Nghiên cứu chế tạo robot gắp sản phẩm trong công nghiệp

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

ii

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


Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

iii

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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

iv

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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

1

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.


Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

2

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.
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

3

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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

4

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.
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

5

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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

6

CHƢƠNG 2: THIẾT KẾ VÀ LẮP ĐẶT ROBOT GẮP VÀ PHÂN
LOẠI SẢN PHẨM
2.1 Trình tự thiết kế và lắp đặt

Hình 2.1 Trình tự thiết kế và lắp đặt


Giải thuật
Thiết kế và lắp đặt mô hình
cơ khí
Thiết kế hệ thống điều khiển
Chân đế chịu
lực cho: băng
chuyền, robot,
bảng điều
khiển

Băng chuyền
Hệ thống
truyền động
robot

Hệ thống dây
nối

Bảng điều
khiển

Màn hình
HMI
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

7

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

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

8

 Các module mở rộng

Hình 2.6 Module nguồn PS307 -5a

Hình 2.7 Module truyền thông CP 343-1
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

9


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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

10

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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

11

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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

12

Piston

Hình 2.17 Piston khí nén
Solenoid valve

Hình 2.18 Solenoid valve

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

13

2.3 Kết nối và lắp đặt

Hình 2.19 Sơ đồ tổng quát

Hình 2.20 Sơ đồ kết nối.
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

14

 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

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

15

a. 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
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

16

b. 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.
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

17

- 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.

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

18

CHƢƠNG 3 : THIẾT KẾ GIAO DIỆN NGƢỜI DÙNG
3.1 Yêu cầu
Thiết kế giao diện giám sát, điều khiển PLC S7-300 thông qua màn hình
máy tính. Màn hình trực quan, sinh động, dễ sử dụng, hiển thị trạng thái của

hệ thống một cách chính xác, nhanh chóng.
3.2 Phƣơng pháp thiết kế
Sử dụng phần mềm Wincc flexible 2008 của hãng siemen
Thiết kế năm màn hình hiển thị
Tạo một dự án mới bằng phần mềm Wincc flexible 2008

Hình 3.1 Phần mềm Wincc flexible 2008
Tạo các tag liên kết với PLC S7-300, các tag phải có địa chỉ tƣơng ứng
với các tag của PLC s7-300 nhƣ bảng 3.1 dƣới đây.

Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

19

Bảng 3.1 Tag liên kết


 Thiết kế giao diện màn hình chính
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

20

Màn hình chính là màn hình đầu tiên khi truy cập, dùng để giám sát hệ
thống, và truy cập vào từng chế độ.
Các tag sử dụng: Tag 19, tag 9,tag 28.

Hình 3.2 Màn hình chính
 Thiết kế giao diện hiển thị chế độ điều khiển bằng tay
Hiển thị trạnh thái của các piston, trạng thái của các cảm biến, trạng thái
của băng chuyền.

Các tag sử dụng: Tag 23, tag 24, tag 25, tag 26, tag 16, tag 35, tag 39, tag
8, tag 31, tag 12, tag 13, tag 14, tag 15.
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

21


Hình 3.3 Màn hình hiển thị chế độ điều khiển bằng tay
 Thiết kế giao điện menu chọn chế độ điều khiển tự động
Cho phép giám sát truy cập vào ba chế độ tự động: Auto1, auto 2, auto 3.
Các tag sử dụng: Tag 17, tag 18, tag 19, tag 20.

Hình 3.4 Màn hình chọn chế độ điều khiển tự động
Báo cáo nghiên cứu khoa học Trường Đại Học Bà Rịa – Vũng Tàu

22

 Thiết kế giao diện chế độ auto 1
Giao diện chế độ auto 1 hiển thị trạng thái của các piston, trạng thái của
các cảm biến, trạng thái của băng chuyền, hiển thị số lƣợng sản phẩm cho
từng loại.
Các tag sử dụng: Tag 26, tag 37, tag 22, tag 23, tag 24, tag 25, tag 16, tag
12, tag 35, tag 39, tag 8, tag 12, tag 13, tag 14, tag 15, tag 38, tag 34, tag 17.

Hình 3.5 Màn hình hiển thị chế độ Auto 1
 Thiết kế giao diện chế độ auto 2
Giao diện chế độ auto 2 hiển thị trạng thái của các piston, trạng thái của
các cảm biến, trạng thái của băng chuyền, hiển thị số lƣợng sản phẩm cho
từng loại.
Các tag sử dụng: Tag 26, tag 22, tag 23, tag 24, tag 25, tag 12, tag 35, tag

39, tag 31, tag 13, tag 14, tag 15, tag 17.