Hệ thống chiết rót chất lỏng ứng dụng động cơ servo đồ ánn tốt nghiệp khoa công nghệ điện
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (4.55 MB, 81 trang )
ĐẠI HỌC CƠNG NGHIỆP TP.HCM
KHOA CƠNG NGHỆ ĐIỆN
KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ỨNG
DỤNG ĐỘNG CƠ SERVO
BÙI ĐỨC HƢNG
14017801
LÊ PHƢƠNG NAM
14013801
GVHD: TS. NGÔ THANH QUYỀN
TP.HCM <2018>
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP
1.
2.
Họ và tên sinh viên đƣợc giao đề tài
Lê Phƣơng Nam
MSSV: 14013801
Bùi Đức Hƣng
MSSV: 14017801
Tên đề tài
ỨNG DỤNG AC SERVO TRONG ĐIỀU KHIỂN MÁY CHIẾT RĨT CHẤT
LỎNG
3.
Nội dung
+ Tìm hiểu và điều khiển đƣợc động cơ AC servo. Cài đặt các thông số cho
driver servo
+ Tìm hiểu lập trình đƣợc cho module điều khiển vị trí FX2N-20GM
+ Đọc, hiểu và khắc phục sự cố tủ điện điều khiển
+ Đọc hiểu sử dụng phần mềm FX-PCS-VPS/WIN-E của bộ điều khiển
FX2N-20GM
+ Sử dụng vi xử lý lập trình điều khiển trục Z theo đúng hành trình
4.
Kết quả
Mơ hình chạy theo đúng thiết kế.
Tp. HCM, ngày
Giảng Viên Hƣớng Dẫn
tháng năm 2018.
Sinh viên
i
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN
-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Tp. Hồ Chí Minh, ngày
tháng 6 năm 2018
Giảng Viên Hƣớng Dẫn
ii
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
MỤC LỤC
PHIẾU GIAO ĐỀ TÀI KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ................................................... i
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN ........................................................ ii
MỤC LỤC ..................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ..................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC BẢNG ........................................................................................ viii
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI .............................................................................1
1.1. Lí Do Chọn Đề Tài ................................................................................................1
1.2. Mục Tiêu Của Đề Tài............................................................................................1
1.3. Phƣơng Pháp Nghiên Cứu.....................................................................................1
1.4. Ý Nghĩa Của Đề Tài..............................................................................................2
2.1. Khái Niệm Máy Chiết Rót ....................................................................................3
2.2. Cấu Tạo Và Chức Năng Của Máy Chiết Rót ........................................................3
2.3. Bộ Điều Khiển.......................................................................................................4
2.4. Máy Chiết Rót Thực Tế Sử Dụng Ac Servo Motor ..............................................4
3.1. Thiết Kế Cơ Khí ....................................................................................................5
3.1.1. Các Thơng Số Thiết Kế Ban Đầu ...................................................................5
3.1.2. Cấu Tạo Của Máy Chiết Rót ...........................................................................5
3.2. Thiết Kế Tủ Điện ..................................................................................................8
4.1. Khái Niệm Servo .................................................................................................10
4.1.1. Cơ Cấu Định Vị ............................................................................................10
4.1.2. Hệ Thống Điều Khiển ...................................................................................11
4.1.3. Bộ Điều Khiển Pid ........................................................................................12
4.2. Sự Khác Biệt So Với Motor Thƣờng ..................................................................13
4.2.1. Tăng Tốc Độ Đáp Ứng .................................................................................13
4.2.2. Tăng Khả Năng Đáp Ứng .............................................................................14
iii
Khóa Luận Tốt Nghiệp
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
4.2.3. Mở Rộng Vùng Điều Khiển (Control Range) ..............................................14
4.2.4. Khả Năng Ổn Định Tốc Độ ..........................................................................15
4.2.5. Tăng Khả Năng Chịu Đựng Của Động Cơ ...................................................15
4.3. Nguyên Lý Hoạt Động Của Encoder ..................................................................15
4.4. Động Cơ Ac Servo Hk-Kfs-13 Và Driver Mr-J2s-10a .......................................16
4.4.1. Giới Thiệu Driver Mr-J2s-10a ......................................................................16
4.4.2. Động cơ servo HC-KFS13. ...........................................................................17
4.5. SƠ ĐỒ KẾT NỐI ................................................................................................18
4.5.1. Kết Nối Ngoại Vi ..........................................................................................18
4.5.2. Sơ Đồ Kết Nối CN1A Và CN1B ..................................................................20
4.5.3. Sơ Đồ Mạch Điều Khiển ..............................................................................23
4.6. Bảng Tham Số .....................................................................................................23
4.7. Lƣu Đồ Màn Hình ...............................................................................................28
4.8. Quy Trình Vận Hành...........................................................................................33
4.8.1. Kiểm Tra Trƣớc Khi Vận Hành ....................................................................33
4.8.2. Trình Tự Vận Hành.......................................................................................33
4.9. Cài Đặt Các Tham Số Trên Mơ Hình .................................................................34
