điều khiển cánh tay robot scara dùng xử lý ảnh

Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ROBOT
1. Sơ lược quá trình phát triển của robot:
Khái niệm robot ra đời vào đầu tiên vào ngày 9/10/1922 tại New York, khi nhà soạn
kịch người Tệp Kh Karen Kapek đã tưởng tượng ra một cổ máy hoạt động một cách tự
động, nó là niềm mơ ước của con người lúc đó. Từ đó, ý tưởng thiết kế, chế tạo robot
đã luôn thôi thúc con người. Đến năm 1948, tại phòng thí nghiệm quốc gia Argonne,
Goertz đã chế tạo thành công tay máy đôi (master-slavermanipulator). Đến năm 1954,
Goertz đã chế tạo tay máy đôi sử dụng động cơ servo và có thể nhận biết được lực tác
động lên khâu cuối.
Năm 1956, hãng Generall Mills đã chế tạo tay máy hoạt động trong việc thám hiểm
đại dương.
Năm 1968, R.S.Mosher, của General Electric đã chế tạo một cổ máy biết đi bằng
bốn chân. Hệ thống vận hành bởi động cơ đốt trong và mỗi chân vận hành bởi hệ
thống servo thủy lực.
Năm 1969, đại học Stanford đã thiết kế được robot tự hành nhờ nhận dạng hình ảnh.
Năm 1970, con người đã chế tạo robot tự hành Lunokohod, thám hiểm bề mặt của
mặt trăng.
Trong giai đoạn này, ở nhiều nước khác cũng tiến hành nghiên cứu tương tự, tạo ra
các robot điều khiển bằng máy tính có lắp đặt các loại cảm biến và thiết bị giao tiếp
người và máy.
Theo sự tiến bộ của khoa học kĩ thuật, các robot ngày càng được chế tạo nhỏ gọn
hơn, thông minh hơn, thực hiện được nhiều chức năng hơn để đáp ứng nhu cầu của
con người.
Một lĩnh vực được nhiều nước quan tâm là robot tự hành, các chuyển động của
chúng ngày càng đa dạng, bắt chước chuyển động của con người hay các loài động
SVTH: Đinh Ngọc Trải 1
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
vật…. Và các loại xe robot nhanh chóng được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống

sản xuất tự động linh hoạt (FMS).
Từ đó con người liên tục nghiên cứu phát triển robot để ứng dụng trong quá trình tự
động hóa sản xuất để tăng hiệu quả sản xuất. Ngoài ra nó còn thay thế con người trong
các công việc ở môi trường độc hại, khắc nghiệt,…
Chuyên ngành khoa học về robot “robotics” đã trở thành một lĩnh vực rộng trong
khoa học bao gồm các vấn đề cấu trúc cơ cấu động học, động lực học, quỹ đạo chuyển
động, chất lượng điều khiển…. Tùy thuộc vào mục đích và phương thức tiếp cận,
chúng ta có thể tìm hiểu lĩnh vực này ở nhiều khía cạnh khác nhau.
Hiện nay, có thể phân biệt các loại robot ở hai mảng chính: các loại robot công
nghiệp (cánh tay máy) và các loại robot di động (mobile robot). Mỗi loại có các ứng
dụng cũng như đặc tính khác nhau. Ngoài ra, trong các loại robot công nghiệp còn
phân chia dựa vào cấu tạo động học của nó: robot nối tiếp (series robot) và robot song
song (parallel robot).
Chính công nghệ tiên tiến ở tất cả các lĩnh vực: cơ khí, vi mạch, điều khiển, công
nghệ thông tin… đã tạo ra nền tảng cũng như những thử thách lớn đối với khoa học
nghiên cứu robot. Chính vì vậy, con người đã và đang tiếp tục phát triển và nâng cao
mức độ hoàn thiện trong lĩnh vực hấp dẫn này.
2. Các ứng dụng của robot:
2.1 Các ưu điểm khi sử dụng robot:
Các loại robot tham gia vào qui trình sản xuất cũng như trong đời sống sinh hoạt
của con người , nhằm nâng cao năng suất lao động của dây chuyền công nghệ, giảm
giá thành sản phẩm, nâng cao chất lượng cũng như khả năng cạnh tranh của sản phẩm
tạo ra.
Robot có thể thay thế con người làm việc ổn định bằng các thao tác đơn giản và
hợp lý, đồng thời có khả năng thay đổi công việc để thích nghi với sự thay đổi của qui
trình công nghệ.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 2
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
Sự thay thế hợp lý của robot còn góp phần giảm giá thành sản phẩm, tiết kiệm

