Đề tài cánh tay gắp sản phẩm kết hợp xử lý ảnh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

CÁNH TAY GẮP SẢN PHẨM KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH

MÃ SỐ: SV2020-14

SKC 0 0 7 3 7 7

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 07/2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

CÁNH TAY GẮP SẢN PHẨM KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH
MÃ SỐ : SV2020 - 14

Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Hữu Phú - 16142181

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

i

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN

CÁNH TAY GẮP SẢN PHẨM KẾT HỢP XỬ LÝ ẢNH
MÃ SỐ : SV2020 - 14

Thuộc nhóm ngành khoa học: Điện – điện tử

SV thực hiện: Đỗ Hữu Phú Nam, Nữ: Nam

Dân tộc: Kinh

Lớp, khoa: 16142CL5, Khoa đào chất lượng cao

Năm thứ: 4 /Số năm đào tạo: 4

Ngành học: Điện- Điên tử

Người hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm

TP Hồ Chí Minh, 07/2020

ii

LỜI CẢM ƠN

Em xin gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy Lê Hoàng Lâm _ Giảng viên bộ môn Kỹ
thuật Điện – Điện tử đã trực tiếp hướng dẫn, góp ý, chia sẻ nhiều kinh nghiệm quý báu và

tận tình giúp đỡ tạo điều kiện cho em để hoàn thành tốt đề tài.

Em xin gởi lời chân thành cảm ơn các thầy cô trong Khoa Điện-Điện Tử đã tạo
những điều kiện tốt nhất cho em hoàn thành đề tài.

Em cũng gửi lời đồng cảm ơn đến các bạn lớp 16142CL5 đã chia sẻ trao đổi kiến
thức cũng như những kinh nghiệm quý báu trong thời gian thực hiện đề tài.

Cảm ơn đến cha mẹ đã làm chỗ dựa vững chắc, ln sát cánh kề bên hỗ trợ em, giúp
em có thể đi đến được ngày hôm nay.

Xin chân thành cảm ơn!
Người thực hiện đề tài
Nguyễn Hoàng Trường _ 16142236
Đỗ Hữu Phú _ 16142181

iii

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN ..................................................................................................................... i
MỤC LỤC ......................................................................................................................... iv
Danh mục các từ viết tắt .................................................................................................. vi
Phụ lục hình ảnh ..............................................................................................................vii
Chương 1: Tổng quan ....................................................................................................... 1

1.1 Đặt vấn đề ................................................................................................................. 1
1.2 Nhiệm vụ ................................................................................................................... 1
1.3 Nội dung .................................................................................................................... 2
1.4 Phạm vi đề tài ........................................................................................................... 2

Chương 2: Cơ sở lý thuyết ................................................................................................ 3
2.1 Tổng quan về PLC ................................................................................................... 3

2.1.1 Giới thiệu về PLC .............................................................................................. 3
2.1.2 Cấu trúc của PLC .............................................................................................. 3
2.1.3 Ưu nhược điểm của PLC................................................................................... 5
2.1.4 Ứng dụng của PLC ............................................................................................ 6
2.2 Động cơ servo............................................................................................................ 6
2.2.1 Giới thiệu chung................................................................................................. 6
2.2.2 Phân loại và cấu tạo ........................................................................................... 6
2.2.3 Nguyên lý hoạt động .......................................................................................... 7
2.2.4 Ưu nhược điểm................................................................................................... 8
2.2.5 Ứng dụng ............................................................................................................ 8
2.3 Giới thiệu thiết bị trong mơ hình ............................................................................ 9
2.3.1 Bộ điều khiển driver amplifier MR – J4 – B ................................................... 9
2.3.2 Các chức năng của bộ driver amplifier MR-J4-W2(3)B.............................. 13
2.4 Giới thiệu về động cơ servo sử dụng trong mơ hình ........................................... 14
2.5 Tổng quan về ảnh số và Camera Cognex............................................................. 18
2.5.1 Ảnh số là gì? ..................................................................................................... 18
2.5.2 Cognex Corporation và In-sight Micro 1100 ................................................ 18
2.6 Cáp kết nối .............................................................................................................. 19
2.6.1 Cáp SSCNET III/H .......................................................................................... 19
2.6.2 Cáp Ethernet .................................................................................................... 19
Chương 3: Thiết kế, thi công hệ thống và mô phỏng ................................................... 21

iv

3.1 Yêu cầu hệ thống .................................................................................................... 21
3.2 Thiết kế hệ thống .................................................................................................... 21
3.2.1 Phần cơ khí .......................................................................................................... 21

