ỨNG DỤNG PLC VÀO THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN MÔ HÌNH TAY MÁY

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ


NGUYỄN ĐÌNH HUY

ỨNG DỤNG PLC VÀO THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
MÔ HÌNH TAY MÁY

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH
KHOA CƠ KHÍ & CÔNG NGHỆ


ỨNG DỤNG PLC VÀO THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
MÔ HÌNH TAY MÁY
Chuyên ngành: Điều Khiển Tự Động

Giáo viên hướng dẫn:
Th.S Đặng Phi Vân Hài

Sinh viên thực hiện:
Nguyễn Đình Huy

Tp. Hồ Chí Minh
Tháng 08 năm 2008

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING
NONG LAM UNIVERSITY
FACULTY OF ENGINEERING & TECHNOLOGY


APPLYING PLC IN DESIGNING AND CONTROLLING
THE MODEL OF MANIPULATOR
Specialty: Automatic Control

Supervisor:
Ms.E Dang Phi Van Hai

Student:
Nguyen Dinh Huy

Ho Chi Minh, city
August, 2008


LỜI CẢM ƠN
Xin chân thành cảm ơn !
Em xin chân thành cảm ơn tất cả Quý Thầy / Cô trong khoa Cơ Khí Công Nghệ
và Quý Thầy / Cô trong Trường Đại Học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh đã trang bị cho
em những kiến thức quý báu cũng như giúp đỡ em trong suốt thời gian học tập tại
trường.
Em xin chân thành cảm ơn Cô Đặng Phi Vân Hài đã tận tình chỉ bảo, hướng
dẫn và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho em trong suốt thời gian làm luận văn tốt nghiệp
chuyên ngành Điều Khiển Tự Động. Em cũng xin cảm ơn Quý Thầy / Cô trong và

ngoài bộ môn Điều Khiển Tự Động đã giúp đỡ em trong suốt thời gian qua.
Em xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến Quý Thầy / Cô đã bỏ thời gian quý
báu để nhận xét và chấm Luận Văn Tốt Nghiệp.
Cuối cùng, mình xin cảm ơn những người bạn trong Lớp DH04TD và
DH05TD đã giúp đỡ mình trong quá trình làm Luận văn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đình Huy

i


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

ỨNG DỤNG PLC VÀO THIẾT KẾ VÀ ĐIỀU KHIỂN
MÔ HÌNH TAY MÁY
Sinh viên thực hiện:

Giáo viên hướng dẫn:

Nguyễn Đình Huy

Th.S Đặng Phi Vân Hài

TÓM TẮT ĐỀ TÀI
Cùng với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật, thuật ngữ “Robot”
và các đóng góp của Robot vào sự phát triển công nghiệp dưới nhiều dạng khác nhau nhằm mục đích tiết kiệm sức người, tăng năng suất lao động, nâng cao chất lượng sản
phẩm, đảm bảo an toàn lao động và giải phóng con người khỏi những công việc nặng
nhọc - không còn là điều quá xa lạ đối với chúng ta hiện nay.
Ngày nay, Robot được ứng dụng rộng rãi trong rất nhiều lĩnh vực, thay thế cho
hoạt động con người như trong nông nghiệp, công nghiệp, y học, hỗ trợ người tàn tật,

v.v…Đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp và tự động hóa, Robot (Tay máy Robot)
được áp dụng ở nhiều khâu, công đoạn khác nhau như: lắp ráp, hàn hồ quang, kiểm tra
chất lượng sản phẩm, gắp vật liệu hay phân loại phôi, … Tuy nhiên ở Việt Nam hiện
nay, công nghệ Robot vẫn còn khá non trẻ so với các nước hiện đại trên thế giới.
Với sự gợi ý và hướng dẫn của cô Đặng Phi Vân Hài, em đã tìm hiểu, chế tạo
và điều khiển mô hình tay máy thông qua bộ điều khiển PLC SIEMENS họ S7–200
với mong muốn đưa lý thuyết điều khiển đã học vào ứng dụng, cũng như phát triển đề
tài vào thực tế.
Tuy đã hết sức cố gắng giải quyết yêu cầu bài toán đặt ra tương đối trọn vẹn,
nhưng chắc chắn em vẫn không thể tránh khỏi nhiều thiếu sót trong phương án giải
quyết của mình. Em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của Quý Thầy / Cô và
bạn bè để đề tài em ngày càng hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đình Huy

SVTH: Nguyễn Đình Huy

ii

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Applying PLC In Designing And Controlling The Model Of Manipulator

APPLYING PLC IN DESIGNING AND CONTROLLING
THE MODEL OF MANIPULATOR
Student:

Supervisor:

Nguyen Dinh Huy

Ms.E Dang Phi Van Hai

SUMMARY
Along with incessant science and technology development, “Robot” term and
Robot’s contribution in various forms of industry expansion – towards saving human
physical strength, increasing labor productivity, enhancing quality of products,
guaranteeing industrial safety and relieving human of hard work – are not so strange
nowadays.
Today, Robots have been widely applied in many fields of replacing human
activity, such as agriculture, industry, medicine, supporting the handicapped, etc…
Especially in industry and automatization, Robots (or Manipulators) have been put into
phases of a production line: fitting, electric arc welding, quality goods verifying,
material picking and work piece classification,… Nevertheless, Robotic Technique in
Vietnam today has been still rather fledgling in comparison with modern countries in
the world.
Thus, along with Mrs. Dang Phi Van Hai’s instruction, I had studied,
manufactured, and controlled manipulator model through PLC S7–200 SIEMENS, to
apply controlling theory as well as growing the thesis to practice.
Though trying my best to solve whole required problem relatively, but I cannot
avoid shortcomings in my resolution. I desire to receive constructive ideas of your
distinguished Teachers and my friends in order that I can improve my thesis more
perfectly.
I do express heartfelt thanks your distinguished Teachers and my friends.