nhân công lao động.
Một ưu điểm nổi bậc của robot là môi trường làm việc. chúng có thể thay thế con
người làm việc ở những môi trường độc hại, ẩm ướt, bụi bặm hay nguy hiểm. Ở những
nơi như các nhà máy hóa chất, nhà máy phóng xạ, trong lòng đại dương, hay các hành
tinh khác… thì việc ứng dụng robot để cải thiện điều kiện làm việc là rất hữu dụng.
2.2 Một số lĩnh vực ứng dụng:
2.2.1 Ứng dụng trong lĩnh vực sản xuất cơ khí:
Các loại robot hàn ứng dụng trong các nhà máy sản xuất ôtô, sản xuất các loại
vỏ bọc cơ khí….
Hình: robot hàn trong công nghệ sản xuất cơ khí
Ngoài ra robot còn phục vụ cho công nghệ đúc, môi trường nóng bức, bụi bặm
và các thao tác luôn đòi hỏi độ tin cậy.
Trong hệ thống sản xuất linh hoạt, robot đóng vai trò rất quan trọng trong việc
vận chuyển và kết nối các công đoạn sản xuất với nhau.
2.2.2 Ứng dụng trong lĩnh vực gia công lắp ráp: các thao tác của robot được tự
động hóa, gia công chính xác và mức độ tin cậy cao.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 3
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi

Hình: Các robot được sử dụng trong công đoạn cấp liệu và lắp ráp
2.2.3 Ứng dụng trong các hệ thống y học quân sự, khảo sát địa chất:
Ngày nay, việc sử dụng các tiện ích từ robot đến các lĩnh vực quân sự, y tế, …
rất được quan tâm. Nhờ khả năng hoạt động ổn định và chính xác. Robot, đặc biệt là
tay máy được dùng trong kĩ thuật dò tìm, bệ phóng, và trong các ca phẫu thuật y khoa
với độ tin cậy cao.

Hình: robot ứng dụng trong lĩnh vực thám hiểm, quân sự, vệ tinh
Ngoài ra, tùy thuộc vào các ứng dụng cụ thể khác mà robot được thiết kế để
phục vụ cho các mục đích khác nhau, tận dụng được các ưu điểm lớn của chúng đồng

thời thể hiện khả năng công nghệ trong quá trình làm việc.
2.3 Phân loại robot:
2.3.1 Robot công nghiệp:
SVTH: Đinh Ngọc Trải 4
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
a/ Robot nối tiếp: là các loại tay máy, các khâu và các khớp nối của chúng
được thiết kế liên tiếp nhau để hình thành nên các quỹ đạo chuyển động nhất định. Đối
với loại robot này chúng ta có nhiều cách phân loại khác nhau:
- Phân loại theo kiểu kết cấu:
+ Robot kiểu tọa độ đecác
+ Robot kiểu tọa độ trụ
+ Robot kiểu tọa độ cầu
+ Robot kiểu scara
- Phân loại theo nguồn truyền động:
+ Hệ truyền động điện
+ Hệ truyền động thủy lực
+ Hệ truyền động khí nén
b/ Robot song song: robot loại này có các khâu chuyển động song song tương
đối nhau. Thông thường chúng gồm một đế di động và một đế cố định
2.3.2 Robot di động:
Đây là loại robot có nhiều tính năng thông minh và linh hoạt trong quá trình
ứng dụng nhờ khả năng di chuyển theo lập trình.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 5
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
CHƯƠNG II : CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHẦN CỨNG
1. Bộ truyền động trục vít bánh vít:
1.1 Công dụng:
Bộ truyền trục vít – bánh vít gọi tắt là bộ truyền trục vít được xếp vào loại răng và