3.2.2 Phần điện .......................................................................................................... 25
3.2.3 Thi công hệ thống............................................................................................. 31
3.3 Mô phỏng động học trên Matlab .......................................................................... 32
Chương 4 Mơ tả bài tốn ................................................................................................ 33
4.1 Mô tả hệ thống ........................................................................................................ 33
4.2 Mơ tả hoạt động của mơ hình ............................................................................... 33
4.3 Tính tốn phương trình động học ........................................................................ 34
4.3.1 Tính động học thuận........................................................................................ 34
4.3.2 Tính động học nghịch ...................................................................................... 37
4.4 Các giải thuật được áp dụng ................................................................................. 39
4.4.1 Giải thuật chạy nội suy đồng thời 6 trục ....................................................... 39
4.4.2 Giải thuật dời khung ảnh ................................................................................ 40
4.4.3 Bài toán gắp vật đang chuyển động ............................................................... 42
4.4.4 Bài toán xếp chồng 3 vật trên băng tải chuyển động.................................... 44
4.4.5 Bài toán xếp xen kẽ nhiều vật liên tục và có thứ tự trên băng tải chuyển
động ............................................................................................................................ 47
4.5 Các chức năng được sử dụng trong ISM-1100 .................................................... 53
4.5.1 In-Sight Pattern Match ................................................................................... 54
4.5.2 Optical Character Recognition max (OCRmax) .......................................... 56
4.5.3 CalibrateGrid ................................................................................................... 58
Chương 5 Kết quả nghiên cứu và đánh giá................................................................... 59
5.1 Kết quả nghiên cứu ................................................................................................ 59
5.2 Đánh giá .................................................................................................................. 59
Chương 6 Kết luận và hướng phát triển ....................................................................... 60
6.1 Kết luận ................................................................................................................... 60
6.2 Hướng phát triển.................................................................................................... 60
Tài liệu tham khảo........................................................................................................... 61

v

AC (Alternating Current) Danh mục các từ viết tắt

DC (Direct current)
FPS (Frames per second)
ISM (In-Sight Micro)
PLC (Programmable Logic Controller)
POE (Power over ethernet)
PWM (Pulse-width modulation)
RAM (Random Access Memory)
ROM (Read-Only Memory)

vi

Phụ lục hình ảnh

Hình 2.1 Cấu trúc PLC ........................................................................................................ 3
Hình 2.2 Ứng dụng servo trong việc lắp ráp linh kiện điện tử............................................ 8
Hình 2.3 Ứng dụng servo trong ngành sản xuất khn mẫu ............................................... 9
Hình 2.4 Bộ điều khiển MR – J4 – B .................................................................................. 9
Hình 2.5 Hình ảnh cấu tạo bên trong bộ driver amplifier MR-J4_B ................................ 10
Hình 2.6 Giải thích thơng số động cơ servo ...................................................................... 14
Hình 2.7 Các sản phẩm của Cognex Corparation ............................................................. 18
Hình 2.8 Cáp SSCNET III/H............................................................................................. 19
Hình 2.9 Chuẩn màu dây cáp ethernet............................................................................... 19
Hình 2.10 Cáp ethernet kết nối camera ............................................................................. 20
Hình 2.11 Kết nối thiết bị có sử dụng cơng nghệ POE ..................................................... 20
Hình 3.1 Sơ đồ bố trí mơ hình ........................................................................................... 21
Hình 3.2 Sơ đồ bố trí mơ hình ........................................................................................... 22
Hình 3.3 Thơng số robot.................................................................................................... 22