4.10. Các Lỗi Và Cảnh Báo Của Servo ......................................................................36
4.11. Hệ Thống Phát Hiện Vị Trí Tuyệt Đối .............................................................37
4.11.1. Đặc Điểm ....................................................................................................37
4.11.2. Cấu Hình .....................................................................................................38
4.11.3. Quy Trình Ban Đầu .....................................................................................39
CHƢƠNG 5: BỘ ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ FX2N-20GM ............................................40
5.1. Tổng Quan Về Bộ Điều Khiển Vị Trí Fx2n-20gm .............................................40
5.1.1. Sơ Lƣợc Về FX2N-20GM ............................................................................40
5.1.2. Kích thƣớc bên ngoài. ...................................................................................40
5.1.3. Đặc điểm kỹ thuật. ........................................................................................41
5.1.4. Tên Các Thành Phần. ....................................................................................42
5.1.5. Led Chỉ Thị ...................................................................................................42
5.1.6. Đặc Điểm Ngõ Vào, Ngõ Ra. .......................................................................43
iv
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
5.1.7. Đầu Kết Nối I/O. ...........................................................................................45
5.1.8. Kết Nối Mở Rộng I/O. ..................................................................................46
5.1.9. Kết Nối PLC..................................................................................................46
5.1.10. Sơ Đồ Kết Nối FX2N-20GM Với Động Cơ Servo MR-J2S-10A ..............48
5.2. Tập Lệnh .............................................................................................................50
5.3. Cài Đặt Thơng Số ................................................................................................52
5.3.1. Cấu Hình Hệ Thống ......................................................................................52
5.3.2. Cài Đặt Thông Số: ........................................................................................52
CHƢƠNG 6: PHẦN MỀM FX-PCS-VPS/WIN-E VÀ THIẾT BỊ NGOẠI VI TRỤC Z
.......................................................................................................................................55
6.1. Phần Mềm Fx-Pcs-Vps/Win-E............................................................................55
6.1.1. Giới Thiệu: ....................................................................................................55
6.1.2. Giao Diện Của Phần Mềm ............................................................................55
6.1.3. Lập Trình Lƣu Đồ .........................................................................................58
6.2. Thiết Bị Ngoại Vi Trục Z ....................................................................................60
6.2.1. Động Cơ Bƣớc (Step Motor) ........................................................................60
6.2.2. Máy Bơm Chất Lỏng ....................................................................................62
CHƢƠNG 7: ĐIỀU KHIỂN MÁY CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ................................64
KẾT LUẬN ...................................................................................................................70
TÀI LIỆU THAM KHẢO .............................................................................................71
LỜI CẢM ƠN ................................................................................................................72
v
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 2. 1 Máy chiết rót sử dụng AC servo trong thực tế ...............................................4
Hình 3. 1 Mơ hình máy chiết rót ....................................................................................5
Hình 3. 2 Chi Tiết Máy....................................................................................................6
Hình 3. 3 Cấu tạo vitme đai ốc bi ....................................................................................6
Hình 3. 4 Bộ phận trục X.................................................................................................7
Hình 3. 5 Bộ phận trục Y.................................................................................................7
Hình 3. 6 Bố trí thiết bị ....................................................................................................8
Hình 3. 7 Bố trí đèn báo nút nhấn ...................................................................................9
Hình 4. 1 Mơ hình của một hệ thống ............................................................................ 10
Hình 4. 2 Một số ví dụ về cơ cấu...................................................................................10
Hình 4. 3 Điều khiển vịng kín ......................................................................................11
Hình 4. 4 Cấu hình của một hệ thống servo ..................................................................11
Hình 4. 5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID .................................................................12
Hình 4. 6 Thành phần chính của encoder ......................................................................16
Hình 4. 7 Nhãn mác của Driver .....................................................................................16
Hình 4. 8 Giao diện interface của amplifier ..................................................................17
Hình 4. 9 Tổng quan bộ driver servo .............................................................................17
Hình 4. 10 Động cơ AC servo HC-KFS13 ....................................................................18