Student: Nguyen Đinh Huy

iii

Supervisor: Ms.E Đang Phi Van Hai


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

MỤC LỤC

Trang tựa

Trang

Chương 2...................................................................................................................... 3
Chương 5.................................................................................................................... 38
5.1 Những kết quả đã đạt được............................................................................................38
5.2 Những đề nghị và hướng phát triển đề tài......................................................................39

TÀI LIỆU THAM KHẢO
PHỤ LỤC

SVTH: Nguyễn Đình Huy

iv

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

SVTH: Nguyễn Đình Huy

v

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Chương 2.

Trang

Chương 2...................................................................................................................... 3
Chương 5.................................................................................................................... 38
5.1 Những kết quả đã đạt được............................................................................................38
5.2 Những đề nghị và hướng phát triển đề tài......................................................................39

SVTH: Nguyễn Đình Huy

vii

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

Chương 1
MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển khoa học và kỹ thuật, ngành điều khiển học và tự động
hóa đã có những bước tiến quan trọng. Qua đó góp phần không nhỏ vào việc tăng năng
suất lao động, giảm giá thành, tăng chất lượng và độ đồng đều về chất lượng, đồng
thời tạo điều kiện cải thiện môi trường làm việc của con người, đặc biệt trong một số
công việc có độ an toàn lao động thấp hoặc có tính độc hại cao. Ngày nay, các khái
niệm “dây chuyền sản xuất tự động” hay “Robot” - “Người máy” - “Tay máy” đã trở
nên quen thuộc đối với mọi người.
Thuật ngữ robot xuất hiện từ năm 1920, trong tác phẩm khoa học viễn tưởng
của nhà soạn kịch người Tiệp (Ucraina ngày nay) Karen Kapek. Với các mẫu được
thiết kế ban đầu, robot ngày càng được nâng cao về tính năng hoạt động - từ những
mẫu robot đầu tiên vào thập niên 1960, theo mẫu Versatran của công ty AMF
(American Machine Foundry) chỉ hoạt động theo chương trình định trước, đến nay các
mẫu robot đã linh hoạt hơn, chính xác hơn, thông minh hơn và đáp ứng nhanh hơn.
Chúng có khả năng tự thích nghi, đủ thông minh để giải quyết nhiệm vụ mà con người
đặt ra cho nó trong điều kiện thay đổi của môi trường hoạt động xung quanh. Nhờ đó,
robot ngày càng có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt trong các hệ
thống sản xuất linh hoạt (FMS – Flexible Manufacturing System) và hệ thống sản xuất
tích hợp máy tính (CIM – Computer Integrated Manufacturing).
Hiện nay, ở các nước tiên tiến trên thế giới, robot phát triển không chỉ theo
hướng phục vụ sản xuất công nghiệp mà còn theo hướng phục vụ sinh hoạt và giải trí
trong gia đình. Ngày nay, khi thiết kế các loại robot này, các nhà thiết kế đã thêm vào
các cảm biến cảm nhận, các giải thuật điều khiển thích nghi và fuzzy logic với mục
đích để robot tự thực hiện được nhiệm vụ đa dạng và khác nhau trong gia đình như:
SVTH: Nguyễn Đình Huy

1

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài

Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

giặt quần áo, chùi rửa phòng tắm, đổ rác, cắt cỏ, … Đặc biệt là chúng di chuyển rất
linh hoạt để phục vụ trong lĩnh vực giải trí.
Ở Việt Nam ta, việc ứng dụng công nghệ robot vào sản xuất công nghiệp chỉ
mới bắt đầu trong thời gian gần đây. Công nghệ robot trong nước hiện tại, đa số là
được nhập nguyên kiện từ nước ngoài hoặc được cung cấp dưới dạng viện trợ. Một vài
trung tâm đã nghiên cứu và tạo ra nhiều robot ứng dụng vào sản xuất, tuy nhiên, chỉ là
sản suất đơn chiếc và không có phụ tùng thay thế. Bên cạnh đó, nền cơ khí nước ta
chưa có được công nghệ chế tạo phù hợp để ứng dụng vào công nghệ robot.
Thiết bị khả trình PLC đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực với
những ưu điểm vượt trôi. Khắc phục được các nhược điểm mà các hệ thống cũ
(contactor, relay,…) không làm được.
Kết hợp sự linh hoạt của thiết bị khả trình PLC vào việc điều khiển robot sẽ thu
được những kết quả nhờ sự kết hợp giũa các tính năng ưu việt giữa chúng. Vì vậy,
được sự cho phép của Ban Chủ Nhiệm Khoa Cơ Khí – Công Nghệ, với sự hướng dẫn
của Cô Đặng Phi Vân Hài em đã thực hiện đề tài: “Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và
Điều Khiển Mô Hình Tay Máy”.
Mục đích của đề tài:
-

Tìm hiểu về khả năng ứng dụng PLC vào điều khiển tay máy robot.

