TÊN ĐỀ TÀI: ĐIỀU KHIỂN ĐỒNG BỘ TỐC ĐỘ CAO ĐỘNG CƠ AC SERVO THÔNG QUA MẠNG SSCNET III/H. II. NHIỆM VỤ 1. Các số liệu ban đầu: - Tìm hiểu về động cơ servo cũng như cách điều khiển - Tìm hiểu về bộ động cơ servo và driver MR-J4-B của Mitsubishi - Tìm hiểu về điều khiển vị trí - Tìm hiểu về các hệ thống đồng bộ trong công nghiệp 2. Nội dung thực hiện: - Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của hệ thống đồng bộ - Thiết kế cơ khí cho mô hình - Thiết kế phần điều khiển cho hệ thống - Viết chương trình điều khiển cho Q-motion CPU - Viết chương trình điều ladder cho CPU dòng Q series - Cài đặt các thông số theo cơ khí đã thiết kế và điều chỉnh máy - Thiết kế lập trình cho màn hình HMI GOT 1000 - Chạy thử nhiều lần, ghi nhận lại các qua trình chạy và rút ra sai số
TỔNG QUAN
ĐẶT VẤN ĐỀ
Trong 60 năm qua, động cơ servo đã cách mạng hóa ngành công nghiệp điều khiển chuyển động, góp mặt trong hầu hết các hệ thống điều khiển tự động toàn cầu Sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật đã tạo ra yêu cầu cao hơn về độ chính xác và khả năng đáp ứng của máy móc Để đáp ứng những yêu cầu khắt khe này, hầu hết các hệ thống tự động hóa hiện nay đều sử dụng động cơ servo trong các ứng dụng cụ thể như cánh tay robot, máy CNC, cần trục, cơ cấu vít me, bàn xoay và các thiết bị chuyển động tuyến tính.
Sự phát triển nhanh chóng của khoa học công nghệ, đặc biệt là công nghệ tự động hóa, đã mang lại những thay đổi rõ rệt trong sản xuất hiện đại Các dây chuyền sản xuất và thiết bị máy móc hiện nay có độ chính xác cao và tốc độ nhanh, đáp ứng tốt nhu cầu công việc phức tạp Trong một hệ thống sản xuất, những công việc yêu cầu hoạt động đồng thời và di chuyển chính xác không thể thực hiện hiệu quả bằng sức lao động thủ công Tuy nhiên, với công nghệ tiên tiến hiện nay, việc này trở nên dễ dàng hơn Nhằm tìm hiểu về thiết bị và phương pháp điều khiển, nhóm đã quyết định nghiên cứu đề tài “Điều khiển mô hình đồng bộ tốc độ cao động cơ AC Servo thông qua mạng SSCNET III/H”.
MỤC TIÊU ĐỀ TÀI
Tiến hành thực hiện đồng bộ 2 trục động cơ Servo với tốc độ cao, đảm bảo điều khiển chính xác vị trí và vận hành đúng yêu cầu Mô hình điều khiển và giám sát bao gồm 2 trục động cơ Servo và 1 trục động cơ Linear, được điều khiển thông qua màn hình HMI Mô hình sử dụng 2 động cơ Servo và driver 200W của Mitsubishi, cùng với trục Linear của Kawasaki Hai controller chính là Q04UDH, đóng vai trò giao tiếp với thiết bị ngoại vi như nút nhấn và màn hình HMI, và Q173DSCPU, đảm nhiệm chức năng CPU motion để giao tiếp và điều khiển động cơ Servo.
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Để thực hiện đề tài này, nhóm đã nghiên cứu và thực hiện các phương pháp:
Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết
Phương pháp thực nghiệm khoa học
GIỚI HẠN ĐỀ TÀI
Chỉ dừng lại ở việc mô hình ứng dụng chuyển động đồng bộ đơn giản.
NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
Chương 1: Tổng quan đề tài
Chương này giới thiệu về vấn đề nghiên cứu, nêu rõ lý do chọn đề tài, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời trình bày các giới hạn của các thông số và cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ sở lí thuyết
Trình bày cơ sở lý thuyết về PLC, kiến thức chung về PLC hãng Mitsubishi, Servo Driver , Servo motor, HMI Got 1000, Linear Yawasaki.
Chương 3: Thiết kế và thi công mô hình
Chương này trình bày phương pháp tính toán và bố trí thiết bị trong mô hình để đáp ứng yêu cầu đề ra, đồng thời mô tả cách thức hoạt động và sự liên kết giữa các thiết bị Dựa trên các tính toán đã thực hiện, nhóm tiến hành lựa chọn thiết bị phù hợp cho mô hình Quá trình thi công bắt đầu từ khâu cơ khí, bao gồm lắp ráp và kết nối các thiết bị Cuối cùng, nhóm kiểm tra độ an toàn về điện nhằm bảo đảm an toàn cho con người và thiết bị.
Chương 4: Giải thuật và chương trình điều khiển
Hệ thống và giải thuật điều khiển được mô tả chi tiết, bao gồm lưu đồ giải thuật và các lệnh sử dụng trong mô hình, bao gồm lệnh điều khiển trình tự và lệnh SFC Bên cạnh đó, các thông số cài đặt chuyên biệt cho Servo cũng được giải thích rõ ràng Cuối cùng, lý thuyết về cơ khí ảo được trình bày, nhấn mạnh vai trò của nó trong hệ thống.
Chương này sẽ nói về kết quả đại được và sau đó nhận xét về mục tiêu đã đặt ban đầu
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Kết luận sau khi hoàn thành mô hình cho thấy những ưu điểm nổi bật như tính khả thi và ứng dụng thực tiễn cao, trong khi nhược điểm có thể bao gồm chi phí đầu tư ban đầu và yêu cầu về công nghệ Để phát triển đề tài trong tương lai, cần tập trung vào việc cải thiện hiệu suất và giảm chi phí, đồng thời nghiên cứu thêm các ứng dụng mới để mở rộng khả năng sử dụng của mô hình.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC
2.1.1 Tổng quan về PLC Định nghĩa: PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động theo chương trình người dùng PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển. PLC có thể coi là một máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp.
PLC được cấu tạo từ các thành phần chính, bao gồm bộ xử lý trung tâm, khối vào (Module input, Analog input) và khối ra (Module output, Analog output).
Bộ xử lý (CPU: Central Processing Unit )
Để đáp ứng yêu cầu, PLC cần một CPU giống như một máy tính thực thụ CPU được coi là bộ não của PLC, quyết định tốc độ xử lý và khả năng điều khiển chuyên biệt của thiết bị này.
CPU là bộ phận chính trong máy tính, chịu trách nhiệm đọc tín hiệu từ khối vào, xử lý thông tin và xuất tín hiệu ra khối ra Ngoài ra, CPU còn bao gồm các thành phần quan trọng như Counter, Timer, lệnh toán học, chuyển đổi dữ liệu và các hàm chuyên dụng khác.
Khối vào (Module Input) : Có hai loại ngõ vào là ngõ vào số DI (Digital Input) và ngõ vào tương tự AI (Analog Input)
Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị tạo tín hiệu nhị phân, bao gồm công tắc, nút nhấn, công tắc hành trình, cảm biến quang và cảm biến tiệm cận.
Ngõ vào AI kết nối với các thiết bị phát tín hiệu liên tục như cảm biến nhiệt độ, áp suất, khoảng cách và độ ẩm Khi thực hiện kết nối, cần chú ý đến sự tương thích giữa tín hiệu ngõ ra của cảm biến và tín hiệu vào của module để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
AI có khả năng đọc các tín hiệu tương tự như dòng điện, điện áp và tổng trở Một yếu tố quan trọng của các module AI là độ phân giải, cho biết mức độ chính xác trong quá trình chuyển đổi ADC.