Hình 4. 11 Kết nối ngoại vi ...........................................................................................19
Hình 4. 12 Sơ đồ kết nối các chân CN1A và CN1B .....................................................20
Hình 4. 13 Sơ đồ mạch điều khiển ................................................................................23
Hình 4. 14 Lƣu đồ màn hình .........................................................................................29
Hình 4. 15 Màn hình hiển thị cài đặt thơng số ..............................................................32
Hình 4. 16 Giao diện chế độ test ...................................................................................32
Hình 4. 17 Khối terminal mạch điều khiển ...................................................................33
Hình 4. 18 Hệ thống phát hiện vị trí tuyệt đối ...............................................................37
Hình 4. 19 Quy trình cài đặt pin ....................................................................................39
Hình 5. 1 Kích thƣớc FX2N-20GM ............................................................................. 40
Hình 5. 2 Các thành phần của FX2N-20GM .................................................................42
Hình 5. 3 Led chỉ thị và công tắc Manu/Auto ...............................................................43
vi
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Hình 5. 4 Sơ đồ chân đầu kết nối I/O ............................................................................45
Hình 5. 5 Kết nối khối mở rộng....................................................................................46
Hình 5. 6 Kết nối với PLC .............................................................................................47
Hình 5. 7 Sơ đồ kết nối FX2N- 20GM và động cơ servo..............................................48
Hình 5. 8 Cài đặt thơng số cho Dog switch ...................................................................49
Hình 5. 9 Đấu nối ABS phát hiện vị trí tuyệt đối .........................................................50
Hình 5. 10 Cấu hình hệ thống ........................................................................................52
Hình 5. 11 Tỷ số electronic gear (Servo Amplifier).....................................................52
Hình 6. 1 Giao diện chính của phần mềm .................................................................... 55
Hình 6. 2 Giao diện lƣu đồ ............................................................................................56
Hình 6. 3 Cửa sổ Mơ phỏng ..........................................................................................57
Hình 6. 4 Cửa sổ Program in text ..................................................................................59
Hình 6. 5 Comment .......................................................................................................59
Hình 6. 6 Parameter .......................................................................................................60
Hình 6. 7 Sơ đồ kết nối độc cơ bƣớc ............................................................................61
Hình 6. 8 Phần mềm Arduino IDE ................................................................................62
Hình 6. 9 Máy bơm DC12V-MB4090...........................................................................63
Hình 7. 1 Giao diện điều khiển khi chƣa khởi chạy ................................................... 65
Hình 7. 2 Chọn chế độ điều khiển .................................................................................66
Hình 7. 3 Tủ điều khiển .................................................................................................66
Hình 7. 4 Giao diện điều khiển khi đã khởi chạy ..........................................................67
Hình 7. 5 Chƣơng trình đang hoạt động chế độ Auto ...................................................67
Hình 7. 6 Báo lỗi............................................................................................................68
vii
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
DANH SÁCH CÁC BẢNG
Bảng 4. 1 Thông số cơ bản của động cơ HC-KFS13 ....................................................18
Bảng 4. 2 Tên và ký hiệu các chân CN1A và CN1B ....................................................21
Bảng 4. 3 Bảng tham số servo Amplifier MR-J2S-10A................................................24
Bảng 4. 4 Bảng giải thích các ký hiệu trên lƣu đồ màn hình .......................................29
Bảng 4. 5 Các tham số đƣợc cài đặt thực tế trên mơ hình ............................................34
Bảng 4. 6 Các lỗi, cảnh báo thƣờng gặp .......................................................................36
Bảng 5. 1 Đặc điểm ngõ vào FX2N-20GM.................................................................. 43
Bảng 5. 2 Đặc điểm ngõ ra FX2N-20GM .....................................................................44
Bảng 5. 3 Tập lệnh FX2N-20GM ..................................................................................50
viii
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI
1.1. Lí Do Chọn Đề Tài
Trong nền công nghiệp 4.0 nhƣ hiện nay, công nghiệp hóa hiện đại hóa phát
triển mạnh mẽ. Dẫn đến nhu cầu máy móc thay thế cho con ngƣời trong các môi
trƣờng công việc độc hại và nguy hiểm ngày càng tăng cao. Nhƣng dù máy móc có
hiện đại đến đâu cũng khơng thể thay thế hồn tồn cho con ngƣời, do đó nhóm em
quyết định chọn đề tài “ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG ỨNG DỤNG
ĐỘNG CƠ SERVO ” để hỗ trợ và làm tăng sự an toàn cho các nhà khoa học trong quá
trình nghiên cứu của họ khi phải tiếp xúc trực tiếp với các chất độc hại, chất hạn chế
tiếp xúc và chất cần xử lí ở môi trƣờng đặc biệt.
Chúng em đã ứng dụng các ƣu điểm của động cơ servo (Momen trên các trục
đều, tốc độ cao, mạch điều khiển chính xác và đều, độ chính xác cao) để đảm bảo chọn
đúng vị trí cơng tác. Hạn chế thấp nhất có thể sự sai sót về vị trí trong q trình sử
dụng.