-

Tìm hiểu ứng dụng và kết cấu của các loại tay máy robot.

-

Thiết kế và chế tạo mô hình tay máy robot tọa độ trục, loại gắp đặt.

-

Điều khiển mô hình tay máy robot bằng PLC S7-200 của hãng SIEMENS.

SVTH: Nguyễn Đình Huy

2

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

Chương 2
TRA CỨU TÀI LIỆU
2.1 Sơ lược quá trình phát triển của tay máy robot
Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng “Robota” của nước Cộng Hòa Czech, có
nghĩa là công việc tạp dịch, trong vở kịch Rossum’s Universal Robots của Karel
Capek, vào năm 1921. Trong vở kịch này, Rossum và con trai của ông đã chế tạo ra
những chiếc máy gần giống với con người để phục vụ con người. Có lẽ, đó là một gợi
ý ban đầu cho các nhà sáng chế kỹ thuật về những cơ cấu, máy móc bắt chước những
hoạt động cơ bắp của con người.
Đầu thập kỷ 60, công ty AMF (American Machine and Foundry Company) của
Mỹ quảng cáo một loại máy tự động vạn năng và gọi là “Người máy công nghiệp”
(Industrial Robot). Ngày nay, người ta đặt tên người máy công nghiệp hay robot công
nghiệp cho những loại thiết bị có dáng dấp và một vài chức năng như tay người, được
điều khiển tự động để thực hiện một số thao tác sản xuất.
Về mặt kỹ thuật, những tay máy robot ngày nay, có nguồn gốc từ hai lĩnh vực

kỹ thuật ra đời sớm hơn đó là các cơ cấu điều khiển từ xa (Teleoperators) và các máy
công cụ điều khiển số (NC – Numerically Controlled machine tool). Các cơ cấu điều
khiển từ xa (hay các thiết bị kiểu chủ-tớ) đã phát triển mạnh trong chiến tranh thế giới
lần thứ hai nhằm nghiên cứu các vật liệu phóng xạ. Người thao tác được tách biệt khỏi
khu vực phóng xạ bởi một bức tường có một hoặc vài cửa quan sát để có thể nhìn thấy
được công việc bên trong. Các cơ cấu điều khiển từ xa thay thế cho cánh tay người,
gồm có bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Hai bộ phận này
được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tùy ý.
Vào khoảng năm 1949, các máy công cụ điều khiển số ra đời, nhằm đáp ứng
yêu cầu gia công các chi tiết trong ngành chế tạo máy bay. Những robot đầu tiên thực
SVTH: Nguyễn Đình Huy

3

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

chất là sự nối kết giữa các khâu cơ khí của cơ cấu điều khiển từ xa với khả năng lập
trình của máy công cụ điều khiển số.
Tay máy robot là sự tổ hợp khả năng hoạt động linh hoạt của các cơ cấu điều
khiển từ xa với mức độ “tri thức” ngày càng phong phú của hệ thống điều khiển theo
chương trình số cũng như kỹ thuật chế tạo các bộ cảm biến, công nghệ lập trình và các
phát triển của trí khôn nhân tạo, hệ chuyên gia…
Việc nâng cao tính năng hoạt động của tay máy robot không ngừng phát triển.
Các tay máy robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi
trường chung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử
đã tạo ra các thế hệ tay máy robot với nhiều tính năng đặc biệt, số lượng tay máy robot
ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Vì thế, hầu hết những vị trí quan trọng

trong các dây chuyền sản xuất hiện đại ngày nay đều do robot hoặc tay máy robot đảm
nhận. Hiện nay, Nhật là nước phát triển cao nhất trong lĩnh vực nghiên cứu chế tạo và
sử dụng robot trong dây chuyền sản xuất.
2.2 Ứng dụng tay máy robot công nghiệp trong sản xuất
Từ khi mới ra đời, tay máy robot công nghiệp được áp dụng trong nhiều lĩnh
vực dưới góc độ thay thế sức người. Nhờ vậy các dây chuyền sản xuất được tổ chức
lại, năng suất và hiệu quả sản xuất tăng lên rõ rệt.
Khả năng to lớn của tay máy robot là: làm việc không biết mệt mỏi, rất dễ dàng
chuyển nghề một cách thành thạo, chịu được phóng xạ và các môi trường làm việc độc
hại, nhiệt độ cao, “cảm thấy” được cả từ trường và “nghe” được cả siêu âm… Tay máy
robot còn được dùng thay thế con người trong các trường hợp trên hoặc thực hiện
những công việc tuy không nặng nhọc nhưng đơn điệu, dễ gây mệt mỏi, nhầm lẫn. Do
đó, tay máy robot công nghiệp đã góp phần nâng cao năng suất dây chuyền công nghệ,
giảm giá thành, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm đồng thời
cải thiện điều kiện lao động
Trong ngành cơ khí, tay máy robot đã được sử dụng nhiều trong công nghệ đúc,
công nghệ hàn, cắt kim loại, sơn, phun phủ kim loại, tháo lắp vận chuyển phôi, lắp ráp
sản phẩm, …
Ngày nay, tay máy robot kết hợp với máy CNC sử dụng trong nhiều dây chuyền
sản xuất tự động nhằm đạt được mức độ tự động hóa và độ linh hoạt cao hơn.
SVTH: Nguyễn Đình Huy