vít. Bộ truyền trục vít dùng để truyền chuyển động và công suất cho hai trục chéo
nhau. Thông thường hai trục lệch nhau 90
0
. Đặc điểm quan trọng là bộ truyền trục vít
có khả năng tự hãm.
Hình 1.1.1: Bộ truyền động trục vít – bánh vít.
Phân loại trục vít theo dạng mặt chia có hai loại: trục vít trụ ( mặt chia trục vít là
mặt trụ) và trục vít Globoid (mặt chia lõm). Phân loại theo trục ren thì chia thành 3
loại: trục vít Archimede, trục vít Convolute và trục vít thân khai. Đối với bộ truyền
trục vít truyền động thì số mối ren z = 1,2,4. Số mối ren càng ít thì khả năng tự hãm
càng cao.
1.2 Ưu điểm – Nhược điểm:
Ưu điểm: tỷ số truyền lớn, làm việc êm, không ồn, có khả năng tự hãm và có chính
xác động học cao.
Nhược điểm:
- Hiệu suất thấp, sinh nhiệt nhiều do vận tốc trược lớn.
- Vật liệu chế tạo bánh vít làm bằng kim loại màu nên đắt tiền.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 6
Bánh vít
Trục
vít
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
- Phát ra nhiều tiếng ồn khi hoạt động.
1.3 Tỷ số truyền:
Khi trục vít quay một vòng thì bánh vít sẽ quay một góc bằng z
1
lần của góc 2π/z
2
.

Để bánh vít quay một vòng thì trục vít phải quay 2π/(2πz
1
/z
2
) = z
2
/z
1
vòng, nên:
1 2
2 1
n z
u
n z
= =
Với: z
1
: số đầu mối của trục vít.
z
2
: số răng của bánh vít.
2. Động cơ DC:
2.1 Cấu tạo:
Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện DC
ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng như công nghiệp bởi lý do dễ điều khiển, hiệu
suất cao, momen lớn. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở
những nơi yêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi
rộng.
Hình 1.2.1: Động cơ DC
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:

1. Phần ứng hay Rotor (Armature).
SVTH: Đinh Ngọc Trải 7
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
2. Cổ góp (Commutat).
3. Nam châm tạo từ trường hay Stator (field magnet).
4. Chổi than (Brushes).
5. Trục motor (Axle).
6. Bộ phận cung cấp dòng điện DC.
2.2 Nguyên tắc hoạt động:
Hình dưới mô tả nguyên tắc hoạt động của động cơ DC. Dòng điện chạy qua khung
dây sinh ra từ trường. Theo nguyên tắc bàn tay trái lực từ làm cho khung dây quay một
góc 90
0
. Khi roto quay được một góc 90
0
thì lực từ không còn tác dụng là “momen”
quay nữa, nhưng do quán tính làm cho roto quay thêm một góc nhỏ nữa. Roto liên tục
và đúng chiều là do bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển mạch dòng điện sau mỗi vị trí ứng
với ½ chu kỳ.
Trong các máy điện một chiều lớn, người ta có nhiều cuộn dây nối ra nhiều phiến
góp khác nhau trên cổ góp. Nhờ vậy dòng điện và lực quay được liên tục và hầu như
không bị thay đổi theo các vị trí khác nhau của Roto.
Hình 1.2.2: Nguyên lý hoạt động của động cơ DC
SVTH: Đinh Ngọc Trải 8
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
2.3 Các phương pháp điều khiển
Có nhiều cách để điều khiển tốc độ động cơ DC như bằng phương pháp thay đổi
điện áp, thay đổi từ thông hoặc phương pháp điều chỉnh độ rộng xung (PWM). Trong

cánh tay máy thì chúng em chọn phương pháp điều khiển bằng cách thay đổi độ rộng
xung. Chọn phương pháp này vì chúng dễ thực hiện, mạch cấu tạo đơn giản.
Hình 1.2.3: Điều khiển động cơ bằng PWM
. .
hi lo
avg
V a V b
V
a b
+
=
+
Khi tỷ lệ thời gian “on” trên thời gian “off” thay đổi sẽ làm thay đổi điện áp trung
bình (V
AVG
). Tỷ lệ phần trăm thời gian “on” trong một chu kỳ chuyển mạch nhân với
điện áp cấp nguồn sẽ cho điện áp trung bình đặt vào động cơ. Như vậy với điện áp
nguồn cung cấp là 100V, và tỷ lệ thời gian ON là 25% thì điện áp trung bình là 25V.
V
AV
thay đổi từ V
L
đến V
H
tùy theo các độ rộng T
on
và T
off