1.2. Mục Tiêu Của Đề Tài
Nội dung nghiên cứu của đề tài “ Hệ Thống Chiết Rót Chất Lỏng Ứng Dụng
Động Cơ Servo ” :
+ Tìm hiểu và điều khiển đƣợc động cơ AC servo. Cài đặt các thơng số cho driver
servo
+ Tìm hiểu lập trình đƣợc cho module điều khiển vị trí FX2N-20GM
+ Đọc, hiểu và sửa lỗi tủ điện điều khiển
+ Đọc hiểu sử dụng phần mềm FX-PCS-VPS/WIN-E của bộ điều khiển FX2N20GM
+ Sử dụng vi xử lý lập trình điều khiển trục Z theo đúng hành trình
1.3. Phƣơng Pháp Nghiên Cứu
Đề tài sử dụng động cơ AC servo để truyền động cho hai trục X,Y điều khiển
bằng bộ điều khiển FX2N-20GM một cách độc lập hoặc đồng thời chạy đúng theo
hành trình thiết kế. Dùng vi xử lý Arduino Uno R3 để điều khiển động cơ bƣớc truyền
động đầu chiết rót. Điều khiển bơm theo lƣu lƣợng cố định bằng bộ điều khiển.
1
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
1.4. Ý Nghĩa Của Đề Tài
Đề tài “Hệ Thống Chiết Rót Chất Lỏng Ứng Dụng Động Cơ Servo” mơ phỏng
máy chiết rót thiết kế dƣới dạng compact đơn khối gồm các module điều khiển vị trí,
servo driver, PLC, màn hình touch screen và panel điều khiển (giao diện ngƣời thao
tác - operator interface). Giúp sinh viên nắm đƣợc cách cài đặt thông số cho driver của
AC servo, đấu nối AC servo với bộ điều khiển, ứng dụng của AC servo trong thực tế,
có kinh nghiệm trong việc nắm bắt các dịng AC servo khác nhau. Nắm bắt đƣợc cơng
việc lập trình trong thực tế, việc soạn chƣơng trình có thể đƣợc thực hiện theo hai
cách: lập trình tự động bằng tay nhờ panel điều khiển và lập trình tự động bằng máy
tính.
Sau khi hồn thành đề tài sinh viên có khả năng đọc và tìm hiểu tài liệu cho các
sản phẩm sử dụng trong đề tài, nắm bắt và làm chủ đƣợc cơng nghệ. Để hồn thành để
tài sinh viên cần phải vận dụng tất cả những kiến thức đã đƣợc học trong suốt quá trình
đồng thời là một cơ hội sinh viên kiểm tra lại kiến thức mình đã có những gì và thiếu
sót những gì để tìm tịi, nghiên cứu trang bị những kiến thức còn thiếu trƣớc khi ra
trƣờng và bƣớc vào môi trƣờng làm việc thực tế.
2
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
CHƢƠNG 2: TỔNG QUAN VỀ MÁY CHIẾT RÓT
2.1. Khái Niệm Máy Chiết Rót
Máy chiết rót là loại thiết bị đƣợc sử dụng để chiết các loại chất lỏng vào trong
dụng cụ đựng với một lƣu lƣợng cố định dựa trên dây chuyền tự động.
Máy chiết rót trong ngành cơng nghiệp sản xuất thực phẩm, dƣợc phẩm, mỹ phẩm,
thức uống, hóa chất,… ngày nay giữ một vai trò hết sức quan trọng trong việc vận
hành dây chuyền sản xuất đóng gói, hỗ trợ tối đa giúp đẩy mạnh năng suất lao động,
tối ƣu doanh thu, tối thiểu hóa chi phí sản xuất đóng gói.
2.2. Cấu Tạo Và Chức Năng Của Máy Chiết Rót
Máy chiết rót gồm phần chính là máy bơm, dùng để bơm chính xác lƣu lƣợng
chất lỏng vào. Lƣu lƣợng bơm cần phải có độ chính xác cao, tốc độ xử lí nhanh và áp
suất đều…
Máy chiết rót đơng giản thƣờng chỉ có bơm và băng tải khơng kể trục chính.
Truyền động các trục nhờ động cơ servo (DC, AC, bƣớc) và servo driver kèm encoder.
Truyền động trục chính dùng động cơ AC ba pha và biến tần hay cua-roa đổi tốc.
Phần chính yếu của máy chiết rót là vi xử lý 16 bit hay 32 bit, Vi xử lý cùng với
các linh kiện hổ trợ tạo thành bộ điều khiển chiết rót có nhiệm vụ:
-
Chuyển đổi thực tế ra các lệnh điều khiển cơ cấu chấp hành
-
Xuất các tín hiệu điều khiển ra servo driver, biến tần… (di chuyển bàn máy,
dao cắt, quay trục chính, thay đổi vận tốc trục chính, thay dao,…)
-
Đọc vị trí hồi tiếp từ encoder, đọc tín hiệu digital điều khiển rơle cho các thao
tác tuần tự
-
Giao tiếp với panel điều khiển, gồm có màn hình, bàn phím, các núm, cơng tắc
đèn báo. Thơng qua panel điều khiển có thể điều khiển bằng tay một số chức
năng của máy, hiệu chỉnh máy, cho máy chạy chƣơng trình điều khiển trong bộ
nhớ, nạp chƣơng trình điều khiển từ máy tính ngồi qua đƣờng truyền nối tiếp,
từ đĩa mềm hay băng đục lỗ vào bộ nhớ. Một số máy đƣợc kết hợp với các máy
trƣớc và sau cơng đoạn chiết rót.