4

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

Ngoài ra, tay máy robot cũng được ứng dụng rất nhiều trong các lĩnh vực khác

như: khai thác thềm lục địa và đại dương, y học, quốc phòng, vũ trụ, công nghiệp
nguyên tử, các lĩnh vực xã hội…
2.3. Các khái niệm và định nghĩa về tay máy
2.3.1. Bậc tự do của tay máy robot
 Bậc tự do (DOF – Degrees Of Freedom) là số khả năng chuyển động của một
cơ cấu (chuyển động quay hoặc tịnh tiến). Để dịch chuyển được một vật thể trong
không gian, cơ cấu chấp hành của tay máy phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung
cơ hệ của tay máy robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của có thể tính theo công
thức:
5

w = 6n − ∑ ip
i =1

Với:

i

(2 - 1)

+ n : Số khâu động.
+ pi: Số khớp loại i (i = 1,2,….5: Số bậc tự do bị hạn chế)

 Đối với các cơ cấu có các khâu được nối với nhau bằng khớp quay hoặc tịnh
tiến (khớp động loại 5) thì số bậc tự do bằng với số khâu động. Đối với cơ cấu hở, số
bậc tự do bằng tổng số bậc tự do của các khớp động.
 Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tùy ý trong không gian
3 chiều, tay máy robot cần có 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự
do để định hướng. Một số công việc dơn giản nâng hạ, sắp xếp…có thể yêu cầu số bậc
tự do ít hơn. Các tay máy robot hàn, sơn…thường yêu cầu 6 bậc tự do. Trong một số

trường hợp cần sự khéo léo, linh hoạt hoặc khi cần phải tối ưu hóa quỹ đạo… người ta
dùng tay máy robot với số bậc tư do lớn hơn 6.
2.3.2. Hệ tọa độ (Coordinate frames)
 Mỗi tay máy robot thường bao gồm nhiều khâu (links) liên kết với nhau qua các
khớp (joints), tạo thành một xích động học xuất phát từ một khâu cơ bản (base) đứng
yên. Hệ tọa độ gắn với khâu cơ bản (hay hệ tọa độ chuẩn). Các hệ tọa độ trung gian
khác gắn với các khâu độ gọi là hệ tọa độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động,
các tọa độ suy rộng xác định cấu hình của tay máy robot bằng các chuyển dịch dài
hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các tọa độ suy rộng
còn được gọi là biến khớp.
SVTH: Nguyễn Đình Huy

5

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

Hình 2.1: Các tọa độ suy rộng của robot
 Các hệ tọa độ gắn trên các khâu của tay máy robot tuân theo quy tắc bàn tay
phải.
 Trong tay máy robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ tọa độ gắn trên
khâu thứ n. Như vậy hệ tọa độ cơ bản (hệ tọa độ gắn với khâu cố định) sẽ dược ký hiệu
là O0; hệ tọa độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O 1, O2,…, On-1, hệ tọa độ
gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.
2.3.3 Trường công tác của tay máy robot
Trường công tác hay vùng làm việc, không gian công tác (Workspace or Range of
motion) của tay máy là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi tay
máy thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các

thông số hình học của tay máy cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp; ví dụ:
một khớp quay có thể chuyển động nhỏ hơn một góc 360 0. Người ta thường dùng hai
hình chiếu để mô tả trường công tác của một tay máy .

Hình 2.2: Biểu diễn trường công tác của robot
SVTH: Nguyễn Đình Huy

6

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

2.4 Cấu trúc cơ bản của tay máy
2.4.1 Các thành phần chính của tay máy
 Cánh tay robot (tay máy) là kết cấu cơ khí gồm các khâu liên kết với nhau bằng
các khớp động để có thể tạo nên những chuyển động cơ bản của robot.
 Nguồn động lực là các động cơ điện (một chiều hoặc động cơ bước), các hệ
thống xy lanh khí nén, thủy lực để tạo động lực cho tay máy hoạt động.
 Dụng cụ thao tác được gắn trên khâu cuối của robot, dụng cụ của robot có thể
có nhiều kiểu khác nhau như: dạng bàn tay để nắm bắt đối tượng hoặc các công cụ làm
việc như mỏ hàn, đá mài, đầu phun sơn…
 Thiết bị dạy học (Tech-Pedant) dùng để dạy cho tay máy robot các thao tác cần
thiết theo yêu cầu của quá trình làm việc, sau đó tay máy robot tự lặp lại các động tác
đã được dạy để làm việc (phương pháp lập trình kiểu dạy học).
 Các phần mềm để lập trình và các chương trình điều khiển robot được cài đặt
trên máy tính, dùng điều khiển tay máy robot thông qua bộ điều khiển (Controller). Bộ
điều khiển còn được gọi là Mođun điều khiển (hay Unit, Driver), nó thường được kết
nối với máy tính. Một mođun điều khiển có thể còn có các cổng Vào-Ra (I/O port) để