Hình 3.4 Thơng số robot.................................................................................................... 23
Hình 3.5 Thơng số khung và băng tải................................................................................ 23
Hình 3.6 Bản vẽ đế và khớp nối 1 ..................................................................................... 24
Hình 3.7 Bản vẽ khớp nối 2 và 3 ....................................................................................... 24
Hình 3.8 Bản vẽ khớp nối 4,5 và 6 .................................................................................... 24
Hình 3.9 Bản vẽ robot hồn chỉnh..................................................................................... 25
Hình 3.10 Sơ đồ khối hệ thống.......................................................................................... 25
Hình 3.11 Driver amplifier J4 ........................................................................................... 29
Hình 3.12 Camera ISM-1100 ............................................................................................ 29
Hình 3.13 Nam châm điện................................................................................................. 30
Hinh 3.14 HMI GT1155HS-QSBD ................................................................................... 30
Hinh 3.15 Sơ đồ điều khiển tổng qt ............................................................................... 30
Hình 3.16 Thi cơng phần cơ khí ....................................................................................... 31
Hình 3.17 Thi cơng phần điện .......................................................................................... 31
Hinh 3.18 Giao diện GUI .................................................................................................. 32
Hình 4.1 Thơng số cơ cấu robot ........................................................................................ 35
Hình 4.2 Gán tọa độ cho các khớp .................................................................................... 35
Hình 4.3 Khớp xoay .......................................................................................................... 37
Hình 4.4 Độ dài cơ cấu robot ............................................................................................ 37
Hình 4.5 Hình vẽ tính động học nghịch ............................................................................ 37
Hình 4.6 Lưu đồ nội suy.................................................................................................... 40
Hình 4.7 Hình vẽ tìm Ox theo gốc tọa độ robot ................................................................ 41
Hình 4.8 Hình vẽ tìm Oy theo gốc tọa độ robot ................................................................ 41
Hình 4.9 Lưu đồ giải thuật gắp vật chuyển động .............................................................. 43
Hình 4.10 Biểu đồ vận tốc, thời gian................................................................................. 43
Hình 4.11 Lưu đồ giải thuật xếp chồng ............................................................................. 45
Hình 4.12 Biểu đồ vận tốc theo thời gian.......................................................................... 45
Hình 4.13 Lưu đồ tổng quat xếp vật xen kẽ ...................................................................... 49

vii

Hình 4.14 Biểu đồ vận tơc, thời gian................................................................................. 51
Hình 4.15 Giao diện EasyBuilder...................................................................................... 53
Hình 4.16 Giao diện Spreedsheet ...................................................................................... 54
Hình 4.17 Thơng số cài đặt TrainPatMaxPattern .............................................................. 55
Hình 4.18 Vật mẫu............................................................................................................. 55
Hình 4.19 Thơng số cài đặt FindPatmaxPattern................................................................ 55
Hình 4.20 Ảnh lấy vùng và fix segmentation.................................................................... 56
Hình 4.21 Ảnh train chữ thành cơng và lưu vơ database .................................................. 56
Hình 4.22 Thơng số cài đặt segmentation ......................................................................... 57
Hình 4.23 Thơng số cài đặt OCRMax ............................................................................... 57
Hình 4.24 Lưới hiệu chuẩn ................................................................................................ 58
Hình 4.25 Xác định gốc tọa độ của lưới ............................................................................ 58

viii

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1. Thông tin chung:

- Tên đề tài: Cánh tay gắp sản phẩm kết hợp xử lý ảnh

- Chủ nhiệm đề tài: Đỗ Hữu Phú Mã số SV: 16142181

- Lớp: 16142Cl5 Khoa: Đào tạo Chất lượng cao

- Thành viên đề tài:

Stt Họ và tên MSSV Lớp Khoa

1 Nguyễn Hoàng Trường 16142236 16142CL5 Đào tạo Chất lượng cao

- Người hướng dẫn: Th.S Lê Hoàng Lâm
2. Mục tiêu đề tài: Xây dụng được mơ hình robot gắp, sắp xếp sản phẩm trên băng tải.
3. Tính mới và sáng tạo: Đề tài giải quyết được bài toán di động, gắp vật đang chuyển động.
4. Kết quả nghiên cứu: Hồn thành mơ hình cánh tay robot kết hợp với camera công nghiệp và gắp thả
vật trên băng tải; nghiên cứu được nhiều thuật tốn với tính ứng dụng khác nhau.

5. Đóng góp về mặt giáo dục và đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phịng và khả
năng áp dụng của đề tài: Mơ hình ứng dụng được vào các lĩnh vực tự động hóa trong
công nghiêp như: lắp ráp chi tiết, sắp xếp sản phẩm,…Ngồi ra, mơ hình cịn có thể áp
dụng vào việc giảng dạy ở bậc Cao đẳng và Đại học, giúp cho sinh viên tiếp cận gần hơn
các máy móc cơng nghiệp và có một cái nhìn tổng qt hơn về mơ hình robot 6 bậc nói
riêng và tự động hóa trong cơng nghiệp nói chung.

6. Cơng bố khoa học của SV từ kết quả nghiên cứu của đề tài: Không có
Ngày tháng năm

SV chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

(kí, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của SV thực hiện đề tài
Ngày tháng năm
Người hướng dẫn

(kí, họ và tên)

ix

Chương 1: Tổng quan

1.1 Đặt vấn đề
Thế giới đã bước vào cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư được xây dựng dựa

trên cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ 3 đã xuất hiện từ giữa thế kỉ 20. Đây là cuộc
Cách mạng chưa từng có trong lịch sử nhân loại, nó diễn biến rất nhanh, từng bước làm
chủ các ngành công nghiệp trên thế giới, đẩy mạnh các quá trình tự động hóa trong sản
xuất cơng nghiệp.