3
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
-
Thơng báo trên màn hình tình trạng hoạt động của máy, các sự cố và hƣớng dẫn
khắc phụ ở chế độ monitor.
2.3. Bộ Điều Khiển
Hiện nay, bộ điều khiển thƣờng đƣợc thiết kế dƣới 3 dạng:
-
Sử dụng máy tính PC lập trình trong mơi trƣờng DOS hay windows (pc-based
control) với card điều khiển chuyển động và các giao diện cần thiết khác gắn
vào máy tính qua các slot, giao diện ngƣời - máy thơng qua màn hình và bàn
phím, con chuột
-
Thiết kế dƣới dạng compact đơn khối gồm các module điều khiển vị trí, servo
driver, PLC, màn hình touch screen và panel điều khiển (giao diện ngƣời thao
tác - operator interface).
-
Bộ điều khiển gồm board vi xử lý (hoặc vi điều khiển) và các module nhớ, giao
diện ngoại vi, servo driver, màn hình và panel điều khiển, giao tiếp máy tính
theo đƣờng truyền RS232 hay 485
2.4. Máy Chiết Rót Thực Tế Sử Dụng Ac Servo Motor
Hình 2. 1 Máy chiết rót sử dụng AC servo trong thực tế
4
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
CHƢƠNG 3: SƠ LƢỢC PHẦN CỨNG
3.1. Thiết Kế Cơ Khí
3.1.1. Các Thơng Số Thiết Kế Ban Đầu
- Kích thƣớc bàn máy: 415x410x250 (mm)
- Hành trình di chuyển trục X: 280 (mm).
- Hành trình di chuyển trục Y: 260 (mm).
- Động cơ điều khiển trục X: 100 (W), 3000 (vòng/phút).
- Động cơ điều khiển trục Y: 100 (W), 3000 (vòng/phút).
- Máy bơm: 3 (W).
Hình 3. 1 Mơ hình máy chiết rót
3.1.2. Cấu Tạo Của Máy Chiết Rót
5
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Hình 3. 2 Chi Tiết Máy
- Chi tiết các thành phần máy chiết rót:
1. Bàn máy
2. Động cơ servo điều khiển trục X
7. Thanh ray trƣợt trục X
3. Động cơ servo điều khiển trục Y
8. Vitme trục Y
4. Động cơ bƣớc (step motor)
9. Thanh ray trƣợt trục Y
5. Đầu chiết rót
10. Con trƣợt
6. Vitme trục X
11. Khớp nối và gá động cơ
3.1.2.1. Bộ Phận Vitme Đai Ốc
Nhiệm vụ: Dùng để dẫn động các trục chuyển động theo đƣờng dẫn hƣớng.
Trục vitme đƣợc dẫn động nhờ động cơ quay. Vitme đai ốc bi là một loại vitme đặc
biệt có thể khử khe hở triệt để. Vì vậy khi đổi chiều chuyển động khơng tồn tại khe hở
đảm bảo đƣợc độ chính xác gia công. Kết cấu vitme đai ốc bi nhƣ hình sau:
Hình 3. 3 Cấu tạo vitme đai ốc bi
6
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
3.1.2.2. Bộ Phận Trục X
Nhiệm vụ: Thực hiện chuyển động dọc theo thân máy. Để thực hiện chuyển
động này nhờ trục vitme đai ốc bi dẫn động bằng động cơ servo.
Hình 3. 4 Bộ phận trục X
3.1.2.3. Bộ Phận Trục Y
Nhiệm vụ: Thực hiện chuyển động vng góc với trục X. Chuyển động trên
đƣờng dẫn hƣớng của trục Y. Thực hiện chuyển động này nhờ trục vitme đai ốc bi,
dẫn động nhờ động cơ servo.
