay khay đựng phụ kiện khác và chu trình lặp lại 2 lần rồi dừng hẳn chờ người vận hành thay khay chứa phụ kiện khác vào rồi ấn Bắt đầu để quá trình đóng gói phụ kiện lại tiếp tục. Khi hệ thống đang hoạt động ấn nút Dừng hệ thống dừng và ấn nút Bắt đầu hệ thống sẽ tiếp tục chạy. Khi xảy ra sự cố đèn báo vàng(P9) sẽ sáng và hệ thống dừng hoạt động. Khi ấn nút Gốc tọa độ hệ thống sẽ dừng và di chuyển về vị trí gốc tọa độ.

5.2 QUY TRÌNH VẬN HÀNH VÀ XỬ LÝ SỰ CỐ

5.2.1 QUY TRÌNH VẬN HÀNH

     Khi bắt đầu người vận hành cấp nguồn cho hệ thống bằng cách đóng ATM thì đang ở vị trí gốc tọa độ. Người vận hành ấn nút tiếp tục trên màn hình giám sát HMI hệ thống bắt đầu hoạt động di chuyển đến vị trí 1 để thực hiện lấy phụ kiện ở vị trí 1 , khi đến vị trí 1 thì piston đẩy xuống chạm cảm biến dưới thì giác hút chân không được cấp khí để thực hiện hút phụ kiện, khi đã hút được phụ kiện thì piston trở về　và chạm vào cảm biến trên  và bắt đầu di chuyển đến vị trí đặt phụ kiện. Khi đã thực hiện đặt xong phụ kiện vào thùng thì di chuyển đến vị trí tiếp theo để thực hiện lấy phụ kiện tiếp  khi đã lấy đủ 4 phụ kiện thì di chuyển về vị trí gốc và  dừng 10s để người vận hành lấy thùng ra và để thùng mới vào thực hiện  các hành trình tiếp theo. Tại mọi vị trí ấn nút Gốc tọa độ trên màn hình điều khiển HMI thì sẽ thực hiện hết hành trình và quay trở về vị trí gốc tọa độ.

5.2.2 XỬ LÝ SỰ CỐ