Ngành cơng nghiệp tự động hóa tập trung nghiên cứu, thiết kế, vận hành các hệ
thống tự động, các dây chuyền sản xuất tại các nhà máy; thiết kế và chế tạo robot trong
việc lắp ráp sản phẩm, nâng cao năng suất làm việc.

Bên cạnh việc nhắm đến nâng cao hiệu suất làm việc, cắt giảm chi phí nhân cơng,
một số ngành cơng nghiệp cịn địi hỏi độ chính xác cao mà con người không thể đáp ứng.

Các hệ thống điều khiển tự động trước đây như động cơ 3 pha, động cơ bước, pit-
tông, … hay các bộ điều khiển như các con chip, vi xử lý hiệu năng thấp, … sai số từ cơ
khí và thêm cả thời gian xử lý thấp dẫn tới việc điều khiển thực tế sai khác với lý thuyết
được tính trước, khơng đáp ứng đủ các yêu cầu ở tại. Từ đó, hệ thống điều khiển tự động
hiện đại đã phát triển thêm các thiết bị như động cơ servo, camera, cơ cấu cánh tay robot
công nghiệp, … được sử dụng trong các công việc địi hỏi sự linh hoạt, khơng gian làm
việc rộng, tốc độ cao mà vẫn đảm bảo được độ chính xác đến mức yêu cầu. Các bộ điều
khiển cũng ngày càng được cải thiện thời gian đáp ứng, phương pháp giao tiếp với các thiết
bị ngoại vi được nâng cao và phương pháp lập trình theo các loại ngơn ngữ cơ bản cũng

được cải thiện mang đến cho người dùng cái nhìn trực quan, dễ dàng lập trình và quản lý.

Tự động hóa là nền tảng, giúp các ngành cơng nghiệp phát triển mạnh mẽ. Bên cạnh
việc tự động hóa trong các quy trình sản xuất, bất cứ quy trình nào cũng cần phải đáp ứng
được tốc độ và độ chính xác. Từ các yêu cầu trong lĩnh vực ngành tự động hóa trong giải
đoạn thế giới đang phát triển mạnh mẽ và qua việc tìm hiểu các tiêu chí như đã nêu trên,
nhóm chúng em quyết định lựa chọn đề tài “CÁNH TAY ROBOT 6 TRỤC KẾT HỢP XỬ
LÝ ẢNH”. Cánh tay robot được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, giúp nâng cao
hiệu quả hoạt động, tiết kiệm không gian làm việc, giảm thiểu chi phí vận hành, hạn chế
sai sót và mang lại mơi trường làm việc an tồn, giúp con người thực hiện những cơng việc
có mức độ nguy hiểm và rủi ro cao.

1.2 Nhiệm vụ
- Xây dựng được mơ hình theo u cầu thiết kế ban đầu được đặt ra.

- Hiểu rõ cơ chế hoạt động và cách sử dụng các thiết bị sử dụng trong mơ hình.

- Lắp đặt tủ điện điều khiển và kết nối thành công các thiết bị với nhau dựa trên các tiêu
chuẩn được quy định.

- Lập ra được lưu đồ và đưa ra được ý tưởng giải thuật đáp ứng đúng các yêu cầu của bài
toán được cho trước.

1

1.3 Nội dung
Với mục tiêu đã đề ra, nhóm chúng em xây dựng bố cục đồ án khái quát như sau:
Chương 1: Tổng quan
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương 3: Thiết kế, thi công và mô phỏng

Chương 4: Mô tả và xử lý bài toán
Chương 5: Kết quả nghiên cứu và đánh giá
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
1.4 Phạm vi đề tài

Đề tài xoay quanh tập trung việc điều khiển cánh tay robot chạy đúng vị trí, kết hợp
với camera để nhận biết được vật và đuổi theo. Bên cạnh đó cịn mở rộng thêm điều khiển
cánh tay robot xếp vật trên băng tải chuyển động và dạy robot chạy theo được quỹ đạo cho
trước.

Giới hạn đề tài: không gian làm việc hạn chế, phạm vi nhận biết vật nhỏ, cơ khí
khơng ổn định nên bị giới hạn tốc độ.