Khối ra (Module Output): Có 2 loại ngõ ra là ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output).
Ngõ ra DO kết nối với các thiết bị chấp hành điều khiển theo nguyên tắc On/Off, bao gồm đèn báo, chuông, van điện, và động cơ không điều khiển tốc độ.
Ngõ ra AO kết nối với các cơ cấu chấp hành cần tín hiệu điều khiển liên tục: biến tần, van tuyến tính…
2.1.2 Đặc điểm và vai trò của PLC Ưu điểm: nhìn chung PLC có các ưu điểm so với các mạch tiếp điểm truyền thống như sau.
Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt Khi cần thay đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình.
PLC hỗ trợ một số lượng lớn Timer và Counter, cùng với nhiều khối hàm chuyên dụng như phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao và bộ điều khiển PID.
Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đã được thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC.
Cấu trúc dạng Module của PLC mang lại tính linh hoạt cao, cho phép người dùng lựa chọn các module cần thiết theo yêu cầu điều khiển, từ đó tiết kiệm chi phí Việc mở rộng quy mô điều khiển trở nên đơn giản và tiết kiệm mà không cần thay thế CPU mới Tuy nhiên, khi thực hiện mở rộng, người dùng cần lưu ý đến khả năng kết nối tối đa của CPU để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Khả năng truyền thông và kết nối với máy tính hoặc PLC khác là yếu tố quan trọng trong việc đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát từ xa, đồng thời hỗ trợ xây dựng hệ thống SCADA hiệu quả.
Hoạt động với độ tin cậy cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.
Nhược điểm lớn nhất của PLC là giá thành cao, điều này khiến nhiều hệ thống điều khiển đơn giản không thể tiếp cận được Hơn nữa, hiệu quả kinh tế của PLC không cao bằng các bộ điều khiển tiếp điểm Đối với người mới bắt đầu, việc lập trình PLC cũng đòi hỏi kiến thức chuyên môn đáng kể.
Với những lợi ích nổi bật, PLC đã dần thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy và dây chuyền công nghệ Việc này không chỉ nâng cao độ tin cậy và hiệu quả hoạt động của hệ thống, mà còn giúp tiết kiệm nhân công và giảm thiểu sai sót do người vận hành.
PLC DÒNG Q CỦA HÃNG MITSUBISHI
Dòng sản phẩm Q PLC Mitsubishi, phát triển từ AnSH, cho phép người dùng linh hoạt lựa chọn và kết hợp giữa CPU, công cụ truyền tin, module điều khiển chuyên biệt và I/O trên cùng một nền tảng Hệ thống hỗ trợ lên đến 4 CPU khác nhau, bao gồm PLC CPU cơ bản và nâng cao, Motion CPU, Process Controllers, và cả PC, mang lại sự lựa chọn đa dạng về phương thức điều khiển và ngôn ngữ lập trình Thiết kế linh động và phân cấp của dòng Q tạo ra một nền tảng tự động hóa độc đáo, giúp người dùng dễ dàng điều khiển máy móc riêng lẻ hoặc quản lý toàn bộ thiết bị trên cùng một phần cứng.
Tên CPU dòng Q Mô tả Mẫu CPU
QnUCPU Các tính năng, phương pháp, và thiết bị cho lập trình
Mã CPU ứng dụng tổng quát
Các tính năng, phương pháp, và thiết bị cho lập trình
Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển qui trình/ dự phòng
QCPU Thông tin cho cấu hình hệ thống đa CPU
(cấu hình hệ thống, thông số I/O, liên kết thiết bị vào/ra và tính năng thiết bị thông minh)
Mẫu QCPU cơ bản/ hiệu năng cao/ điều khiển qui trình/ ứng dụng tổng quan
QnPRHCPU Cấu hình hệ thống dự phòng, tính năng, kết nối với các thiết bị bên ngoài và xử lý sự cố
QnUCPU Tính năng liên kế thông qua cổng Ethernet gắn trong
Mã CPU ứng dụng tổng quát
Bảng 2.1: Các kí hiệu của PLC dòng Q series
CPU thiết bị Tên gọi chung cho mấu QCPU cơ bản, QCPU hiệu năng cao,
CPU dự phòng và QCPU ứng dụng tổng quát.
Mẫu QCPU cơ bản Tên gọi chung cho Q00JCPU, Q00CPU, và Q01CPU
Mẫu QCPU hiệu năng cao Tên gọi chung cho Q02CPU, Q02HCPU, Q06HCPU,
Q12HCPU, và Q25HCPU CPU điều khiển qui trình Tên gọi chung cho Q02PHCPU, Q06PHCPU, Q12PHCPU, và
Q25PHCPU CPU dự phòng Tên gọi chung cho Q12PRHCPU và Q25PRHCPU
Mẫu QCPU ứng dụng tổng quát
Tên gọi chung cho Q00UJCPU, Q00UCPU, Q01UCPU, Q02UCPU,Q03UDCPU,Q03UDVCPU,Q03UDECPU,
Q06UDVCPU, Q06UDEHCPU,Q10UDHCPU, Q10UDEHCPU, Q13UDHCPU,Q13UDVCPU, Q13UDEHCPU, Q20UDHCPU, Q20UDEHCPU, Q26UDHCPU,Q26UDVCPU, Q26UDEHCPU, Q50UDEHCPU, và Q100UDEHCPU
QCPU có cổng Ethernet gắn trong
Tên gọi chung cho Q03UDVCPU, Q03UDECPU, Q04UDVCPU,
Q04UDEHCPU,Q06UDVCPU,Q06UDEHCPU,Q10UDEHCPU, Q13UDVCPU, Q13UDEHCPU,Q20UDEHCPU, Q26UDVCPU, Q26UDEHCPU, Q50UDEHCPU, và Q100UDEHCPU
QCPU ứng dụng tổng quát tốc độ cao
Tên gọi chung cho Q03UDVCPU, Q04UDVCPU, Q06UDVCPU,
Q13UDVCPU, và Q26UDVCPU CPU chuyển động Tên gọi chung cho CPU hướng dẫn chuyển động Mitsubishi:
Q172CPUN-T, Q173CPUN-T,Q172HCPU-T, Q173HCPU-T, Q172DCPU, Q173DCPU,Q172DCPU-S1,Q173DCPU-S1, Q172DSCPU, và Q173DSCPU
Bảng 2.2: Các loại thiết bị CPU hiện có
Tên module Đầu vào Đầu ra
Bảng 2.3: Các loại nguồn cung cấp cho CPU
Bảng 2.4: Các module ngõ vào
*2: Thông số kỹ thuật ngõ ra cho các module tích hợp I/O
Bảng 2.5: Các module ngõ ra
ĐỘNG CƠ SERVO
Servo là thiết bị chuyên dụng, có nguồn gốc từ chữ Latinh “servus”, mang ý nghĩa tuân thủ lệnh một cách chính xác và nhanh chóng Thiết bị này thực hiện công việc theo các lệnh điều khiển, cho phép khởi động và dừng ở các vị trí chính xác, cũng như điều chỉnh tốc độ linh hoạt “AC Servo” là loại servo điều khiển động cơ xoay chiều Động cơ servo sử dụng tín hiệu hồi tiếp từ encoder để điều chỉnh tốc độ, moment và vị trí, giúp tự động điều chỉnh khi gặp vật cản hoặc tác động ngoại lực Hệ thống này có khả năng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, và sẽ tự động trở về vị trí ban đầu khi có sự thay đổi.