làm việc với nhiều thiết bị khác nhau như các cảm biến giúp tay máy robot nhận biết
trạng thái của bản thân, xác định vị trí của đối tượng làm việc hoặc các dò tìm khác;
điều khiển các băng tải hoặc cơ cấu cấp phôi hoạt động phối hợp với nó…
2.4.2. Kết cấu của tay máy
 Các kết cấu của nhiều tay máy được phỏng theo cấu tạo và chức năng của tay
người; tuy nhiên ngày nay, tay máy được thiết kế rất đa dạng, nhiều cánh tay robot có
hình dạng rất khác xa cánh tay người. Các thông số hình-động học, là những thông số
liên quan đến khả năng làm việc của tay máy robot như: tầm với (hay trường công
tác), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt của tay máy), độ cứng vững, tải trọng
vật nâng, lực kẹp…
 Các khâu của tay máy robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:
+ Chuyển động tịnh tiến theo hướng x,y,z trong không gian Descarde, thông
thường tạo nên các hình khối, các chuyển động này thường ký hiệu là T (Traslation)
hoặc P (Prismatic).
SVTH: Nguyễn Đình Huy

7

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

+ Chuyển động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Roatation)
 Tùy thuộc vào số khâu và sự tổ hợp các chuyển động (R và T) mà tay máy có các
kết cấu khác nhau với vùng làm việc khác nhau. Các kết cấu thường gặp của tay máy
robot là robot kiểu tọa độ Đề các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, robot kiểu SCARA, hệ tọa độ
góc (phỏng sinh)…
+ Robot kiểu tọa độ Descarde: là tay máy có ba chuyển động cơ bản tịnh tiến
theo phương của các trục hệ tọa độ gốc (cấu hình T.T.T). Trường công tác có dạng

khối chữ nhật. Do kết cấu đơn giản, loại tay máy này có độ vững cao, độ chính xác cơ
khí dễ đảm bảo vì vậy nó thường dùng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp, hàn trong mặt
phẳng…

Hình 2.3: Robot kiểu tọa độ
Descarde
+ Robot kiểu tọa độ trụ: vùng làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng. Thường
khớp thứ nhất chuyển động quay. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu hình R.T.T như hình vẽ
1.6. Có nhiều robot kiểu tọa độ trụ như: robot Versatran của hãng AMF (Mỹ).

Hình 2.4: Robot kiểu tọa độ trụ
+ Robot kiểu tọa độ cầu: vùng làm việc của robot có dạng hình cầu, thường độ
cứng vững của loại robot này thấp hơn so với hai loại trên. Ví dụ robot 3 bậc tự do, cấu
hình R.R.R hoặc R.R.T làm việc theo kiểu tọa độ cầu.
SVTH: Nguyễn Đình Huy

8

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

Hình 2.5: Robot kiểu tọa độ cầu
+ Robot kiểu tọa độ góc (Hệ tọa độ phỏng sinh): Đây là kiểu robot được dùng
nhiều hơn cả. Ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục quay thứ nhất
vuông góc với hai trục kia. Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển
động quay. Vùng làm việc của tay máy này gần giống một phần khối cầu. Tất cả các
khâu đều nằm trong mặt phẳng thẳng đứng nên các tính toán cơ bản là bài toán phẳng.
Ưu điểm nổi bật của các loại robot hoạt động theo hệ tọa độ góc là gọn nhẹ, tức là có

vùng làm việc tương đối lớn so với kích cỡ của bản thân robot, độ linh hoạt cao.
Các robot hoạt động theo hệ tọa độ góc như: Robot PUMA của hãng Unimation-Nokia
(Hoa Kỳ-Phần Lan), IRb-6, IRb-60 (Thụy Điển), Toshiba, Mitsubishi, Mazak (Nhật
Bản)…Ví dụ: một robot hoạt động theo hệ tọa độ góc có cấu hình RRR.RRR (Hình
2.6).

Hình 2.6: Robot kiểu tọa độ góc
+ Robot kiểu SCARA: ra đời vào năm 1979 tại trường đại học Yamanashi (Nhật
Bản) là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá trình sản xuất. Tên
gọi SCARA là viết tắt của “Selective Compliant Articulated Robot Arm” (Tay máy
mềm dẻo). Loại robot này thường dùng trong công việc lắp ráp nên SCARA đôi khi
SVTH: Nguyễn Đình Huy

9

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

được giải thích là từ viết tắt của “Selective - Compliance Assembly Robot Arm”. Ba
khớp đầu tiên của kiểu Robot này có cấu hình R.R.T, các trục khớp đều theo phương
thẳng đứng.

Hình 2.7: Robot kiểu SCARA
2.5 Phân loại tay máy
Tay máy robot rất phong phú, đa dạng, có thể được phân loại theo các cách sau:
2.5.1. Phân loại theo kết cấu
Theo kết cấu của tay máy người ta phân thành kiểu tọa độ Descarde, kiểu tọa độ
trụ, kiểu tọa độ cầu, kiểu tọa độ góc, robot kiểu SCARA như đã trình bày ở trên.