2

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

2.1 Tổng quan về PLC
2.1.1 Giới thiệu về PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển khả trình cho phép thực
hiện linh hoạt các thuật tốn điều khiển logic thơng qua một ngơn ngữ lập trình nào đó.
Người sử dụng có thể lập trình để thực hiện một loạt trình tự, sự kiện. Ngơn ngữ lập trình
có thể là Ladder hay State logic.

PLC ra đời để thay thế những hệ thống điều khiển cũ sử dụng nhiều relay, tiếp điểm, nút
nhấn để thực hiện nhiệm vụ, trong khi đó PLC sử dụng các tiếp điểm ảo giúp người thiết
kế có thể dễ dàng thay đổi, lập trình và hiệu chỉnh cho nhiều nhiệm vụ khác nhau trong
thực tế.

Cùng với sự phát triển của máy móc tự động hóa thì PLC dần dần được tích hợp
thêm nhiều tính năng khác nhằm giúp nó có thể điều khiển được nhiều thiết bị cũng như
khả năng kết nối nhiều hệ thống với nhau. Những tính năng mở rộng phổ biến hiện nay của
PLC như khả năng đọc và xuất tín hiệu analog. Tích hợp khả năng đọc xung tốc độ cao từ
cảm biến đo vòng quay encoder. Kết nối với nhiều thiết bị ngoại vi bằng truyền thơng như
màn hình cảm ứng HMI, máy tính, camera, …

2.1.2 Cấu trúc của PLC

PLC hoạt động theo nguyên lý nhận biết tín hiệu đầu vào, mạch điều khiển sẽ hoạt
động liên tục tuần hồn theo chương trình mà người dùng lập trình sẵn và xuất các kết quả
hay các tín hiệu ngõ ra đến ngõ ra của PLC.

Hình 2.1 Cấu trúc PLC
Tất cả các PLC đều có các thành phần chính là:

- Bộ xử lý trung tâm: được gọi là CPU (Central Procesing Unit) chứa các chương
trình ứng dụng và các tín hiệu nhập xuất. Nó được kết nối trực tiếp đến các thiết bị I/O và
các thiết bị truyền thơng. Khi có tín hiệu đầu vào (tín hiệu điều khiển hay dữ liệu đầu vào),

3

CPU sẽ xử lý và gửi tín hiệu đầu ra (tín hiệu điều khiển hay dữ liệu đầu ra) đến thiết bị
xuất tương ứng.

- Bộ nhớ chương trình: có nhiều loại bộ nhớ khác nhau dùng để lưu trữ trạng thái
hoạt động của hệ thống và dữ liệu của người dùng. Tùy vào yêu cầu của người dùng có thể
chọn các loại bộ nhớ khác nhau:

+ Bộ nhớ chỉ đọc ROM: là một bộ nhớ không khả biến (không bị mất dữ liệu khi

mất nguồn điện), nó chỉ có thể lập trình một lần. Do đó khơng thích hợp cho việc điều
khiển liên tục thay đổi. ROM ít phổ biến so với các loại bộ nhớ khác.

+ Bộ nhớ ghi đọc RAM: là một bộ nhớ được sử dụng phổ biến trong việc lưu trữ dữ
liệu và chương trình người sử dụng. Tuy nhiên, số lần nạp chương trình vào RAM bị hạn
chế và RAM sẽ bị mất dữ liệu khi nguồn điện bị mất. Điều này có thể giải quyết bằng cách
gắn thêm vào RAM nguồn điện dự phòng bằng cách dùng pin. Ngày nay, trong kỹ thuật
phát triển PLC, người ta dùng CMOSRAM nhờ vào sự tiêu tốn năng lượng khá thấp nên
tuổi thọ pin được kéo dài. Ngồi ra, pin dự phịng có thể chọn pin sạc gắn với hệ thống, pin
sẽ được nạp sạc khi cấp nguồn cho PLC.

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được EPROM: là một nhớ lưu trữ dữ liệu giống
như ROM, tuy nhiên nội dung của nó có thể bị xóa đi bằng cách phóng tia tử ngoại vào
một cửa sổ nhỏ trên EPROM và sau đó người dùng mới có thể viết lại chương trình trong
bộ nhớ.

+ Bộ nhớ chỉ đọc chương trình xóa được bằng điện EEPROM: là một bộ nhớ kết
hợp cả 2 ưu điểm linh động của RAM và tính khả biến của EPROM. Nội dung trên
EEPROM có thể lập trình và bị xóa bằng điện, tuy nhiên chỉ được một số lần nhất định.