Hình 2.2: Một động cơ Servo của hãng Mitsubishi
2.3.2 Phân loại động cơ Servo Động cơ Servo thông thường sẽ được phân ra làm hai loại chính đó là: động Đối với DC servo: nguồn cấp cho động cơ là nguồn một chiều DC servo sử dụng chổi than bên trong động cơ chính vì thế việc thay thế chổi than là cần thiết khi sử dung thời gian dài, do đó việc sử dụng DC servo cần có sử bảo trì định kì DC servo thường có thế mạnh về điều khiển tốc độ với khả năng duy trì tốc độ cao một cách cực kì ổn định kiểm soát bởi bộ điều khiển PWM tích hợp Moment xoắn của động cơ được điều khiển độc lập bởi một dòng điện điều khiển cho phép duy trì tính nhất quán trong khi hoạt động Vì những lí do đó, việc điều khiển DC servo tướng đối dễ dàng hơn AC servo. Đối với AC servo: có cấu tạo gần khá giống với brushless motor, do không có chổi than việc bảo trì động cơ AC servo là ít cần thiết hơn so với DC servo Hệ thống encoder hồi tiếp giúp điều khiển và cảnh bảo vị trí của roto để trình tự dòng điện cấp qua các cuộn dây một cách chính xác Sự liên kết và phản hồi được sử dụng trong các động cơ AC servo phải được hoạt động đúng với bô điều khiển hay bộ khuếch đại. Quán tính trên roto rất thấp so với DC servo, hệ thống điều khiển tinh vi, cường độ dòng, tần số và các pha của stato được driver điều khiển phối hợp để đạt được vị trí mong muốn Tốc độ quay của AC servo có thể đạt đến 6000 vòng/phút hoặc cao hơn ở những servo chuyên dụng. Đối với hãng Mitsubishi, động cơ AC Servo của hãng sẽ phân theo ứng dụng của động cơ và sẽ được phân biệt dựa vào Seri kí hiệu.
Động cơ quán tính trung bình (Sê-ri HF) đảm bảo độ chính xác cao, phù hợp cho các máy cần tăng tốc nhanh chóng.
Động cơ quán tính thấp (Sê-ri HF-KP): Phù hợp với một trục phụ trợ đòi hỏi phải định vị tốc độ cao.
Động cơ servo tuyến tính Sê-ri LM-F là lựa chọn lý tưởng cho các môi trường sạch sẽ, vì thiết kế của nó không sử dụng vít me bi, giúp loại bỏ vấn đề nhiễm bẩn từ dầu mỡ.
Động cơ servo dẫn động trực tiếp (Sê-ri TM-RB) kết hợp giữa mô-men xoắn cao và hệ thống điều khiển có độ lợi cao, mang lại khả năng tăng tốc và định vị nhanh chóng Nhờ đó, máy hoạt động mượt mà hơn.
AC Servo có khả năng thực hiện ba loại điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ, điều khiển momen
AC Servo có khả năng điều khiển vị trí với độ chính xác đến từng micromet, vượt qua khả năng phát hiện của mắt người Chẳng hạn, công nghệ này được ứng dụng trong việc điều khiển vị trí cho các thiết bị vận chuyển đứng trong kho, mang lại hiệu quả cao trong quản lý và vận hành.
Điều khiển tốc độ là công nghệ quan trọng được áp dụng cho các thiết bị như máy xi mạ quay, đóng vai trò thiết yếu trong quá trình sản xuất mạch bán dẫn.
Điều khiển momen: momen là lực dùng để xoay các trục được sử dụng như máy in công nghiệp.
AC Servo bao gồm hai thiết bị chính là bộ khuếch đại Servo và động cơ Servo, nhưng để hoạt động hiệu quả, hệ thống cần có bộ điều khiển để phát đi các lệnh điều khiển Bộ điều khiển gửi lệnh tới bộ khuếch đại Servo, sau đó bộ khuếch đại truyền lệnh tới động cơ Servo, khiến động cơ phát ra lực dẫn động theo lệnh Động cơ Servo được trang bị bộ mã hóa để dò vị trí hiện tại và gửi thông tin này về bộ khuếch đại Bộ khuếch đại sẽ so sánh giá trị lệnh với giá trị hiện tại từ bộ mã hóa, từ đó đưa ra lệnh sửa đổi nhằm giảm thiểu chênh lệch, quá trình này được gọi là điều khiển hồi tiếp.
DRIVER SERVO
Driver Servo là bộ khuếch đại điện tử chuyên dụng, theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servo và điều chỉnh độ lệch từ hành vi dự kiến Nó nhận tín hiệu lệnh từ hệ thống điều khiển, khuếch đại tín hiệu và cung cấp dòng điện cho động cơ Servo, tạo ra chuyển động tương ứng với tín hiệu lệnh Tín hiệu lệnh thường biểu thị vận tốc mong muốn, trong khi động cơ Servo gửi báo cáo về tình trạng thực tế trở lại bộ khuếch đại Bộ khuếch đại so sánh trạng thái thực tế của động cơ với trạng thái được chỉ định, sau đó điều chỉnh tần số, điện áp hoặc độ rộng xung để khắc phục bất kỳ độ lệch nào từ trạng thái lệnh.
Hình 2.3: Một Driver Servo của hãng Mitsubishi
Trong một hệ thống điều khiển được cấu hình chính xác, động cơ Servo có khả năng quay với vận tốc gần như tương đương với tín hiệu vận tốc nhận được từ hệ thống Để đạt được hiệu suất tối ưu, các tham số như độ cứng và giảm chấn có thể được điều chỉnh Mặc dù nhiều động cơ Servo yêu cầu một Drive cụ thể cho từng thương hiệu hoặc kiểu động cơ, nhưng hiện nay có nhiều Drive có khả năng tương thích với nhiều loại động cơ khác nhau.
Dòng Servo MR-J4 thế hệ mới sở hữu công nghệ tiên tiến hàng đầu thế giới, mang đến khả năng điều khiển Servo xuất sắc Tính năng chống rung chuyên dụng và autotuning thời gian thực giúp tối ưu hóa độ chính xác trong chuyển động, thời gian đáp ứng nhanh và dễ dàng lắp đặt So với dòng Servo MR-J2S trước đó, kích thước của Servo MR-J4 và MR-J3 đã giảm khoảng 40%, đáp ứng tốt hơn nhu cầu và ứng dụng điều khiển.
Dòng MR-J4-A phù hợp cho những tác vụ điều khiển thông thường về vận tốc, momen xoắn và vị trí
Dòng MR-J4-B được thiết kế đặc biệt cho các hệ điều khiển kín tổng thể và hệ nhiều trục chuyển động nội suy Nó cũng phù hợp cho các hệ thống mạng điều khiển Servo sử dụng đường truyền cáp quang (fiber).
Các đơn vị cấu hình Plug & Play của Mitsubishi Electric cho phép điều khiển chuyển động và kiểm soát vị trí hiệu quả, kết nối qua mạng SSCNET III với chu kỳ thời gian chỉ 0,44 ms Dòng sản phẩm MR-J3 cung cấp công suất đầu ra từ 50W đến 7kW, đáp ứng nhu cầu đa dạng trong ứng dụng công nghiệp.
Điều khiển tốc độ cao cho lần định vị siêu ngắn; trung bình tốc độ phản ứng tần số 900Hz.
Độ phân giải cao cho tính mã hóa tốc độ tối đa.
Autotuning cho các thiết lập, nhanh và chính xác.
Tối ưu chi phí / lợi ích tỷ lệ.
Vị trí tuyệt đối bao gồm bộ mã hóa như trang bị tiêu chuẩn.
Hỗ trợ các tiêu chuẩn toàn cầu.