2.5.2 Phân loại theo hệ thống truyền động
Các loại truyền động phổ biến là:
 Hệ truyền động điện: Thường dùng các động cơ điện 1 chiều (DC: Direct
Current) hoặc các động cơ bước (Step motor). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết
cấu gọn.
 Hệ truyền động thủy lực: Có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều
kiện làm việc nặng. Tuy nhiên, hệ thống thủy lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại
độ phi tuyến lớn khó xử lý khi điều khiển.
 Hệ truyền động khí nén: Có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược lại
nhưng phải gắn liền với trung tâm tạo ra khí nén. Hệ này làm việc với công suất trung
bình và nhỏ, kém chính xác, thường chỉ thích hợp với các robot hoạt động theo chương
trình định sẵn với các thao tác đơn giản “nhấc lên-đặt xuống” (Pick and Place or PTP:
Point To Point).
SVTH: Nguyễn Đình Huy

10

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

2.5.3 Phân loại theo ứng dụng
Dựa vào ứng dụng của tay máy robot trong sản xuất có các tay máy robot sơn,
hàn, lắp ráp hay chuyển phôi, …. , hoặc các tay máy phục vụ trong đời sống thực tiễn.
2.5.4 Phân loại theo cách thức và đặc trưng của phương pháp điều khiển
Có tay máy robot điều khiển hở (mạch điều khiển không có các quan hệ phản
hồi), tay máy robot điều khiển kín (hay điều khiển servo): sử dụng cảm biến, mạch
phản hồi để tăng độ chính xác và mức độ linh hoạt khi điều khiển.
Ngoài ra, trên thực tế còn có rất nhiều cách phân loại khác tùy theo quan điểm

và mục đích nghiên cứu.
2.6 Sơ lược về PLC
2.6.1 Thiết bị điều khiển khả trình PLC
 PLC- Programmable Logic Controller- là thiết bị điều khiển logic chuẩn hóa.
Có khả năng lập trình để điều khiển các thiết bị bên ngoài. Nhờ vậy, thiết bị cho phép
thực hiện linh hoạt các thuật toán logic điều khiển thông qua chương trình soạn thảo
lưu trong bộ nhớ của PLC.
Hệ thống PLC gồm 3 thành phần chủ yếu:
CPU (central processing unit) thiết bị xử lý trung tâm.
Phần mềm ( chương trình).
Thiết bị chức năng mở rộng- I/O intelligent modules.
2.6.2 PLC của Siemens
Hãng SIEMENS của Đức là một trong những công ty đi đầu trong việc phát
triển các thiết bị khả trình PLC. Ở Việt Nam, SIEMENS đã được đưa vào trường học
để giảng dạy.
 Các loại chip CPU: Hãng SIEMENS cung cấp các dòng PLC thông thường
S7-200, S7-300, S7-400.
 Bộ nhớ: các module CPU đều trang bị bộ nhớ trong EEPROM. Dung lượng
tùy thuộc vào khối CPU mà có bộ nhớ khác nhau từ 128 words cho đến 4096 words
(S7-200)

SVTH: Nguyễn Đình Huy

11

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

 Khả năng mở rộng: ngoài các ngõ I/O trên module CPU, viêc mở rộng bộ nhớ
và sỗ ngõ điều khiển PLC SIEMENS còn có các bus mở rộng thêm các modunle gắn
ngoài. Đối với CPU 215p tối đa là 7 module.
2.6.2.1 Khối vi xử lý trung tâm của PLC S7 – 200
Khối vi xử lý trung tâm (CPU) nhận tín hiệu lối vào dưới dạng nhị phân và
được nhập vào Ram thông qua Bus ngoại biên. Sau đó, CPU thực hiện gọi chương
trình trữ trong Ram nhớ chương trình để xử lý dữ liệu vừa nhập. Bộ đếm địa chỉ có
nhiệm vụ chọn trình tự thực hiện và chuyển các thông tin này từ bộ nhớ chương trình
đến thanh ghi trình tự. Thiết bị điều khiển nhận các trình tự hiện hành từ thanh ghi
trình tự để xử lý, thay đổi địa chỉ đếm trong thanh ghi trình tự. Lệnh điều khiển xử lý
tương ứng được thực hiện, kết quả thự hiện được trữ trong Ram nhớ dữ liệu, sau đó
qua Bus ngoại biên được chuyển tới lối ra để điều khiển cơ cấu vận hành (Hình 2.8).