Để đảm bảo cho PLC hoạt động thì phải cần có bộ nhớ để lưu trữ chương trình, đơi khi cần
phải mở rộng thêm bộ nhớ để thực hiện các chức năng khác như:

+ Vùng đệm tạm thời lưu trữ trạng thái của các kênh xuất/ nhập được gọi là RAM
xuất nhập.

+ Vùng đệm tạm thời lưu trữ các trạng thái của các chức năng bên trong như timer,
counter, relay nội, …

- Hệ thống các ngõ vào/ ra: mức độ thông minh của một hệ thống điều khiển phụ

thuộc vào khả năng của PLC có thể đọc được nhiều loại dữ liệu khác nhau từ các thiết bị
ngoại vi như cảm biến hay các thiết bị nhập bằng tay.

Tiêu biểu cho các thiết bị nhập bằng tay như: nút nhấn, bàn phím, cơng tắc chuyển
mạch, …. Mặt khác, để đo hay kiểm tra được chuyển động, áp suất, lưu lượng chất lỏng,
khoảng cách, …PLC phải nhận biết được các tín hiệu trả về từ cảm biến như cảm biến
chuyển động, cảm biến áp suất, cảm biến mực nước, cảm biến khoảng cách, … Các tín
hiệu đưa vào PLC có thể là tín hiệu số hoặc tín hiệu tương tự. Một số loại PLC tích hợp

4

ngõ vào/ ra nhận và xuất cả tín hiệu số hoặc tương tự nhưng một số loại cần phải kết nối
mở rộng với các module vào/ ra.

- Các cổng truyền thơng: có nhiều mạng truyền thông khác nhau được thiết kế để
kết nối PLC với các module, thiết bị ngoại vi hay PLC khác. Chúng được mô tả dựa trên
các giao thức nhất định. Dựa trên các giao thức này, các mạng truyền thông trong công
nghiệp được phân thành nhiều loại phổ biến được như giao thức nối tiếp, HART,
DeviceNet, ControlNet, Modbus, Profibus, …

- Đèn báo trạng thái: trên mỗi PLC thường được thiết kế đèn báo nguồn, báo trạng
thái CPU, báo lỗi, báo trạng thái tín hiệu ngõ vào/ ra, …
2.1.3 Ưu nhược điểm của PLC

Sự ra đời của hệ thống PLC đã làm thay đổi hệ thống điều khiển dùng relay cũng
như các khái niệm thiết kế về chúng. Hệ thống điều khiển sử dụng PLC có những ưu điểm
vượt trội sau:
- Giảm số lượng dây nối.
- Công suất tiêu thụ thấp.
- Khả năng lập trình mở, ngơn ngữ lập trình dễ học.

- Gọn nhẹ, dễ dàng tích hợp vào các hệ thống.
- Số lượng tiếp điểm nội trong chương trình sử dụng khơng hạn chế.
- Thời gian xử lý chương trình nhanh, tăng cao tốc độ sản xuất.
- Được thiết kế tương thích với chuẩn cơng nghiệp, có khả năng kết nối với các thiết bị
khác như: máy tính, module mở rộng, … tạo thành mạng công nghiệp hoặc kết nối với
Internet dễ dàng.
- Được thiết kế để làm việc trong môi trường cơng nghiệp, có khả năng chống nhiễu, chịu
ẩm, …
- Các phần mềm hỗ trợ lập trình, giám sát được thiết kế trực quan, chuyên nghiệp, dễ tiếp
cận.
Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển sử dụng PLC còn tồn tại một số nhược điểm sau:
- Giá thành cao, một số hãng chiếm độc quyền về bản quyền phần mềm, không hỗ trợ miễn
phí cho người dùng.
- Việc sử dụng PLC địi hỏi người dùng phải có trình độ chun mơn nhất định.
- Các mạch điện được tích hợp với nhau, gây khó khăn cho việc sửa chữa.

5

2.1.4 Ứng dụng của PLC

- PLC được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau trong công nghiệp như: dây
chuyền sản xuất, dây chuyền lắp ráp, kiểm tra quá trình sản suất, giám sát năng lượng, điều
khiển hệ thống tự động, …

- Trong hệ thống quản lý từ xa Scada, đặc biệt là hệ thống điều khiển phân tán DCS, PLC
được sử dụng để thu thập khác tín hiệu I/O điều khiển từ xa.