ENCODER
Encoder là một cảm biến vị trí cung cấp thông tin về góc quay và tốc độ của trục xoay Nguyên lý hoạt động của Encoder dựa trên một đĩa xoay có các lỗ hoặc rảnh, cho phép tín hiệu quang chiếu qua đĩa để xác định góc quay Khi trục quay làm đĩa xoay, tín hiệu quang sẽ tạo ra các xung liên tục, từ đó ghi nhận số xung và tốc độ xung, giúp xác định chính xác góc quay và tốc độ quay của trục gắn encoder.
Hình 2.4: Encoder dùng trong công nghiệp
Encoder thường được phân làm 2 loại : encoder tuyệt đối (Absolute encoder) và encoder tương đối (Increamental encoder).
Encoder tuyệt đối là loại encoder có khả năng xác định chính xác vị trí của trục động cơ so với điểm quy định ban đầu Đĩa encoder tuyệt đối được thiết kế với nhiều rãnh có kích thước khác nhau và sắp xếp không đều, cho phép tín hiệu quang phát ra xuyên qua các rãnh để truyền tải thông tin vị trí Thông qua việc phân tích kích thước và số lượng rãnh, tín hiệu được biên dịch qua hệ nhị phân, từ đó xác định vị trí của trục quay một cách chính xác.
Hình 2.5: Đĩa Encoder tuyệt đối
Encoder tương đối là loại encoder có đĩa quay với nhiều rãnh có kích thước đồng nhất và phân bố đều Khi tín hiệu quang đi qua mỗi rãnh, nó tạo ra một xung tín hiệu, cho phép xác định góc quay của trục.
Hình 2.6: Đĩa Encoder tương đối
Encoder tuyệt đối có ưu điểm vượt trội so với encoder tương đối nhờ khả năng ghi nhớ vị trí chính xác trên vòng quay của đĩa hoặc trục kết nối Khi mất nguồn, encoder tuyệt đối vẫn duy trì được vị trí của mình, cho phép hệ thống tiếp tục hoạt động mà không cần trở về điểm khởi đầu Tuy nhiên, với những lợi ích này, encoder tuyệt đối cũng đi kèm với chi phí cao hơn, yêu cầu hệ thống điều khiển phức tạp hơn và cần các thiết bị hỗ trợ hiện đại, đắt tiền.
HMI GOT 1000
GOT là dòng sản phẩm màn hình cảm ứng tiếp xúc, được thiết kế dựa trên nhu cầu của người sử dụng với giao diện người – máy thân thiện Các công tắc và đèn được tích hợp vào bảng điều khiển, tương tự như phần cứng của thiết bị Đặc biệt, thông qua phần mềm thiết kế màn hình, người dùng có thể tạo ra, hiển thị và thao tác một cách linh hoạt trên màn hình giám sát của GOT, HMI dạng bảng cảm ứng.
Hình 2.7: Màn hình HIM GOT 1000
Màn hình hiển thị GOT được tạo ra trên máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng
GT Designer là công cụ giúp người dùng tạo ra các chức năng cho GOT bằng cách cài đặt trên màn hình hiển thị các thành phần như công tắc, đèn, và hiển thị số Sau khi cài đặt, người dùng có thể thiết lập các thuộc tính và chức năng hoạt động để kết nối với CPU PLC.
PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN VỊ TRÍ ĐỘNG CƠ SERVO
2.7.1 Thiết lập bộ truyền động điện tử
Số xung trên mỗi vòng quay là một thiết lập quan trọng và bắt buộc để đảm bảo độ chính xác trong điều khiển động cơ servo Đây là số xung cần thiết để động cơ hoàn thành một vòng quay, phụ thuộc vào số xung cố định trên đĩa encoder.
Khoảng di chuyển trên mỗi vòng quay là cài đặt quan trọng cho các cơ cấu cơ khí liên kết với trục động cơ, chẳng hạn như vít me, bàn xoay Đơn vị thiết lập cho chuyển động tịnh tiến thường là mm, trong khi đối với các hệ thống xoay, có thể sử dụng độ hoặc tính bằng xung trong những trường hợp đặc biệt.
Chế độ phát xung là cài đặt phương pháp truyền tín hiệu xung lệnh và xác định hướng quay để tương thích với bộ điều khiển servo đã kết nối.
Chế độ Đặc điểm Hình ảnh mô tả
- Số vòng quay cũng như tốc độ quay phụ thuộc vào tín hiệu xung
- Tín hiệu quay thuận nghịch độc lập với xung lệnh để điều khiển hướng quay.
CW/CCW (clock wise/ counter clock wise)
- Đối với động cơ servo, việc quay thuận nghịch không phải cố định mà người ta thường qui ước theo chiều kim đồng hồ.
- Ta có thể điều khiển chiều quay của servo thông qua 2 ngõ nhận xung Khi ngõ A nhận xung thì động cơ quay theo chiều kim đồng hồ, ngõ
B nhận xung thì ngược lại.
- Việc ngõ nào quay theo chiều nào có thể cài đặt trực tiếp trong parameter hoặc truyền lệnh từ bộ điều khiển xuống driver servo.
- Hướng quay điều khiển bợi độ lếch pha giữa 2 ngõ phát xung.
- Quay thuận khi pha B trễ pha hơn so với pha A 90 độ.
- Quay nghịch khi pha A trễ pha hơn so với pha B 90 độ.
Bảng 2.6 trình bày nguyên lý phát xung điều khiển động cơ Servo, trong đó tín hiệu logic đầu ra có thể được lựa chọn giữa hai chế độ: Positive logic, nhận lệnh mức High, hoặc Negative logic, nhận lệnh mức Low.
Thiết lập hướng quay cho động cơ servo là bước quan trọng, vì động cơ này không có mặc định về chiều quay Hướng quay có thể được chỉ định theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ Để đảm bảo hoạt động chính xác, cần cài đặt động cơ quay theo chiều mà giá trị vị trí báo về là dương, tức là quay thuận, và ngược lại, giá trị âm sẽ chỉ ra quay nghịch.
Hình 2.8: Minh họa chiều quay của động cơ
Để đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và tránh hỏng hóc do sai sót trong điều khiển, việc cài đặt hành trình di chuyển tối đa là rất quan trọng Có hai phương pháp để thực hiện điều này: đầu tiên, bạn có thể cài đặt thông qua phần mềm bằng cách điều chỉnh các thông số giới hạn trên driver servo; thứ hai, bạn có thể sử dụng công tắc hành trình hoặc cảm biến để giới hạn chuyển động của động cơ.
Hình 2.9: Giới hạn hành trình cho cơ cấu
Trước khi vận hành hệ thống Zero Point Return, việc xác định vị trí về Home là rất quan trọng Thông thường, giá trị của điểm về Home được thiết lập là 0.
Hình 2.10: Về Home cho hệ thống
HỆ THỐNG CƠ KHÍ ẢO
Hệ thống cơ khí ảo cho phép điều khiển động bộ trong các hệ thống servo, thay thế cho các thiết bị cơ khí thực như trục cam, bánh răng, ly hợp và bánh răng vi sai Điều này có nghĩa là người dùng có thể điều khiển một hoặc nhiều động cơ và cơ cấu theo một động cơ hoặc cơ cấu khác, dựa trên các quy định và tỷ số được cài đặt sẵn để phù hợp với các ứng dụng cụ thể.
2.8.2 Module truyền động – trục đầu vào
Trục đầu vào sẽ gồm có 3 loại đầu vào chính: trục Servo thực (Servo input axis), trục Servo phụ (Command genration axis) và Encoder đồng bộ (Synchronous encoder axis).