Hình 3. 5 Bộ phận trục Y
7
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
3.2. Thiết Kế Tủ Điện
Hình 3. 6 Bố trí thiết bị
1. CB
6. Power 24V
2. Contactor
7. Relay
3. Positioning unit FX2N-20GM
8. Board Arduino và A4988
4. Terminal CN1B
9. Terminal I/O CNT FX2N-20GM
5. Servo Amplifier MRJ2S-10A
10. Domino cầu nối dây điện
8
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Hình 3. 7 Bố trí đèn báo nút nhấn
POWER: Đèn báo nguồn hệ thống
ALARM: Đèn báo lỗi
EMG: Nút nhấn dừng khẩn cấp
START: Nút khẩn khởi động
STOP: Nút nhấn dừng
POSITIONG UNIT POWER: Nguồn bộ FX2N-20GM
9
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
CHƢƠNG 4: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ ĐỘNG CƠ
SERVO
4.1. Khái Niệm Servo
Servo là một hệ thống để kiểm soát dụng cụ cơ khí phù hợp với biến đổi vị trí
hoặc tốc độ mục tiêu giá trị
Hình 4. 1 Mơ hình của một hệ thống
4.1.1. Cơ Cấu Định Vị
Hệ thống servo không đơn giản chỉ là một phƣơng pháp thay thế điều khiển vị
trí và tốc độ của các cơ cấu cơ học, ngồi những thiết bị cơ khí đơn giản, hệ thống
servo bây giờ đã trở thành một hệ thống điều khiển chính trong phƣơng pháp điều
khiển vị trí và tốc độ. Sau đây là một số vị dụ về cơ cấu định vị:
-Cơ cấu định vị đơn giản:
Hình 4. 2 Một số ví dụ về cơ cấu
10
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Các ví dụ (hình) về cơ cấu này đó là xylanh, trục cam hay bộ ly hợp và phanh
hãm.
Ƣu điểm của cơ cấu này đó là đơn giản, rẻ tiền, và có thể hoạt động ở tốc độ
cao. Cơ cấu định vị linh hoạt điều khiển bởi servo motor. Cơ cấu này có thể đƣợc điều
khiển vịng hở, nửa kín hay vịng kín.
Ƣu điểm của cơ cấu này đó là độ chính xác và đáp ứng tốc độ cao, có thể dễ
dàng thay đổi vị trí đích và tốc độ của cơ cấu chấp hành. Cơ cấu chuyển động định
hƣớng. Cơ cấu này chuyển động theo hƣớng nhất định đƣợc chỉ định từ bộ điều khiển.
Chuyển động có thể là chuyển động tịnh tiến quay.
4.1.2. Hệ Thống Điều Khiển
- Điều khiển vịng kín:
Hình 4. 3 Điều khiển vịng kín
Vịng hồi tiếp lúc này không phải hồi tiếp từ trục động cơ về mà vòng hồi tiếp
lúc này là hồi tiếp vị trí của bàn chạy thơng qua một thƣớc tuyến tính. Lúc này bộ điều
khiển vị trí khơng điều khiển số vịng quay của motor nữa mà nó điều khiển trực tiếp
vị trí của bàn chạy. Nghĩa là các sai số tĩnh do sai khác trong các bánh răng hay hệ
thống truyền động đƣợc loại bỏ.
- Cấu hình của hệ thống Servo:
Hình 4. 4 Cấu hình của một hệ thống servo
11
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
4.1.3. Bộ Điều Khiển Pid
Một bộ điều khiển vi tích phân tỉ lệ (bộ điều khiển PID- Proportional Integral
Derivative) là một cơ chế phản hồivòng điều khiển (bộ điều khiển) tổng quát đƣợc sử
dụng rộng rãi trong các hệ thống điều khiển công nghiệp – bộ điều khiển PID là bộ
điều khiển đƣợc sử dụng nhiều nhất trong các bộ điều khiển phản hồi. Bộ điều khiển
PID sẽ tính tốn giá trị "sai số" là hiệu số giữa giá trị đo thông số biến đổi và giá trị
đặt mong muốn. Bộ điều khiển sẽ thực hiện giảm tối đa sai số bằng cách điều chỉnh
giá trị điều khiển đầu vào. Trong trƣờng hợp khơng có kiến thức cơ bản (mơ hình tốn
học) về hệ thống điều khiển thì bộ điều khiển PID là sẽ bộ điều khiển tốt nhất. Tuy
nhiên, để đạt đƣợc kết quả tốt nhất, các thông số PID sử dụng trong tính tốn phải điều
chỉnh theo tính chất của hệ thống - trong khi kiểu điều khiển là giống nhau, các thông
số phải phụ thuộc vào đặc thù của hệ thống.
Hình 4. 5 Sơ đồ khối của bộ điều khiển PID
Giải thuật tính tốn bộ điều khiển PID bao gồm 3 thơng số riêng biệt, do đó đơi khi nó
cịn đƣợc gọi là điều khiển ba khâu: các giá trị tỉ lệ, tích phân và đạo hàm, viết tắt
là P, I, và D. Giá trị tỉ lệ xác định tác động của sai số hiện tại, giá trị tích phân xác định
tác động của tổng các sai số quá khứ, và giá trị vi phân xác định tác động của tốc độ
biến đổi sai số. Tổng chập của ba tác động này dùng để điều chỉnh quá trình thơng qua
một phần tử điều khiển nhƣ vị trí của van điều khiển hay bộ nguồn của phần tử gia
nhiệt. Nhờ vậy, những giá trị này có thể làm sáng tỏ về quan hệ thời gian: P phụ thuộc
vào sai số hiện tại, I phụ thuộc vào tích lũy các sai số quá khứ, và D dự đoán các sai
số tƣơng lai, dựa vào tốc độ thay đổi hiện tại.