3. RƠ LE:

3.1 Khái niệm:
Rơ le là một loại khí cụ điện dùng để tự động đóng cắt mạch điều khiển, bảo vệ và
điều khiển hoạt động mạch điện.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 9
V
hi
V
lo
ba
t
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi

Hình 1.3.1 OFF RELAY Hình 1.3.2 SPDT Hình 1.3.3 SPST
Các loại rơle thông dụng: Rơle trung gian, Rơle thời gian, Rơle nhiệt…
3.2 Rơle trung gian ( dùng trong đồ án này)
• CẤU TẠO
- Nam châm điện 1
- Nắp 2
- Lò xo 3
- Hệ thống có tiếp điểm 4 (gồm các tiếp điểm thường mở và tiếp điểm thường
đóng)
• NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG
Khi cuộn dây được cấp điện áp, lực điện từ trong cuộn dây xuất hiện lực này sẽ
thắng lực của lò xo 3 và kéo nắp 2 về phía lõi thép của mạch từ, nên các tiếp điểm
thường đóng mở ra còn các tiếp điểm thường mở đóng lại. Các thanh gắn tiếp điểm
động làm bằng thép lò xo hoặc đồng lò xo mục đích để cho các tiếp điểm tiếp xúc với
nhau tốt hơn. Rơle trung gian dùng để truyền tín hiệu của các rơle bảo vệ trong mạch
điều khiển. Do đó số lượng tiếp điểm của rơle trung gian tương đối nhiều.
4. Encoder:

SVTH: Đinh Ngọc Trải 10
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
4.1 Tìm hiểu về encoder:
Một Encoder thông thường gồm 1 hay nhiều bộ phát và thu nhận ánh sáng. Phần
thu thường là photodiotde hoặc phototransistor, một đĩa chắn quang có khoét lỗ gắn
trên trục quay đặt giữa bộ phát và thu, thông thường trục quay này sẽ được gắn với
trục quay của đối tượng cần đo tốc độ.
Ứng dụng của encoder trong kỹ thuật thường dùng để quản lý và xác định góc quay
của các thiết bị như trục động cơ.
Hình dạng Encoder:
4.2 Các loại Encoder:
• Absolute encoder (Encoder tuyệt đối)
Là loại encoder mà tín hiệu ta nhận đựơc chỉ rõ vị trí của vật thể mà chúng ta
không cần xử lý gì thêm.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 11
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
• Incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị)
Là loại encoder chỉ có 1, 2, hoặc tối đa là 3 vòng lỗ. Chúng ta hình dung thế này,
nếu bây giờ chúng ta đục một lỗ trên một cái đĩa quay, thì cứ mỗi lần đĩa quay 1 vòng,
ta sẽ nhận được tín hiệu, và biết đĩa quay một vòng. Nếu bây giờ đĩa có nhiều lỗ hơn,
ta sẽ có được thông tin chi tiết hơn, có nghĩa là đĩa quay 1/4 vòng, 1/8 vòng, hoặc 1/n
vòng, tùy theo số lỗ nằm trên incremental encoder.
Cứ mỗi lần đi qua một lỗ, chúng ta phải lập trình để thiết bị đo đếm lên 1. Do
vậy, encoder loại này có tên incremental encoder (encoder tăng lên 1 đơn vị).
4.3 Hoạt động của Encoder
Hoạt động Absolute Encoder:
SVTH: Đinh Ngọc Trải 12
Luận văn tốt nghiệp

GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
Vấn đề chúng ta sẽ quan tâm ở đây, chính là vấn đề về độ mịn của encoder, có
nghĩa là làm thế nào biết đĩa đã quay 1/2 vòng, 1/4 vòng, 1/8 vòng hay 1/n vòng, chứ
không phải chỉ biết đĩa đã quay được một vòng.
Với một số nhị phân có 2 chữ số, chúng ta sẽ có 00, 01, 10, 11, tức là 4 trạng thái.
Điều đó có nghĩa là với 2 chữ số, chúng ta có thể chia đĩa encoder thành 4 phần bằng
nhau. Và khi quay, chúng ta sẽ xác định được độ chính xác đến 1/4 vòng.
Tương tự như vậy, nếu với một số có n chữ số, chúng ta sẽ xác định được độ
chính xác đến 1/(2^n) vòng.
Cách xác định 2^n trạng thái này của đĩa encoder:
Ví dụ với đĩa encoder có 2 vòng đĩa.Ta sẽ thấy rằng, ở vòng trong cùng, có một
rãnh rộng bằng 1/2 đĩa. Vòng phía ngoài, sẽ có 2 rãnh nằm đối diện nhau. Như vậy,
chúng ta cần 2 đèn led để phát xuyên qua 2 vòng lỗ, và 2 đèn thu.
Giả sử ở vòng lỗ thứ nhất (trong cùng), đèn đọc đang nằm ở vị trí có lỗ hở, thì tín
hiệu nhận được từ con mắt thu sẽ là 1. Và ở vòng lỗ thứ hai, thì chúng ta đang ở vị trí
không có lỗ, như vậy con mắt thu vòng 2 sẽ đọc được giá trị 0.
Và như vậy, với số 10, chúng ta xác định được encoder đang nằm ở góc phần tư
nào, cũng có nghĩa là chúng ta quản lý được độ chính xác của đĩa quay đến 1/4 vòng.
Trong ví dụ trên, nếu đèn LED đọc được 10, thì vị trí của LED phải nằm trong góc
phần tư thứ hai, phía trên, bên trái.
Kết quả, nếu đĩa encoder có đến 10 vòng lỗ, thì chúng ta sẽ quản lý được đến 1/
(2^10) tức là đến 1/1024 vòng. Hay người ta nói là độ phân giải của encoder là 1024
xung trên vòng (pulse per revolution - ppr).
Nhận thấy một điều rằng, encoder tuyệt đối rất có lợi cho những trường hợp khi
góc quay là nhỏ, và động cơ không quay nhiều vòng. Khi đó, việc xử lý encoder tuyệt
đối trở nên dễ dàng cho người dùng hơn, vì chỉ cần đọc giá trị là chúng ta biết ngay
SVTH: Đinh Ngọc Trải 13
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
được vị trí góc của trục quay. Tuy nhiên, nếu động cơ quay nhiều vòng, điều này

không có lợi, bởi vì khi đó, chúng ta phải xử lý để đếm số vòng quay của trục. Nếu
thiết kế encoder tuyệt đối, chúng ta cần quá nhiều vòng lỗ, và dẫn tới giới hạn về kích
thước của encoder, bởi vì việc gia công chính xác các lỗ quá nhỏ là không thể thực
hiện được. Chưa kể rằng việc thiết kế một dãy đèn led và con mắt thu cũng ảnh hưởng
rất lớn đến kích thước giới hạn này.
Hoạt động Incremental encoder:
Incremental encoder, sẽ tăng 1 đơn vị khi một lần lên xuống của cạnh xung.
Cứ mỗi lần quay qua một lỗ, thì encoder sẽ tăng một đơn vị trong biến đếm. Nếu
cứ đếm vô hạn như thế này, thì chúng ta không thể biết được khi nào nó quay hết một
vòng. mỗi lần có những rung động nào đó mà ta không quản lý được, encoder sẽ bị sai
một xung. người ta đưa vào thêm một lỗ định vị để đếm số vòng đã quay của encoder.
Đây là hình encoder có lỗ định vị:
Tuy nhiên, một vấn đề lớn nữa là, làm sao chúng ta biết encoder đang xoay theo
chiều nào? Bởi vì cho dù xoay theo chiều nào, thì tín hiệu encoder cũng chỉ là các
xung đơn lẻ và xoay theo hai chiều đều giống nhau. Chính vì vậy, người ta đặt thêm
một vòng lỗ ở giữa vòng lỗ thứ 1 và lỗ định vị như hình sau:
SVTH: Đinh Ngọc Trải 14
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
Chú ý rằng, vị trí góc của các lỗ vòng 1 và các lỗ vòng 2 lệch nhau. Các cạnh của
lỗ vòng 2 nằm ngay giữa các lỗ vòng 1 và ngược lại. Tuy nhiên, ta sẽ thấy một điều
rằng, thay vì làm 2 vòng encoder, và dùng 2 đèn LED đặt thẳng hàng, thì người ta chỉ
cần làm 1 vòng lỗ, và đặt hai đèn LED lệch nhau.
4.4 Xác định chiều quay Encoder
Nguyên tắc hoạt động của Encoder dựa vào tín hiệu có hoặc không của ánh sáng tại
phần thu (phototransistor). Khi Encoder quay, ánh sáng luân phiên chiếu qua các rãnh
trên đĩa Encoder. Khi ánh sáng qua rãnh, phototransistor được tích cực, khi đến vị trí
bị chắn ánh sáng phototransistor thụ động trở lại. Quá trình này tạo ra xung tại chân ra
của phototransistor. Xung này chưa vuông, người ta phải thông qua mạch nắn tạo ra
xung vuông như ý muốn. Hai pha A và B đặt lệch nhau 90 độ. Khi quay theo chiều