Trục Servo thực (Servo input axis) là một thành phần quan trọng trong hệ thống tự động hóa, sử dụng động cơ servo như băng tải, vít me, hoặc bàn xoay để điều khiển chuyển động của các chi tiết khác Các cơ cấu phụ trong hệ thống sẽ thực hiện chuyển động dựa trên tín hiệu từ trục servo, được cài đặt theo các thông số cụ thể để đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả.
Hình 2.12: Kí hiệu của trục Servo thực
Trục Servo phụ (Command generation axis) là một trục servo ảo, không có sự hiện diện bên ngoài trong hệ thống thực, mà chỉ được hiển thị và điều khiển thông qua phần mềm và bộ xử lý Nó có chức năng quay trục chính trong chế độ đồng bộ, đồng thời điều khiển các động cơ và cấu trúc khác dựa trên động cơ servo ảo này.
Hình 2.13: Kí hiệu của trục Servo phụ
Encoder đồng bộ là thiết bị quan trọng trong hệ thống cơ khí, có thể là encoder tuyệt đối hoặc tương đối, được lắp đặt trong các cơ cấu xoay như đầu trục động cơ điều khiển bởi biến tần Nó đóng vai trò then chốt trong việc điều khiển bàn xoay, giúp xác định vị trí chính xác cho các chi tiết và cơ cấu khác trong hệ thống cơ khí ảo.
Hình 2.14: Kí hiệu của trục Servo thực
Hình dáng bên ngoài Tên Chức năng
Gear Được sử dụng để thay đổi tỷ lệ vòng quay hoặc hướng quay cho giá trị quãng đường (xung) được nhập từ module ổ đĩa
Cutch Được sử dụng để truyền vòng quay module ổ đĩa đến module đầu ra trong lúc vận hành
Differential gear Được sử dụng để dịch chuyển pha module đầu ra để điều chỉnh vị trí bắt đầu vận hành
Speed change gear Được sử dụng để thay đổi tốc độ của module ngõ ra
Bảng 2.7: Các module dẫn động cơ bản
Bánh răng là một thành phần quan trọng trong hệ thống truyền động, giúp chuyển đổi số xung từ trục đầu vào sang trục đầu ra Tỷ lệ bánh răng được xác định bằng cách chia số bánh răng ở trục đầu vào cho số bánh răng ở trục đầu ra, từ đó tính toán được số xung đầu ra đạt được.
Ly hợp (clutch) là thiết bị truyền tải xung lệnh từ trục đầu vào đến mô đun đầu ra, giúp điều khiển khởi động và dừng vận hành của động cơ servo Có hai loại ly hợp chính: ly hợp cứng và ly hợp mềm, được sử dụng tùy thuộc vào mục đích tăng tốc hoặc giảm tốc trong quá trình vận hành.
Hình 2.15: Ly hợp và cách thức hoạt động
Bánh răng đổi tốc độ (speed change gear) được thiết kế để điều chỉnh tốc độ vòng quay và quãng đường cho mô đun đầu ra trong quá trình hoạt động Tỉ số bánh răng của loại bánh răng này là cố định, nhưng người sử dụng có thể linh hoạt thay đổi giá trị chuyển đổi bằng cách tác động vào vùng nhớ đã được cài đặt sẵn Tỷ lệ được tính toán tương tự như các bánh răng khác đã đề cập.
Bánh răng vi sai là bộ phận quan trọng trong hệ thống truyền động, giúp trừ giá trị quãng đường từ trục đầu vào phụ ra khỏi quãng đường của trục chính để truyền động đến trục đầu ra Khi trục chính không hoạt động, trục phụ liên kết với bánh răng vi sai vẫn có thể dẫn động trục đầu ra nhưng theo chiều ngược lại Giá trị quãng đường của trục đầu ra được xác định bằng quãng đường của trục đầu vào chính trừ đi quãng đường của trục phụ kết nối với bánh răng vi sai.
2.8.4 Module đầu ra – đĩa CAM Đĩa cam được sử dụng để di chuyện một máy đã kết nối đến động cơ servo theo mẫu đĩa cam đã xác định Đĩa cam tạo nên một vòng quay với số xung trên mỗi vòng quay trục đĩa cam
Hình 2.16: Kí hiệu Module đầu ra – đĩa cam Đĩa cam thường được chia làm 3 loại :
Hoạt động hai chiều: Các chuyển động được lặp lại trong một vòng cam giống như cam cơ khí thực tế Vị trí kết thúc cần trở về điểm xuất phát ban đầu để đảm bảo quá trình lặp lại diễn ra chính xác.
Trong quá trình vận hành của cơ cấu, giá trị hoặc chuyển động được cập nhật sau mỗi chu kỳ quay của cam Vị trí kết thúc của chu kỳ này sẽ trở thành vị trí khởi đầu cho chu kỳ tiếp theo.
Đĩa cam thẳng, hay còn gọi là linear cam, là một loại đĩa cam đặc biệt chỉ có trong hệ thống cơ khí ảo Hoạt động của đĩa cam này tương tự như quá trình feed operation, tuy nhiên, dữ liệu cam được thể hiện dưới dạng một đường chéo, với điểm cuối tương ứng với quãng đường dịch chuyển của cơ cấu trong một chu kỳ cam.
NGÔN NGỮ LẬP TRÌNH MOTION SFC
2.9.1 Sơ lược về việc sử dụng ngôn ngữ SFC
Chương trình điều khiển trong hệ thống cơ khí được chia thành hai cấu trúc chính: chương trình tuần tự (CPU PLC) và chương trình chuyển động SFC (CPU chuyển động) Các chương trình chuyển động SFC được thiết kế dưới dạng sơ đồ, cho phép điều khiển các động cơ servo thông qua các chương trình servo chế độ thực, xác định các bước điều khiển chuyển động Đối với các động cơ servo ảo, việc điều khiển được thực hiện bằng các chương trình servo chế độ ảo, giúp đồng bộ hóa các bước điều khiển chuyển động Để đạt được điều khiển đồng bộ nâng cao, các tham số điều khiển đồng bộ được thiết lập cho mỗi trục đầu ra và thực hiện đồng bộ với trục đầu vào, bao gồm trục servo, trục phát sinh lệnh và trục bộ mã hóa đồng bộ.
Hình 2.17: Cấu trúc chương trình ở CPU PLC
Hệ thống điều khiển động cơ servo trực tiếp sử dụng chương trình servo trong chế độ thực (SV13/SV22) yêu cầu thiết lập các tham số định vị Việc tạo ra các chương trình servo và chương trình SFC chuyển động là cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Hình 2.18: Mô phỏng của cấu trúc của một chương trình đồng bộ
2.9.2 Cơ cấu chương trình SFC chuyển động
Một chương trình motion SFC bao gồm sự kết hợp giữa các quá trình khởi động, chuyển tiếp, các bước điều khiển và một số bước khác, như được minh họa trong hình dưới đây.
Hình 2.19: Cơ cấu của chương trình SFC chuyển động
Chương trình Motion SFC trên khi được chạy thực hiện các quá trình sau:
Bước (F0) được kích hoạt và quy trình liên quan được thực hiện, đánh dấu vị trí sẵn sàng Bước này, với trạng thái hoạt động chủ động, được gọi là bước chủ động.
Điều kiện chuyển tiếp (G0) được kiểm tra liên tục để xác định xem có kích hoạt điều kiện cho chương trình điều chỉnh vị trí hay không Khi điều kiện này được đáp ứng, bước chủ động (F0) sẽ bị ngưng và bước kế tiếp (K0) sẽ được kích hoạt, khởi động chương trình servo (K0).
Quy trình kiểm tra bước (K0) liên quan đến việc chương trình servo hoàn thành điều chỉnh tọa độ Bước này sẽ được chuyển tiếp sang bước tiếp theo khi các yêu cầu và điều kiện đã được thỏa mãn.