12
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Bằng cách điều chỉnh 3 hằng số trong giải thuật của bộ điều khiển PID, bộ điều khiển
có thể dùng trong những thiết kế có yêu cầu đặc biệt. Đáp ứng của bộ điều khiển có
thể đƣợc mơ tả dƣới dạng độ nhạy sai số của bộ điều khiển, giá trị mà bộ điều
khiển vọt lố điểm đặt và giá trị dao động của hệ thống. Lƣu ý là công dụng của giải
thuật PID trong điều khiển không đảm bảo tính tối ƣu hoặc ổn định cho hệ thống.
Vài ứng dụng có thể yêu cầu chỉ sử dụng một hoặc hai khâu tùy theo hệ thống. Điều
này đạt đƣợc bằng cách thiết đặt đội lợi của các đầu ra không mong muốn về 0. Một
bộ điều khiển PID sẽ đƣợc gọi là bộ điều khiển PI, PD, P hoặc I nếu vắng mặt các tác
động bị khuyết. Bộ điều khiển PI khá phổ biến, do đáp ứng vi phân khá nhạy đối với
các nhiễu đo lƣờng, trái lại nếu thiếu giá trị tích phân có thể khiến hệ thống khơng đạt
đƣợc giá trị mong muốn.
4.2. Sự Khác Biệt So Với Motor Thƣờng
Về kết cấu và hoạt động của động cơ servo về cơ bản giống với động cơ
thƣờng. Nhƣng nó đƣợc thiết kế để đáp ứng độ chính xác cao, tốc độ cao, tần số cao,
kiểm soát tốc độ và vị trí của các phƣơng tiện cơ khí.
Khơng phải bất kỳ động cơ nào cũng có thể dùng làm động cơ serco. Động cơ
servo là động cơ hoạt động dựa theo các lệnh điều khiển vị trí và tốc độ. Chính vì thế
nó phải đƣợc thiết kế sao cho các đáp ứng là phù hợp với nhu cầu điều khiển. Về cơ
bản thì một servo motor và một động cơ bình thƣờng giống nhau về mặt cấu tạo và
nguyên lý hoạt động (cũng có phần cảm phần ứng, khe hở từ thông, …). Tuy nhiên tùy
theo nhu cầu điều khiển mà nó có một số điểm cải tiến hơn (dành cho những mục đích
đặc biệt) so với động cơ thƣờng.
4.2.1. Tăng Tốc Độ Đáp Ứng
Các động cơ bình thƣờng, muốn chuyển động từ tốc
độ này sang tốc độ khác thì cần có một khoảng thời gian quá
độ. Trong một số nhu cầu điều khiển, đòi hỏi động cơ phải
tăng giảm tốc nhanh chóng, để đạt đƣợc một tốc độ mong
muốn trong thời gian ngắn nhất, hoặc đạt đƣợc một vị trí
mong muốn nhất.
13
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
Các động cơ thƣờng không thể đáp ứng điều này. Để động cơ đáp ứng đƣợc u
cầu trên thì nó phải đƣợc thiết kế sao cho rút ngắn đáp ứng tốc độ của động cơ.
Muốn nhƣ vậy ta cần giảm moment qn tính và tăng dịng giới hạn cho động
cơ. Để giảm moment qn tính thì động cơ servo đƣợc giảm đƣờng kính rotor và loại
bỏ các cơ cấu sắt khơng cần thiết. Để tăng dịng giới hạn, động cơ servo có thể sử dụng
sắt Ferrit để làm mạch từ và thiết kế hình dạng lõi sắt cho phù hợp. Đối với động cơ
nam châm vĩnh cữu thì nó cần đƣợc thiết kế sao cho ngăn cản đƣợc sự khử từ (hình
dạng mạch từ) và tăng khả năng từ tính của nam châm (sử dụng nam châm đất hiếm
rare earth magnet).
4.2.2. Tăng Khả Năng Đáp Ứng
Đáp ứng ở đây cần đƣợc hiểu đó là sự tăng/ giảm tốc
cần phải “mềm” nghĩa là gia tốc là một hằng số hay gần nhƣ
là một hằng số.
Một số động cơ nhƣ thang máy hay trong một số băng chuyển đòi hỏi đáp ứng
tốc độ của cơ cấu phải “mềm”, tức là quá trình quá độ vận tốc phải xảy ra một cách
tuyến tính. Để làm đƣợc điều này thì cuộn dây trong động cơ phải có điện cảm nhỏ
nhằm loại bỏ khả năng chống lại sự biến đổi dòng điện do mạch điều khiển yêu cầu.