2.2 Động cơ servo
2.2.1 Giới thiệu chung

Động cơ là một bộ phận quan trọng, chiếm hơn 80% năng lượng trên thế giới. Tùy
vào nhu cầu sử dụng mà động cơ được chế tạo và phân thành rất nhiều loại. Trong kỹ thuật
điều khiển, khi các yêu cầu về độ chính xác vị trí, tốc độ hay moment được đề cao, các
động cơ thông thường không thể đáp ứng nên cơ cấu servo (hay động cơ servo) đã được
nghiên cứu và phát triển.

Cũng như các loại động cơ điện khác, động cơ servo cũng là một máy điện dùng để
chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học. Nhưng sự khác biệt lớn nhất là độ
chính xác và thời gian đáp ứng nhanh. Ngoài ra, động cơ servo ngày nay được cải tiến để
có thể vận hành trong các chế độ tốc độ chậm với moment cao hay tốc độ cao và dừng đột
ngột, …

2.2.2 Phân loại và cấu tạo
Động cơ servo được phân loại dựa trên các đặc đính sau:

- Dựa vào kiểu chuyển động:

+ Động cơ servo quay theo vị trí: Các servo quay theo vị trí có thể xoay trục trong
khoảng một nửa vịng trịn. Ngồi ra, nó có tính năng bảo vệ cảm biến quay khỏi vượt q
vịng quay. Động cơ vị trí chủ yếu được sử dụng ở tay chân, cánh tay robot, …

+ Động cơ servo quay liên tục: Các servo liên tục có cấu tạo tương tự như servo vị
trí. Nhưng, nó có thể di chuyển theo cả chiều thuận và chiều ngược kim đồng hồ. Những
loại servo này được sử dụng trong các hệ thống radar và robot, …

+ Động cơ servo quay tuyến tính: Động cơ servo tuyến tính cũng giống như servo
vị trí, nhưng có thêm các bánh răng để điều chỉnh đầu ra từ quay vòng tròn sang quay qua
lại (trái phải). Những loại servo này được sử dụng trong các máy bay mô hình cao cấp và
rất hiếm thấy trên thị trường.

- Dựa vào tín hiệu hoạt động:

+ Động cơ servo tín hiệu tương tự: được xem là một dạng động cơ servo tiêu chuẩn,
nó điều chỉnh tốc độ thông qua việc gửi và ngắt xung hay còn gọi là phương pháp điều chế
độ rộng xung PWM. Phạm vi của tín hiệu từ 4,8V đến 6V. Tốc độ nhận xung khoảng 50
xung/ giây. Một trong những nhược điểm chính của động servo tương tự là có độ trễ trong

6

việc phản ứng với các lệnh nhỏ, nó làm cho động cơ quay không đủ nhanh và moment xoắn
tạo ra không đủ.

+ Động cơ servo tín hiệu số: Động cơ servo sử dụng bộ vi xử lý nhỏ, nhận tín hiệu
và hoạt động ở các xung điện áp tần số cao. Động cơ servo có thể nhận xung với tốc độ
300 xung/ giây nên có thể phản ứng mượt mà, moment xoắn ổn định và tốc độ động cơ
servo cao hơn.

- Dựa vào loại nguồn cấp: Động cơ servo được phân thành 2 loại chính là động cơ dc servo
và ac servo để đa dạng trong việc ứng dụng vào các công việc khi cần sử dụng đến nó.

+ Động cơ DC servo: động cơ sử dụng nguồn điện áp một chiều để điều khiển, thông
thường là nguồn 12V hoặc 24V. Động cơ DC servo có thể phản ứng moment xoắn nhanh
vì do cấu tạo là nam châm vĩnh cửu nên moment xoắn và thơng lượng được tách rời. Do
đó, một sự thay đổi nhỏ trong điện áp hoặc dịng điện phần ứng có thể mang lại sự thay đổi
lớn về vị trí hoặc tốc độ của rotor.

+ Động cơ AC servo: động cơ sử dụng nguồn điện áp xoay chiều để điều khiển, có
thể dùng nguồn xoay chiều 220V hoặc 380V để điều khiển. Hầu hết các động cơ AC servo
là loại cảm ứng lồng sóc 2 pha, tiêu thụ năng lượng ít, sử dụng cho các ứng dụng năng
lượng thấp. Còn động cơ loại cảm ứng lồng sóc 3 pha hiện được sử dụng trong hệ thống

cần công suất lớn.