(4) Khi các quá trình (1) tới (3) như trên được thực hiện hoàn tất, chương trình đã được thực hện xong và dừng tại bước END.
2.9.3 Bảng biểu tượng trong biểu đồ Motion SFC
Chương trình Motion SFC bao gồm các thành phần quan trọng, trong đó việc điều khiển trình tự quy trình hoặc chuyển tiếp được thực hiện thông qua việc nối các phần với nhau bằng các đường nối.
2.9.4 Cách điều khiển chuyển động
(1) Bật cờ cho phép trục được chỉ định chạy trên chương trình servo Kn được gọi hoạt động.
(2) Khởi chạy chương trình servo Kn được gọi.
(1) Khi chương trình servo được gọi không tồn tại, xuất hiện lỗi Motion SFC
[16200], chương trình Motion SFC sẽ ngừng chạy tại điểm phát hiện lỗi.
Khi thay đổi giá trị hiện tại trong chương trình Motion SFC, hãy sử dụng lệnh CHGA trong chương trình servo và gọi bước tại bước điều khiển chuyển động.
Nếu chương trình servo dừng do lỗi trong quá trình khởi động, chương trình motion SFC vẫn sẽ tiếp tục được thực thi Khi chương trình motion SFC bị dừng vì phát hiện lỗi, cần thêm điều kiện tìm lỗi ở bước chuyển tiếp.
2.9.5 Cách điều khiển quy trình
(1) Bước điều khiển quy trình một lần Fn: Đối với bước Fn, hệ thống thực thi bước điều khiển quy trình một lần.
Bước điều khiển quy trình FSn yêu cầu hệ thống thực hiện nhiều lần cho đến khi kích hoạt chuyển tiếp điều khiển.
(1) Khi bước điều khiển quy trình Fn/FSn không tồn, xuất hiện lỗi MotionSFC
Chương trình Motion SFC vẫn sẽ tiếp tục chạy Tắt tín hiệu M2000 để dừng.
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
GIỚI THIỆU
Mô hình động bộ của nhóm thi công là một mô hình thực nghiệm, do đó cần được thiết kế và thi công với các yêu cầu đảm bảo tính chính xác và hiệu quả.
Có khả năng đồng bộ 2 trục động cơ, dễ dàng điều khiển, ổn định ở bất kì tốc độ nào.
Đạt sự đồng bộ ở tốc độ cao.
Kết cấu chắc chắn, có khả năng tháo lắp, an toàn với người vận hành.
Phù hợp với nhu cầu giảng dạy.
Mô hình đồng bộ Servo bao gồm hai thành phần chính: cơ khí và điện Để đảm bảo mô hình gọn nhẹ và thẩm mỹ, cần tính toán giới hạn khối lượng và kích thước Để hoàn thành đúng tiến độ, chúng tôi chia quá trình thi công thành hai giai đoạn: phần cơ khí và phần điện.
PHẦN CƠ KHÍ
Mô hình đồng tốc Servo điều khiển 4 trục chuyển động, bao gồm 2 trục quay bánh răng và 1 trục Linear, với mục đích kéo trục quay Y di chuyển theo phương ngang Do đó, yêu cầu về cơ khí sẽ bao gồm các bộ phận cần thiết để đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Phần hai trục quay bánh răng bao gồm hai trục gắn bánh răng, hoạt động với tốc độ cao và được kéo tịnh tiến với tốc độ thay đổi liên tục Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần hai động cơ Servo và đế chắc chắn để nâng động cơ trong quá trình di chuyển Khớp nối giữa bánh răng và động cơ cần có độ cứng và chính xác cao để tránh lệch tâm, đồng thời nên được làm từ vật liệu nhẹ như nhôm nhằm giảm trọng lượng và lực quay của động cơ Hai bánh răng trên hai trục động cơ cần có kích thước và vật liệu giống nhau để ăn khớp mà không bị gãy Vật liệu lý tưởng cho bánh răng là nhựa in 3D, giúp dễ dàng thi công Đặc biệt, khi gắn bánh răng vào khớp nối và trục động cơ, cần đảm bảo đồng tâm chính xác để duy trì sự ổn định khi động cơ quay với tốc độ cao, tránh tình trạng gãy vỡ.
Để đảm bảo mô hình hoạt động ổn định khi động cơ quay với tốc độ cao và giảm tốc đột ngột, bộ phận truyền động sẽ được kết nối một cách hợp lý Có hai giải pháp khả thi cho vấn đề này: sử dụng bộ bàn trượt vuông có sẵn hoặc thiết kế bộ thanh trượt tròn kết hợp dây đai truyền động Cả hai phương pháp này đều phổ biến trong các máy CNC hiện có trên thị trường và có thể áp dụng cho mô hình Quan trọng là thiết kế bộ phận truyền động sao cho cân bằng giữa moment và tốc độ của hai động cơ, nhằm tránh tình trạng quá tải.
Cơ cấu nâng đỡ phải thật chắc chắn và chịu được sức nặng của 2 Servo quay bánh răng trong quá trình di chuyển
Khung mô hình đóng vai trò quan trọng trong việc nâng đỡ mô hình, bao gồm các phần chính như bệ đỡ mô hình, khung gắn các trạm điều khiển và các trạm điều khiển.
Bệ đỡ mô hình cần được làm từ vật liệu chắc chắn như gỗ, với kích thước phù hợp để đảm bảo khả năng chịu lực tốt Để bảo vệ người xung quanh trong trường hợp bánh răng bị gãy hoặc vỡ, cần lắp đặt khung bảo vệ bằng Mica bên ngoài bệ đỡ.
Phần khung gắn trạm điều khiển cần sự chắc chắn, gọn và có thể lắp ráp để gắn các trạm điều khiển.
Trạm điều khiển bao gồm các module như servo driver, CPU, nguồn, HMI Domino và giắc cắm, do đó cần gắn các module này cố định lên bảng nhựa để thuận tiện cho việc thao tác trong quá trình vận hành.
3.2.4 Phần bánh răng đồ bộ
Sau nhiều lần thử nghiệm và lựa chọn vật liệu cho cánh quạt, nhóm đã quyết định sử dụng nhựa in 3D Lý do chính cho sự lựa chọn này bao gồm tính linh hoạt trong thiết kế, khả năng sản xuất nhanh chóng và độ bền cao của nhựa in 3D.
Dễ tạo hình chi tiết với máy in 3D có sẵn trên thị trường.
Đảm bảo tính thẩm mỹ vì có thể lựa chọn màu sắc của bánh răng
Bánh răng được sản xuất từ nhựa in 3D có độ cứng cao, khác với mica dễ gãy khi va chạm Sau khi in, bánh răng này nhẹ hơn nhiều so với bánh răng làm từ nhôm, giúp giảm tải cho trục động cơ và duy trì sự đồng bộ trong hoạt động.
Phù hợp với kinh tế.
Hình 3.1: Kích thước cánh quạt thiết kế
Hình 3.2: Mô phỏng đồng bộ cơ khí bằng phần mềm Solid Works
Sơ đồ cơ khí sẽ được tóm gọn bởi sơ đồ khối dưới đây và sẽ bao gồm những bộ phận chính cần thiết kế.