này thì pha A sớm pha hơn pha B. Nhưng khi quay chiều ngược lại thì pha B sớm hơn
pha A. Thông qua sự sớm và trễ pha ta có thể xác định chiều quay của Enocder.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 15
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
A
B
90
0
*Trường hợp quay thuận: pha B sớm pha hơn pha A
Trường hợp quay nghịch: pha A sớm pha hơn pha B
5. Khí nén:
5.1 Van khí nén:
Van khí nén dùng trong tay máy có nhiệm vụ thay đổi dòng khí vào xi lanh của tay
kẹp. Van sử dụng là van đảo chiều. Có nhiều loại van đảo chiều như: van 2/2, van 3/2,
van 4/2, van 5/2, van 4/3, van 5/3. Tuy nhiên do cơ cấu xi lanh tay kẹp đơn giản nên
chúng em dùng van đảo chiều 5/2. Trong loại van này thì cửa P là cửa cung cấp năng
lượng, cửa A lắp vào bên trái của cơ cấu chấp hành, cửa B lắp vào bên phải của cơ cấu
chấp hành. Cửa T và cửa R là cửa xả năng lượng. Khi con trược van di chuyển qua cửa
phải, cửa P thông với cửa A, cửa B thông với cửa T. Khi con trược di chuyển qua cửa
trái, cửa P thông với cửa B, cửa A thông với cửa R.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 16
A
B
A
B
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
Hình 1.5.1 : Cấu tạo van đảo chiều 5/2.
Hình 1.5.2: Van đảo chiều trong thực tế.

5.2 Xi lanh khí nén:
Xi lanh dùng trong tay kẹp là loại xi lanh 2 chiều. Cấu tạo của xi lanh 2 chiều được
thể hiện như hình dưới:
SVTH: Đinh Ngọc Trải 17
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
6. Sử dụng tọa độ vật để xác định góc quay cánh tay :
OA: CHIỀU DÀI CÁNH TAY KHÂU ĐẾ
AB: CHIỀU DÀI CÁNH TAY KHÂU TRÊN
OC= b (TỌA ĐỘ TRỤC Y CỦA VẬT)
CB= a (TỌA ĐỘ TRỤC X CỦA VẬT)
θ
1
: GÓC QUAY ĐỘNG CƠ 1
θ
2
: GÓC QUAY ĐỘNG CƠ 2

2 2
OB = a + b
SVTH: Đinh Ngọc Trải 18
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
VẬY GÓC QUAY KHÂU ĐẾ: θ
2
= -
( ) = COS
-1
(
2 2 2

OA + AB - OB
2.OA.AB
)
GÓC QUAY KHÂU TRÊN:
θ
1
= 180
0
-
SVTH: Đinh Ngọc Trải 19
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
CHƯƠNG III : LÝ THUYẾT PLC S7-200
1. Tổng quan về PLC:
1.1 Khái niệm chung:
Thiết bị điều khiển logic khả trình PLC là dạng thiết bị điều khiển đặc biệt dựa
trên bộ vi xử lý, sử dụng bộ nhớ lập trình được để lưu trữ các lệnh và thực hiện các
chức năng, chẳng hạn cho phép tính logic, lập chuỗi, định giờ, đếm, và các thuật toán
để điều khiển máy và các quá trình công nghệ, thay cho việc thể hiện thuật toán đó
bằng các mạch số.
Về cơ bản chức năng của bộ điều khiển logic PLC cũng giống như chức năng của
bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các rơle công tắc tơ hoặc trên cơ sở các khối điện tử
đó là:
+ Thu thập các tín hiệu vào và các tín hiệu phản hồi từ các cảm biến.
+ Liên kết, ghép nối các tín hiệu theo yêu cầu điều khiển và thực hiện đóng mở
các mạch phù hợp với công nghệ.
+ Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu
thập được.
+ Phân phát các lệnh điều khiển đến các địa chỉ thích hợp.
SVTH: Đinh Ngọc Trải 20

Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể liên kết
với bộ điều khiển số CNC hình thành bộ điều khiển thích nghi. Trong hệ thống của các
trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLC điều khiển tập trung.
1.2 Thế hệ PLC S7-200:
- S7-200 là PLC thuộc họ Micro Automation của hãng SIEMENS, có thể điều
khiển hàng loạt các ứng dụng khác nhau trong tự động hoá. Với cấu trúc nhỏ gọn, có
khả năng mở rộng, giá rẻ và một tập lệnh SIMATIC mạnh, PLC S7-200 là một lời
giải hoàn hảo cho các bài toán tự động vừa và nhỏ.
- PLC S7-200 cho phép tự động hoá tối đa với chi phí tối thiểu.
- Cài đặt, lập trình và vận hành rất đơn giản.
- Các CPU có thể sử dụng trong mạng, hệ thống phân tán hoặc sử dụng đơn lẻ.
- Có khả năng tích hợp trên quy mô lớn.
- Ứng dụng cho những điều khiển đơn giản và phức tạp.
- Truyền thông mạnh (PPI, Profibus-DP, AS-i)
2. Cấu hình phần cứng PLC:
Bộ PLC thông dụng có 5 bộ phận cơ bản gồm: bộ xử lý, bộ nhớ, bộ nguồn, giao
diện vào/ra và thiết bị lập trình. Sơ đồ khối:
SVTH: Đinh Ngọc Trải 21
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
2.1 Bộ xử lý:
Bộ xử lý còn gọi là bộ xử lý trung tâm (CPU), là linh kiện chứa bộ vi xử lý. Bộ xử
lý biên dịch các tín hiệu vào và thực hiện các hoạt động điều khiển theo chương trình
được lưu trong bộ nhớ của CPU, truyền các quyết định dưới dạng tín hiệu hoạt động
đến các thiết bị ra.
2.2 Bộ nguồn:
Bộ nguồn có nhiệm vụ chuyển đổi điện áp AC thành điện áp thấp cho bộ vi xử lý
(thường là 5V) và cho các mạch điện đầu ra hoặc các module còn lại (thường là 24V).

2.3 Thiết bị lập trình:
Thiết bị lập trình được sử dụng để lập các chương trình điều khiển cần thiết sau đó
được chuyển cho PLC. Thiết bị lập trình có thể là thiết bị lập trình chuyên dụng, có thể
là thiết bị lập trình cầm tay gọn nhẹ, có thể là phần mềm được cài đặt trên máy tính cá
nhân.
2.4 Bộ nhớ:
Bộ nhớ là nơi lưu giữ chương trình sử dụng cho các hoạt động điều khiển. Bộ nhớ
cũng có thể được chế tạo thành module cho phép dễ dàng thích nghi với các chức năng
điều khiển có kích cỡ khác nhau, khi cần mở rộng có thể cắm thêm.
2.5 Giao diện vào/ra:
Giao diện vào là nơi bộ xử lý nhận thông tin từ các thiết bị ngoại vi và truyền thông
tin đến các thiết bị bên ngoài. Tín hiệu vào có thể từ các công tắc, các bộ cảm biến
nhiệt độ, các tế bào quang điện Tín hiệu ra có thể cung cấp cho các cuộn dây công
tắc tơ, các rơle, các van điện từ, các động cơ nhỏ Tín hiệu vào/ra có thể là tín hiệu
rời rạc, tín hiệu liên tục, tín hiệu logic
SVTH: Đinh Ngọc Trải 22
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
3. Bộ nhớ PLC S7-200:
3.1 Vùng nhớ chứa chương trình ứng dụng:
- OB1( Organisation block): vùng nhớ chứa chương trình chính, PLC luôn quét các
lệnh trong vùng nhớ này.
- Subroutine (chương trình con): vùng nhớ chứa chương trình con, chương trình
con được thực hiện khi được gọi bởi chương trình chính.
- Interrup (chương trình ngắt): vùng nhớ chứa chương trình ngắt, chương trình này
sẽ thực hiện khi có một ngắt xảy ra, như: ngắt Timer, ngắt của HSC…
3.2 Địa chỉ một vài vùng nhớ khác
- Vùng nhớ I ( Process image input): I0.0 – I15.7 (128 đầu vào)
- Vùng nhớ Q ( Process Image Output): Q0.0 – Q15.7(128 đầu ra)
- Vùng nhớ M: M0.0 – M31.7