Hình 2.8: Sơ đồ khối tổng quát của CPU / PLC
2.6.2.2 Các Module mở rộng
S7 – 200 cho phép mở rộng thêm một số Module nhằm cung cấp thêm một số
đầu vào và đầu ra cho hệ thống điều khiển. CPU và các Module mở rộng được gắn
SVTH: Nguyễn Đình Huy

12

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

trên cùng một thanh trượt (thanh rack) và kết nối bằng cáp. Cáp của Module bên phải
cắm vào cổng I / O của Module bên trái. Cách kết nối như vậy làm cho dãy Module có
chung đường Bus. Việc trao đổi thông tin giữa CPU và Module mở rộng được thực
hiện qua đường Bus này theo địa chỉ Module xác định. Các Module mở rộng Analog

hay Digital đều chiếm chỗ trong bộ đệm, tương ứng với số đầu vào / ra của Module.
2.6.2.3 Cấu trúc bộ nhớ của PLC S7 – 200
 Bộ nhớ của PLC S7 – 200 có tính năng động cao, có thể đọc và ghi được
trong toàn vùng, ngoại trừ phần các bit nhớ đặc biệt chỉ có thể truy cập để đọc.
 Bộ nhớ được duy trì nhờ 1 tụ nhớ và pin nuôi dự phòng.
 Vùng nhớ chương trình: Là vùng lưu giữ các lệnh chương trình . Vùng
này thuộc kiểu không bị mất dữ liệu (non – volatile), đọc / ghi được.
 Vùng nhớ tham số: là vùng lưu giữ các thông số như: từ khóa, địa chỉ
trạm, cũng như vùng chương trình vùng tham số đọc / ghi được.
 Vùng nhớ dữ liệu: được dùng để trữ các dữ liệu của chương trình.
Vùng dữ liệu là một miền nhớ động, có thể truy cập theo từng bit, từng byte, từng
word, từng double word và được dùng để lưu trữ dữ liệu cho các thuật toán, các hàm
truyền thông, lập bảng, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ,…
Vùng nhớ dữ liệu được chia thành nhưng vùng nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau,
gồm:
+ I (Process Input) - Miền bộ đệm các cổng vào số: Giá trị ngõ vào từ
các cảm biến được đọc và chứa vào I trước mỗi chu kì quét và thực hiện chương trình.
+ Q (Process Output): Miền bộ đệm của các cổng ra số. Kết thúc mỗi
chu kì quét thực hiện chương trình, PLC chuyển giá trị logic điều khiển cơ cấu chấp
hành ra miền nhớ Q.
+ M : miền nhớ cờ. chương trình sử dụng miền nhớ này để lưu các
tham số cần thiêt. Vùng nhớ này có thể truy nhập theo bit, byte, word hay double
word.
+ T : Miền nhớ phục vụ bộ định thời.
+C : Miền nhớ phục vụ bộ đếm counter.

SVTH: Nguyễn Đình Huy

13

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

+ PI : miền ngõ vào của các module tương tự. giá trị tương tự được
module đọc và lưu vào miền nhớ PI theo từng địa chỉ tương ứng. Miền nhớ này có thể
truy nhập theo từng byte, word hay double word.
+ PQ : Miền ngõ ra của các module tương tự. các giá trị tương tự từ
PLC xuất ra sẽ chuyển đến các vùng địa chỉ tương ứng của vùng nhớ này sau mỗi chu
kỳ thực hiện chương trình. Miền nhớ này có thể truy nhập theo từng byte, word hay
double word.
+ SM (Special memory bits) – Miền nhớ đặc biệt (đọc / ghi).
 Vùng nhớ đối tượng: được dùng để giữ dữ liệu cho các đối tượng lập
trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trước của bộ đếm (Counter) hay bộ định thời
(Timer). Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, Couter, các bộ đếm
tốc độ cao (hight speed couter), bộ đệm vào / ra analog và các thanh ghi accummulator
(AC). Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu đối tượng chỉ được ghi
theo mục đích cần sử dụng. Vùng nhớ đối tượng được phân chia như sau:
+ Bộ định thời – Timer (đọc / ghi).
+ Bộ đếm – Counter (đọc / ghi).
+ Bộ đếm cổng vào tương tự (chỉ đọc).
+ Bộ đếm cổng ra tương tự (chỉ ghi).
+ Thanh ghi Accummulator (đọc / ghi).
+ Bộ đếm tốc độ cao (đọc / ghi).
2.6.2.4 Ngôn ngữ lập trình PLC S7 – 200
 PLC S7 – 200 nói chung và họ PLC của Siemens nói riêng, biễu diễn một
mạch logic cứng bằng một dãy các lệnh lập trình. Chương trình bao gồm một tập dãy
các lệnh. PLC thực hiện chương bắt đầu từ lệnh đầu tiên và kết thúc ở lệnh cuối cùng.
 Một vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc trạng thái đầu vào, sau đó thực

hiện chương trình và kết thúc bằng việc thay đổi các trạng thái đầu ra. Trước khi thực
hiện vòng quét tiếp theo, PLC thực hiện các nhiệm vụ bên trong và các nhiệm vụ
truyền thông. Chu trình thực hiện chương trình là chu trình lặp.
 PLC S7 – 200 có các loại ngôn ngữ lập trình cơ bản sau:
 Ngôn ngữ lập trình hình thang – LAD (Ladder Logic).
 Ngôn ngữ lập trình theo kiểu liệt kê – STL (Statement List).
SVTH: Nguyễn Đình Huy