2 trục bánh răng đồng bộ Trục truyền động với động cơ Linear
2 Bánh răng đồng bộ Bệ Đỡ Khung gắn trạm điều khiển Trạm điều khiển Động cơ Linear Trục Linear
Hình 3.3: Sơ đồ khối của hệ thống
Hình 3.4: Một vài bản vẽ mô tả vị trí các ngõ ra vào của Driver Motion
Hình 3.5: Phần đế mô hình chứa động cơ Linear và 2 trục Servo đồng bộ
Hình 3.6: Bảng bố trí các thiết bị quan trọng gắn trên giá đỡ mô hình
PHẦN ĐIỆN
3.3.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.7: Cấu trúc sơ đồ khối toàn hệ thống
Chức năng từng khối trong hệ thống như sau:
Nguồn 220VAC cung cấp điện cho toàn bộ Driver động cơ và PLC, trong khi nguồn 24VDC đảm nhận vai trò cung cấp tín hiệu điều khiển cho mạch điều khiển và nuôi HMI GOT 1000.
Khối cảm biến: hệ thống sử dụng 3 cảm biến tiệm cận nhằm báo vị trí giới hạn trên, giới hạn dưới và về Home của động cơ Linear
Cảm biến sẽ là cảm biến tiệm cận Omron EE-SX 772 với điện áp cung cấp là 5VDC đến 24VDC với loại ngõ ra là NPN.
Cảm biến sẽ được nối với ngõ vào Input của module Motion
Khối xử lý trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp tín hiệu điều khiển cho các khối khác, đồng thời thực hiện các thuật toán liên quan đến chạy đồng bộ và giao tiếp với thiết bị ngoại vi như cảm biến, nút nhận đèn, HMI, và xuất xung điều khiển động cơ Khối này bao gồm hai CPU, Q173DSCPU và Q04UDH, được kết nối với nhau qua bộ nhớ trung gian.
Q04UDH có chức năng là PLC chính giúp cho việc điều khiển các thiết bị ngoại vi gắn vào hệ thống như nút nhấn, HMI
Q173DSCPU là một PLC Motion với khả năng xuất xung điều khiển và đồng bộ hóa hoạt động của hai động cơ Việc lập trình thiết bị này được thực hiện bằng ngôn ngữ SFC, giúp quá trình lập trình Motion trở nên đơn giản và hiệu quả hơn.
Khối HMI giao tiếp đóng vai trò quan trọng trong việc cải thiện khả năng tương tác giữa người vận hành và hệ thống Màn hình HMI hiển thị các thông số thiết yếu như vị trí hiện tại của thiết bị tuyến tính và tốc độ đồng bộ, giúp người vận hành dễ dàng theo dõi và điều chỉnh quá trình hoạt động.
Khối Driver động cơ Linear có nhiệm vụ dẫn động hai trục đồng bộ lại gần nhau, giúp người vận hành nhận biết sự đồng bộ trong quá trình hoạt động Khối này nhận tín hiệu xung từ module QD72D2N để thực hiện chức năng của mình.
Khối đồng bộ động cơ Servo là phần quan trọng nhất của hệ thống, bao gồm hai động cơ hoạt động đồng tốc và sử dụng chung một Driver MR-J4 Driver này nhận tín hiệu giao tiếp qua mạng SSCNET, với tổng công suất lên tới 200W cho cả Driver và hai động cơ Servo.
3.3.2 Linh kiện sử dụng trong hệ thống
Trạm CPU bao gồm các thành phần thiết yếu như Base CPU, Module cấp nguồn, PLC chính, motion PLC, motion Module và I/O Module Dưới đây là bảng liệt kê các thiết bị cần thiết để cấu thành nên hệ thống trạm CPU.
Module Base PLC chính Motion
Tên thiết bị Q38DB Q04UDH Q173DS QD75D2N QX42 QY41P
Bảng 3.1: Tên của các thành phần trong trạm CPU
Hình 3.8 : Cách bố trí các thiết bị trên Base Q38DB Đặc điểm Hình ảnh
Phạm vi sử dụng: Q series
Số khe cắm: 8 I/O slots và 1 power supply slot
Bảng 3.2: Thông tin Base Q38DB Đặc điểm Hình ảnh
Nguồn điện vào: 200 đến 240VAC (170 đến
Tần số đầu vào: 50/60Hz ±5%
Giới hạn dòng lớn nhất: 105VA
Dòng ra định mức: 6A/5VDC, 6A/24VDC
Kích thước: 98 x 55.2 x 90mm, khối lượng: 0.31 Kg
Bảo vệ quá áp, dòng: tối đa 6.6A, 6V
Bảng 3.3: Thông tin Module nguồn Q61P
Q04UDHCPU là dòng CPU hiệu năng cao của hãng Misubishi có thể thực hiện các tác vụ phức tạp một cách nhanh chóng.
Hình 3.9 : Hình ảnh thực tế của Q04UDHCPU
Q04UDHCPU là một dòng sản phẩm hiệu năng cao, phù hợp cho các ứng dụng yêu cầu chuyển động đồng bộ với tốc độ xử lý và độ phản hồi nhanh Tốc độ xử lý chương trình viết bằng ngôn ngữ Ladder đạt 9.5ns, trong khi với ngôn ngữ MOV là 19ns Dưới đây là bảng trình bày chi tiết các thông số kỹ thuật của Q04UDHCPU.
Số I/O có thể sử dụng 8192 Ngôn ngữ SFC Hổ trợ
Số I/O thiết bị với mã
X/Y000 to 1FFF Tốc độ thực hiện chương trình (ngôn ngữ Ladder)
Số I/O có thể truy cập thực tế
4096 Tốc độ thực hiện chương trình (ngôn ngữ MOV)
Bộ nhớ chương trình 40K step Bộ nhớ RAM 256kByte
Bộ nhớ ROM 512kByte Vùng nhớ có thể
Share cho hệ Multi- CPU
Thẻ nhớ 2MB Điện áp tiêu thụ 5VDC
Bảng 3.4: Thông số cơ bản của Q04UDHCPU
Mô-đun CPU Motion Q173DSCPU có khả năng tải xuống thông số servo đến bộ khuếch đại servo, điều khiển bật/tắt bộ khuếch đại và thực hiện các lệnh vị trí, trục/cam ảo thông qua kết nối với bộ khuếch đại servo qua cáp SSCNET.
Hình 3.10: Mặt sau và mặt trước của Q173DSCPU
1) LED 7 thanh Cho biết tình trạng hoạt động và thông tin lỗi.
2) Chức năng quay chọn 1 chuyển mạch (SW1)
Thiết lập chế độ hoạt động (Chế độ thường,Chế độ cài đặt, Chế độ chạy bởi ROM, vv)
3) Chức năng quaychọn 2 chuyển mạch (SW2)
Mỗi cài đặt chuyển mạch từ 0 đến F.
(Lưu ý): Cài đặt chuyển mạch theo mặc định tại nhà máy
• Q173DSCPU/Q172DSCPU : Vị trí SW1 "0", SW2 "0"
• Q173DCPU(-S1)/Q172DCPU(-S1): Vị trí SW1 "A", SW2 "0"
4) Công tắc RUN/STOP Chuyển sang RUN/STOP.
RUN : Chương trình SFC Motion (SV13/SV22)/Chương trình Motion (SV43) khởi động.
STOP : Chương trình SFC Motion (SV13/SV22)/Chương trình Motion (SV43) dừng.
5) Đầu nối đầu vào cưỡng bức dừng (EMI) Đầu vào để dừng tất cả các trục của bộ khuếch đại servo trong một khối.
EMI ON (Mở) : Cưỡng bức dừng
EMI OFF (đầu vào 24VDC) : Cưỡng bức nhả
6) Đầu nối SSCNETIII CN1 Đầu nối kết nối bộ khuếch đại servo cho đường 1 (lên tới 16 trục).
7) Đầu nối SSCNETIII CN2 Đầu nối kết nối bộ khuếch đại servo cho đường 2 (lên tới 16 trục).