Các động cơ servo thuộc loại này thƣờng đƣợc thiết kế giảm thiểu số cuộn dây trong
mạch và có khả năng thu hẹp các vịng từ trong mạch từ khe hở khơng khí.
4.2.3. Mở Rộng Vùng Điều Khiển (Control Range)
Một số yêu cầu trong điều khiển cần điều
khiển động cơ ở một dải tốc độ lớn hơn định mức
rất nhiều. Động cơ bình thƣờng chỉ cho phép điện
áp đặt lên nó phải bằng điện áp chịu đựng của
động cơ và thông thƣờng không quá lớn so với
điện áp định mức.
Động cơ servo thuộc loại này có thiết kế
14
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
đặc biệt nhằm gia tăng điện áp chịu đựng hoặc tăng khả năng bảo hòa mạch từ trong
động cơ. Nhƣ động cơ servo thuộc loại này phải đƣợc tăng cƣờng cách điện và sử
dụng săt Ferrit hoặc nam châm đất hiếm (rare earth).
4.2.4. Khả Năng Ổn Định Tốc Độ
Động cơ servo loại này thƣờng đƣợc thiết kế
sao cho vận tốc quay của nó rất ổn định.
Nhƣ ta đã biết là khơng có mạch điện hồn
hảo, khơng có từ trƣờng hồn hảo trong thực tế.
Chính vì thiết một động cơ quay 1750 rpm khơng
có nghĩa là nó ln quay ở 1750 rpm mà nó chỉ dao
động quanh giá trị này. Động cơ servo khác biệt với
động cơ thƣờng là ở chỗ độ ổn định tốc độ khá cao. Các động cơ servo loại này thƣờng
đƣợc sử dụng trong các ứng dụng địi hỏi tốc độ chính xác (nhƣ robot). Nó đƣợc thiết
kế sao cho có thể gia tăng đƣợc dịng từ trong mạch từ lên khá cao và gia tăng từ tính
của cực từ.
4.2.5. Tăng Khả Năng Chịu Đựng Của Động Cơ
Một số động cơ servo đƣợc thiết kế sao cho có thể chịu đựng đƣợc các tín hiệu
điều khiển ở tần số rất cao và có khả năng chịu đƣợc đƣợc những yêu cầu tăng tốc bất
ngờ từ bộ điều khiển (có thể tạo ra các xung điện hài bậc cao). Những động cơ nhƣ thế
này thƣờng đƣợc cải tiến về phần cơ để có tuổi thọ cao và có thể chống lại đƣợc sự hao
mòn do ma sát trên ổ bi bạc đạn cũng nhƣ trên chổi than (đối với DC)
Một động cơ servo có thể mang một số đặc điểm trên để phù hợp với nhu cầu
điều khiển của ngƣời điều khiển.
4.3. Nguyên Lý Hoạt Động Của Encoder
Nguyên lý cơ bản của encoder, đó là một đĩa trịn xoay, quay quanh trục. Trên
đĩa có các lỗ (rãnh). Ngƣời ta dùng một đèn led để chiếu lên mặt đĩa. Khi đĩa quay,
chỗ khơng có lỗ, đèn led khơng chiếu xuyên qua đƣợc. Chỗ có lỗ, đèn led sẽ chiếu
xuyên qua. Khi đó, phía mặt bên kia của đĩa, ngƣời ta đặt một con mắt thu
(photosensor). Với các tín hiệu có hoặc khơng có ánh sáng chiếu qua, ngƣời ta ghi
15
SV: Lê Phƣơng Nam – Bùi Đức Hƣng
Khóa Luận Tốt Nghiệp
nhận đƣợc đèn led có chiếu qua lỗ hay khơng. Khi trục quay, giả sử trên đĩa chỉ có một
lỗ duy nhất, cứ mỗi lần con mắt thu nhận đƣợc tín hiệu đèn led, thì có nghĩa là đĩa đã
quay đƣợc một vòng. Đây là nguyên lý rất cơ bản của encoder. Encoder đƣợc chia
thành 2 loại là encoder tƣơng đối và encoder tuyệt đối.
Hình 4. 6 Thành phần chính của encoder
4.4. Động Cơ Ac Servo Hk-Kfs-13 Và Driver Mr-J2s-10a
4.4.1. Giới Thiệu Driver Mr-J2s-10a
- Nhãn mác của bộ khuếch đại và ý nghĩa trên nhãn.
Loại Servo Amplifier
Công suất
Thông số ngõ vào
Thơng số ngõ ra
Số serial
Hình 4. 7 Nhãn mác của Driver
- Giao diện interface của ampifier
16