2.2.3 Nguyên lý hoạt động

Cấu tạo chung của động cơ servo bao gồm các thành phần cơ bản sau:

- Stator: là phần đứng yên, làm nhiệm vụ dẫn từ trong động cơ. Stator được cấu tạo từ nhiều
lá thép kỹ thuật được dập rãnh và ép chặt lại với nhau để tạo thành rãnh quấn dây. Các lá
thép này được phủ sơn cách điện để giảm tổn hao do dịng điện xốy (dịng fuco) gây ra.
Ngồi ra, cịn có vỏ máy và nắp máy.

- Rotor: là phần chuyển động, bao gồm lõi thép và dây quấn. Lõi thép dạng hình trụ được
làm bằng những lá thép kỹ thuật điện, dập thành đĩa và được ép chặt lại, trên mặt có những
đường rãnh để đặt các thanh dẫn hoặc dây quấn. Lõi thép được ghép chặt với trục quay và
đặt trên hai ổ đỡ của stator. Dây quấn có 2 loại là rotor lồng sóc và rotor dây quấn.

- Ổ trục: có 2 phần gồm ổ trục trước và ổ trục sau để cố định rotor, sử dụng cho chuyển
động của trục.

- Bộ mã hóa: có tích hợp cảm biến tiệm cận để xác định tốc độ quay và vị trí của động cơ.

Nguyên lý hoạt động: cấp dòng điện xoay chiều qua dây quấn quanh stator để tạo ra từ
trường quay. Từ trường này sẽ quét qua các thanh dẫn của rotor, làm xuất hiện xuất điện
động cảm ứng, tạo ra dòng điện trong các thanh dẫn. Những thanh dẫn nằm trong từ trường
sẽ tương tác với nhau, tạo ra lực điện từ. Các lực điện từ này sẽ tạo ra moment quay với
trục rotor, làm rotor quay theo chiều của từ trường. Phần lớn các motor điện hoạt động theo

7

nguyên lý điện từ như trên, tuy nhiên có nhiều loại motor hoạt động dựa theo nguyên lý

khác như lực tĩnh điện hay hiệu ứng điện áp.
2.2.4 Ưu nhược điểm
- Ưu điểm: là hệ thống hồi tiếp vịng kín, chính vì vậy động cơ servo DC rất dễ điều khiển,
dễ sử dụng. Bên cạnh đó động cơ cịn giúp kiểm sốt tốc độ chính xác, đảm bảo q trình
vận hành được ổn định.
- Nhược điểm:
+ Không làm việc ở chế độ mạch điều khiển mở nên phụ thuộc vào hệ thống hồi tiếp.
+ Chi phí đầu tư cao, bảo dưỡng tốn kém hơn so với các loại động cơ khác.
+ u cầu người dùng có kiến thức chun mơn nhất định.
2.2.5 Ứng dụng
- Ứng dụng trong ngành điện – điện tử: máy lắp linh kiện điện tử, phun keo nhiệt trên các
con chip trên bảng mạch với tốc độ và độ chính xác cao. Thường sử dụng AC servo để đáp
ứng các yêu cầu này.

Hình 2.2 Ứng dụng servo trong việc lắp ráp linh kiện điện tử
- Ứng dụng trong ngành sản xuất thực phẩm, đồ uống, thiết bị y tế: nhu cầu về quy trình
khơng chỉ đảm bảo về an tồn mà còn phải đạt đủ các tiêu chuẩn về chất lượng nên động
cơ servo đang được xem là một giải pháp trong lĩnh vực này.
- Ứng dụng trong ngành sản xuất khn mẫu, gia cơng phơi: cơ khí chiếm tầm quan trọng
cực kỳ cao trong bất kỳ cơ cấu nào nên yêu cầu về cơ khí ngày càng được đề cao về sự
chính xác. Vì thế, các động cơ servo với độ phân giải bộ mã hóa lớn, được ứng dụng trong
các quy trình khn mẫu cần độ chính xác đến hàng micrometer.

8

Hình 2.3 Ứng dụng servo trong ngành sản xuất khuôn mẫu
2.3 Giới thiệu thiết bị trong mơ hình
2.3.1 Bộ điều khiển driver amplifier MR – J4 – B

Hình 2.4 Bộ điều khiển MR – J4 – B

9

Hình 2.5 Hình ảnh cấu tạo bên trong bộ driver amplifier MR-J4_B
Chức năng các chân của bộ driver amplifier MR-J4-B

Tên chân Chức năng

CN1A Kết nối với cáp SSCNET III.

Được sử dụng để kết nối với bộ điều khiển hoặc chân CN1B của bộ
driver amplifier của trục trước.

CN1B Kết nối với cáp SSCNET III.

Được sử dụng để kết nối với chân CN1A của bộ driver amplifier của
trục sau.

10