8) Hiển thị số sêri Hiển thị số sêri được mô tả trên tấm thông tin sảm phẩm
9) Cần gắn mô-đun Được sử dụng để cài đặt mô-đun đến bộ phận cơ sở
10) Móc cố định mô-đun Móc được sử dụng để cố định mô-đun vào bộ phận cơ sở (Sử dụng phụ trợ cho cài đặt)
11) Vít cố định mô-đun Vít được sử dụng để cố định vào bộ phận cơ sở (M3×13)
12) Phần nhô ra cố định của mô-đun
Móc được sử dụng để cố định vào bộ phận cơ sở
13) Đầu nối pin (BAT) Đầu nối kết nối hộp gắn pin
14) Đầu nối I/F NGOẠI VI Dành cho I/F giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.
Duy trì nháy : Giao tiếp với các thiết bị ngoại vi
ON : Không giao tiếp với các thiết bị ngoại vi
• LED trên Tốc độ truyền dữ liệu
Mục Chi tiết kỹ thuật Truyề n dẫn
Tốc độ truyền dữ liệu
Song công/Bán song công
16) Đầu nối I/F bên trong Đầu nối kết nối bộ phát xung bằng tay/đồng bộ lũy tiến, đầu vào tín hiệu vào/Bộ phát hiện dấu tín hiệu vào.
(Kiểu đầu ra điện áp/ cực collector hở,Kiểu đầu ra vi sai)
17) Đầu nối pin Đầu nối kết nối pin (Q6BAT).
18) Hộp gắn pin Hộp hỗ trợ pin (Q6BAT)
19) Nắp pin Nắp cho pin (Q6BAT)
20) Pin Pin dự phòng cho các chương trình, các thông số, các thiết bị chuyển động ,các thiết bị dữ liệu khóa và dữ liệu vị trí tuyệt đối.
Bảng 3.5: Các thành phần của Q173DSCPU
Số trục điều khiển: tối đa 32 trục (16 trục/nhánh)
Thiết bị ngõ vào/ra (sử dụng được trên chương trình): 8192 giá trị
Số lượng nhánh servo là 2, với ngõ vào/ra có thể truy cập trên mô-đun ngõ vào/ra lên đến 256 giá trị Cổng kết nối ngoại vi hỗ trợ USB và SSCNET, trong khi dung lượng chương trình tối đa đạt 14k bước.
Phần mềm SV13 0.22ms( 1 đến 4 trục)
0.88ms (11 đến 16 trục) Phần mềm SV22 0.44ms (1 đến 6 trục)
Bảng 3.6: Thông số kĩ thuật Q173DSCPU
Module QD75D2N là thiết bị cần thiết để xuất xung điều khiển cho động cơ Linear trong hệ thống Nó có khả năng giao tiếp với Driver TM và LM50, giúp tạo ra xung ở tốc độ cao cho khối Linear, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Hình 3.11: Mặt sau và mặt trước của QD75D2N
Số trục điều khiển tối đa 2 trục
Chức năng nội suy Nội suy tịnh tiến 2 trục
Nội suy cung tròn 2 trục là phương pháp điều khiển bao gồm các chế độ như điểm tới điểm, điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ và điều khiển vị trí-tốc độ Đơn vị điều khiển có thể được sử dụng là mm, inch, độ hoặc pulse.
Số Data vị trí tối đa 600
Thời gian khởi động - 1 trục tịnh tiến
1.5 ms1.5 ms1.5 ms2.0 ms2.0 ms
Bảng 3.7: Các thông số điều khiển của QD75D2N
Module Q75D2N sẽ được lắp đặt trên Base cùng với CPU chính, giao tiếp qua các bộ nhớ trung gian như bộ nhớ đệm và tín hiệu Input/Output tương ứng với vị trí lắp của Module Số lượng vùng nhớ mà Module Q75D2N chiếm dụng thường phụ thuộc vào số trục tối đa mà nó hỗ trợ.
Hình 3.12: Nguyên lý điều khiển hoạt động của Module QD75D2N
Hình 3.13: Sơ đồ ngõ giao điến của Module Q75D2N
Module QX42 có chức năng sẽ là module ngõ vào tín hiệu cho trạm PLC module QX42 nỗi bật với số lượng đầu vào lớn.
Hình 3.14: Mặt trước và mặt sau của module QX42
Hình 3.15: Mặt trước và các thông số cơ bản của QX42
Điện áp đầu vào định mức: 24V DC
Dòng điện đầu vào định mức: 4 mA
Dong điện tiêu thụ: 90 mA (cho tất cả chân ON)
Phương pháp cách ly: cách ly quang
Hình 3.16: Sơ đồ chân của Module Input QX42
Module Output QY41-P Đóng vai trò là ngõ ra cho trạm CPU Module QY41 có ngõ ra dạng Transistor (Sink type) với mức điện áp 12/24VDC và dòng là 0.1A.
Hình 3.17: Mặt trước và mặt sau của Module QY41P giống với QX41
Hình 3.18: Mặt trước và các thông số cơ bản của QY41-P
Hình 3.19: Ví dụ về cách kết nối ngõ ra của Module QY41P
Hình 3.20: Sơ đồ chân của Module
GOT là dòng sản phẩm màn hình cảm ứng HMI được thiết kế dựa trên nhu cầu của người sử dụng, tích hợp các công tắc và đèn vào bảng điều khiển Với phần mềm thiết kế màn hình, người dùng có thể tạo, hiển thị và thao tác trên màn hình giám sát của GOT Hệ thống HMI này hoạt động với điện áp 24VDC và có độ phân giải 640x480.
Màn hình hiển thị GOT được tạo ra trên máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỀU KHIỂN
3.3.2 Mạch kết nối động cơ Servo
Hình 3.26: Mạch kết nối với động cơ Servo
Hình 3.27: Mạch cung cấp điện áp cho chân EM và màn hình HMI
Hình 3.29: Mạch điều khiển giữa Module QD75D2N Driver và Encoder Linear
Hình 3.30: Mạch điều khiển ngõ vào QX42
Hình 3.31: Mạch điều khiển ngõ ra QY42P
Hình 3.32: Sơ đồ cấu hình động cơ Servo qua mạng SSCNET III/H
THI CÔNG MÔ HÌNH
Sau khi hoàn thành việc phác thảo mô hình và tính toán thiết kế các linh kiện, nhóm sẽ tiến hành thi công mô hình thực tế Đồng thời, nhóm cũng sẽ lắp ráp các linh kiện và bảng điều khiển, kết nối các thiết bị với nhau để đảm bảo hoạt động hiệu quả.
Bước 1: In 3D 2 bánh răng đã thiết kế và gắn 2 bánh răng lên trục động cơ Servo
Hình 3.33: 2 bánh răng in 3D Bước 2: Cố định bánh răng trục 1 và tiến hành gắn bánh răng trục 2 lên trục động cơ Linear.
Bước 3 : Tiến hành gắn các Module, CPU, Driver lên khu vực giá đỡ phía sau mô hình.
Hình 3.35: Gắn các module lên trục giá đỡ mô hình
Bước 4 : Ghép các bộ phận còn lại của hệ thống sau đó tiến hành đi phần điện cho mô hình.
Bước 1: Đi dây ngõ vào ngõ ra cho PLC Q04UDH, ngõ ra xung điều khiển động cơ Linear cho Module QD75D2N.
Hình 3.36: Đi dây I/O cho CPU Q04UDH và QD75D2N
Bước 2: Đi dây phần động lực theo sơ đồ bản vẽ đã thiết kế.
Hình 3.37: Đi dây phần động lực cho mô hình
Bước 3: Hoàn thành đi dây các thiết bị ngoại vi còn lại Tiến hành đo đạc và kiểm tra nguội bằng VOM trước khi đóng điện.
Hình 3.38: Hoàn thành phần điện