- Vùng nhớ T (Timer): T0 – T255
- Vùng nhớ C ( Counter): C0 – C255
- Đầu vào tương tự: AIW0 – AIW62
- Đầu ra tương tự: AQW0 – AQW62
- Vùng nhớ V (Variable memory): VB0 – VB8191
- Vùng nhớ L (Local memory): LB0 – LB63
- Vùng nhớ SM (Special memory) : SM0.0 – SM549.7
SM0.0 – SM29.7 (Read-only)
-Vùng nhớ bộ đếm tốc độ cao: HC0 – HC5
-Vùng nhớ thanh ghi tổng: AC0 – AC3
SVTH: Đinh Ngọc Trải 23
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
4. Vòng quét chương trình:
PLC thực hiện chương trình theo chu kì lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là vòng quét
(Scan). Thời gian thực hiện vòng quét của PLC phụ thuộc vào: kích thước của chương
trình, số lượng ngõ vào ra, số lượng thông tin truyền thông và tốc độ xử lý của CPU.
Hình 2.4.1 Chu kỳ vòng quét PLC
5. Cấu trúc chương trình:
Chương trình trong S7-200 có thể được lập trình với 2 dạng cấu trúc khác nhau.
a/ Lập trình tuyến tính: toàn bộ chương trình nằm trong một khối trong bộ nhớ.
Loại hình cấu trúc tuyến tính này phù hợp với những bài toán tự động nhỏ, không
phức tạp. Khối được chọn phải là khối OB1, là khối mà PLC luôn quét và thực hiện
các lệnh trong đó thường xuyên, từ lệnh đầu tiên đến lệnh cuối cùng và quay lại lệnh
đầu tiên.
b/ Lập trình có cấu trúc: Chương trình được chia thành những phần nhỏ và mỗi
phần thực thi những nhiệm vụ chuyên biệt riêng của nó, từng phần này nằm trong
những khối chương trình khác nhau. Loại hình cấu trúc này phù hợp với những bài
toán điều khiển nhiều nhiệm vụ và phức tạp. PLC S7-200 có 3 loại khối cơ bản sau:
- Loại khối OB1 (Organization Block): Khối tổ chức và quản lí chương trình điều

khiển. Khối này luôn luôn được thực thi, và luôn được quét trong mỗi chu kì quét.
- Loại khối SBR (Khối chương trình con): Khối chương trình với những chức
năng riêng giống như một chương trình con hoặc một hàm (chương trình con có biến
SVTH: Đinh Ngọc Trải 24
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: Th.S Hoàng Đình Khôi
hình thức). Một chương trình ứng dụng có thể có nhiều khối chương trình con và các
khối chương trình con này được phân biệt với nhau bằng tên của chương trình con đó.
- Loại khối INT ( Khối chương trình ngắt) : Là loại khối chương trình đặc biệt có
khả năng trao đổi một lượng dữ liệu lớn với các khối chương trình khác. Chương trình
này sẽ được thực thi mỗi khi có sự kiện ngắt xảy ra.
6 . Các loại PLC S7-200 (Siemens):
Các loại PLC thông thường: CPU222, CPU224, CPU224XP (có 2 cổng giao tiếp),
CPU226 (có 2 cổng giao tiếp), CPU226XM
Thông thường S7-200 được phân ra 2 loại chính:
a/ Loại CPU 224 AC / DC / RLY cấp điện áp 220VAC :
Ngõ vào : tích cực mức 1 ở cấp điện áp +24VDC ( 15VDC – 30VDC)
Ngõ ra : Ngõ ra rơle
-Ưu điểm của loại này là ngõ ra rơ le, do đó có thể sử dụng ngõ ra ở nhiều cấp điện
áp (có thể sử dụng ngõ ra 0V,24V,220V…)
-Nhược điểm của nó: do ngõ ra rơle nên thời gian đáp ứng của rơle không được
nhanh cho ứng dụng điều rộng xung, hoặc Output tốc độ cao…
Hình 2.6.1 Sơ đồ đấu dây CPU 224 AC / DC / RLY
SVTH: Đinh Ngọc Trải 25