14

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài


Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

 Ngôn ngữ lập trình theo kiều khối- FDB (Funtion Diagram Block).
2.7 Các Loại PLC được sử dụng ở Việt Nam
Hiện nay trên thị trường xuất hiện khá nhiều hãng cung cấp thiết bị PLC phục vụ
sản xuất. Tại Việt Nam hiện nay rất nhiều thương hiệu PLC, có thể kể đến: Siemens
(Đức), Omron, Mitsubishi, AB, Yokogawa (Nhật), LG (Hàn Quốc), Rockwell , ZEN,
NaiS, ADAM, và đặc biệt là PLC CommanD của Việt Nam sản xuất.
Các sản phẩm mới nhất của các hãng PLC tại thị trường Việt Nam cùng với các
tính năng nổi bật của từng dòng PLC.
2.7.1 PLC CommanD
Ngôn ngữ lập trình của PLC CD5000-6000
theo chuẩn IEC 1131 và tương thích với ngôn ngữ và
cấu trúc bộ nhớ của Simatic. Vì vậy, có thể lập trình
bằng môi trường quen thuộc Microwin, thậm chí có
thể dùng CommanDSoft để download các ứng dụng
đã viết trước đây xuống CommanD PLC.

P-PLC của CommanD là các thiết bị khả
trình có nạp sẵn 1 số ứng dụng chuyên dụng như:

Hình 2.9 : PLC CommanD
CD6000

relay bảo vệ, điều khiển tụ bù, điều khiển động cơ, điều khiển khởi động mềm… Đây
là giải pháp phối hợp tính chuyên dụng của các controller và tính đa năng của PLC.
Các PLC này có thiết kế phần cứng “hướng đối tượng” ứng dụng nhiều hơn phần cứng
đa dụng của các PLC. Tuy nhiên, P-PLC vẫn có tính mềm dẻo do khả năng tái lập trình
bằng các ngôn ngữ chuẩn IEC1131 và môi trường lập trình của CommanD, Simatic
hay 1 số hãng khác. P-PLC CD5000 tích hợp màn hình công nghiệp và CPU trong 1
module có kích thước chuẩn công nghiệp 96x96 và có khả năng mở rộng với các
module DI/DO, AI/AO. Chuẩn truyền thông của PLC là Modbus RTU (Master/Slaver)
và FreePort.
2.7.2 SIMATIC S7-300
Là họ PLC bán chạy nhất trên toàn thế giới,
Siemens SIMATIC S7-300 đã chứng tỏ mình thành
công trong hầu hết các ngành công nghiệp. Nằm
trong một phần nỗ lực mang lại nhiều lợi ích cho
SVTH: Nguyễn Đình Huy

15

GVHD: Th.S Đặng Phi Vân Hài

Hình 2.10: PLC Siemens
S7-300

Ứng Dụng PLC Vào Thiết Kế Và Điều Khiển Mô Hình Tay Máy

khách hàng của mình, Siemens cho ra mắt 2 dòng CPU mới cho họ S7-300 đã truyền
tải được nhu cầu ngày càng tăng của người sử dụng trong điều khiển chuyển động và
tích hợp PLC.
Hai dòng sản phẩm SIMATIC S7 315T-2DP và S7 317T-2DP tiên tiến giúp tích
hợp điều khiển chuyển động và tự động hóa trong các PLC SIMATIC S7300 đã được
chấp nhận rộng rãi trên toàn thế giới.
Bên cạnh khả năng điều khiển vị trí góc đơn chính xác, các CPU này rất phù
hợp cho những ứng dụng chuyển động đồng bộ hóa phức tạp. Khả năng kết hợp với
Profibus cũng giúp điều khiển các quá trình tốc độ cao có yêu cầu khắt khe về thời
gian trong những ứng dụng hoạt động đồng bộ hóa và ứng dụng điều khiển trục phân
tán.
2.7.3 ADAM-5000
Kế thừa sự phát triển của dòng sản phẩm
ADAM-4000 dòng sản phẩm ADAM-5000 đã thể hiện
rõ là những module điều khiển phân tán và thu thập dữ
liệu linh hoạt, ngoài ra còn tăng cường khả năng kết
nối mạng như mạng: Ethernet, Fieldbus, CAN.
Advantech đưa vào dòng sản phẩm ADAM5000 kế thừa từ dòng sản phẩm ADAM - 4000 với

Hình 2.11: PLC Omron

mục đích mở rộng tăng cường khả năng điều khiển,
thu thập số liệu phân tán và kết nối mạng có hỗ trợ truyền thông Fieldbus như: RS 485,
Modbus. ADAM-5000 gồm 2 loại: ADAM - 5000 DA&C Series và ADAM-5510
Series.
2.7.4 SYSMAC CP1H - PLC
SYSMAC CP1H, giải pháp PLC cỡ vừa thế hệ mới
của Omron, kết hợp các chức năng cơ bản với khả năng

mở rộng, đáp ứng cho các hệ thống cao cấp, tin cậy, dễ
vận hành, bảo trì, giá thành thấp. Một số tính năng chính
của PLC CP1H như: Hỗ trợ tích hợp ngõ vào/ra analog (4
vào + 2 ra); 4 ngõ ra phát xung lên tới 1 MHz, 4 ngõ vào
SVTH: Nguyễn Đình Huy

Hình 2.12: PLC Sysmac

16

GVHD: Th.S ĐặngCPH1
Phi Vân Hài