báo cáo Đồ án minicim

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM TRƯỜNG ĐHBK HÀ NỘI Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên: Nguyễn Trường Phi Phạm Ngọc Hiếu

Kiều Quý Cảnh Trần Ngọc hùngNguyễn Anh Dũng Trần Hoàng MạnhNguyễn Duy Hiệp Võ Hoài Nam

Hoàng Anh Thông

Khóa : 47 Khoa : Cơ khí Ngành : Cơ điện tử

I. ĐỀ TÀI : Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo hệ thống MiniCIM

II. NỘI DUNG

Chương I. Tổng quan về hệ thống CIM.Chương II. Cấu trúc hệ thống CIM.Chương III. Thiết kế máy CNC.Chương IV. Thiết kế robot.Chương V. Thiết kế hệ thống băng tải.Chương VI. Xây dựng hệ điều khiển cho hệ thống CIM.Phụ lục bản vẽ.Phụ lục chương trình điêu khiển

III. Tập thể cán bộ hướng dẫn: GS.TS. Trần Văn ĐịchTS. Nguyễn Huy Ninh

IV. Ngày giao nhiệm vụ thiết kế đồ án .………………………………………V. Ngày hoàn thành đồ án ……………………………………………………

Ngày …….tháng……năm 2006

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Đồ án tốt nghiệp Cơ điện tử 3 - K47

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠOTRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

BẢN NHẬN XÉT TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên:

Nguyễn Trường Phi Phạm Ngọc Hiếu

Kiều Quý Cảnh Trần Ngọc Hùng

Nguyễn Anh Dũng Trần Hoàng Mạnh

Nguyễn Duy Hiệp Võ Hoài Nam

Hoàng Anh Thông

Khóa : 47 Khoa : Cơ khí Ngành : Cơ điện tử

Tập thể cán bộ hướng dẫn:

GS.TS. Trần Văn Địch

TS. Nguyễn Huy Ninh

1. Nội dung thiết kế đồ án tốt nghiệp.

NGHIÊN CỨU - THIẾT KẾ - CHẾ TẠO HỆ THỐNG MINICIM

Chương I. Tổng quan về hệ thống CIM.

Chương II. Cấu trúc hệ thống CIM.

Chương III. Thiết kế máy CNC.

Chương IV. Thiết kế robot.

Chương V. Thiết kế hệ thống băng tải.

Chương VI. Xây dựng hệ điều khiển cho hệ thống CIM.

Phụ lục các bản vẽ.

Phụ lục chương trình điều khiển.

2


2. Nhận xét.

a) Nhận xét của cán bộ hướng dẫn:

.......................................................................................................... .........

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

3


b) Nhận xét của cán bộ duyệt.

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

........................................................................................................................ ......

4


LỜI NÓI ĐẦU

Hệ thống sản xuất tích hợp CIM (Computer Intergrade Manufacturing) là hệ thống sản xuất tiên tiến nhất hiện nay và đang ngày càng được ứng dụng rộng rãi trên thế giới.

Khái niệm về CIM tiến sĩ Joseph Harrington đưa ra vào những năm 1973. Mặc dù khái niệm của ông về CIM chưa được hoàn chỉnh, ngày nay danh từ CIM đã trở nên rất quen thuộc trong cách nói về sản xuất. CIM đã trở thành chiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua các máy tính hoặc các bộ vi xử lý tự động.

So với các hệ thống sản xuất truyền thống, CIM có nhiều ưu điểm vượt trội hơn hẳn. Hệ thống CIM không những làm tăng năng suất và chất lượng sản phẩm, hạ giá thành của sản phẩm mà còn có khả năng linh hoạt cao, đáp ứng được những thay đổi nhanh chóng của thị trường.

Trong nội dung đồ án tốt nghiệp của sinh viên ngành cơ điện tử, với sự hướng dẫn tận tình của các thầy hướng dẫn GS.TS. Trần Văn Địch, TS. Nguyễn Huy Ninh bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, trường Đại học Bách khoa Hà Nội. Chúng em đã chọn đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống MiniCIM” phù hợp với khả năng cũng như thời gian thực hiện.

Để thực hiện đề tài, trước hết chúng em đã nghiên cứu, khảo sát về các hệ thống CIM đã và dang được ứng dụng, sau đó lựa chọn hệ thống phù hợp để thiết kế và chế tạo. Quá trình thiết kế, chế tạo cơ khí và quá trình thiết kế hệ thống điều khiển được tiến hành đồng thời. Đồ án được chia làm 6 chương, mỗi chương được tách ra các phần nhỏ hơn, đồng thời có kèm theo phụ lục về các bản vẽ và phụ lục về chương trình điều khiển.

Chương I. Tổng quan về hệ thống CIM.Chương II. Cấu trúc hệ thống CIM.Chương III. Thiết kế máy CNC.Chương IV. Thiết kế robot.Chương V. Thiết kế hệ thống băng tải.Chương VI. Xây dựng hệ điều khiển cho hệ thống CIM.Phụ lục bản vẽ.Phụ lục chương trình điêu khiển

Sau thời gian thực hiện, đề tài đã hoàn thành kết quả bước đầu đã đạt được những thành công nhất định.

5


Chúng em xin chân thành cảm ơn các thầy cô trong bộ môn Công nghệ Chế tạo máy đã giúp đỡ chúng em trong quá trình thực hiện đề tài. Đặc biệt là các thầy GS.TS. Trần Văn Địch, TS. Nguyễn Huy Ninh đã tâm huyết hướng dẫn chúng em. Chúng em xin chân thành cảm ơn sự giúp đỡ của các cán bộ phòng thí nghiệm FMS & CIM, xưởng cơ khí bộ môn Công nghệ Chế tạo máy, khoa Cơ khí, trường Đại học Bách khoa Hà Nội đã giúp đỡ chúng em hoàn thành đề tài.

Nhóm SV thực hiện đồ án

Nguyễn Trường Phi

Kiều Quý Cảnh

Nguyễn Anh Dũng

Phạm Ngọc Hiếu

Nguyễn Duy Hiệp

Trần Ngọc Hùng

Trần Hoàng Mạnh

Võ Hoài Nam

Hoàng Anh Thông

6


MỤC LỤC

CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CIM..............................................14I. Các khái niệm cơ bản về CIM........................................................... .............141.1. Định nghĩa CIM..................................................................................... ....141.2. Các thành phần cơ bản của CIM....................................................... ..........14II. Sự phát triển của CIM........................................................................ ..........192.1. Sự phát triển của CIM trên thế giới.............................. .............................19

2.1.1. Lịch sử phát triển của CIM................................................ ..................192.1.2. Hướng phát triển của CIM..................................................... ..............20

2.2. Sự phát triển của các hệ thống CIM ở Việt Nam........................................25III. Ứng dụng và hiệu quả của CIM ......................................................... .........253.1. Ứng dụng của CIM....................................................................... ..............253.2. Hiệu quả của CIM....................................................... ...............................26

CHƯƠNG II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CIM................................................ .......27I. Máy CNC........................................................................................ ...............28II. Robot................................................................................. ...........................302.1. Ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống CIM. ........................... .........312.2. Các yêu cầu đối với các robot hoạt động trong hệ thống CIM....................31III. Hệ thống vận chuyển tích trữ.................................................................. .....333.1. Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển - tích trữ........................... ........333.2. Hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công của CIM..........................34

3.2.1. Chức năng của hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công...........343.2.2. Phân loại hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết......................... .........35

3.3. Hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ của CIM......................... ..............373.3.1.Chức năng của hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ........................373.3.2. Một số loại hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ.............................37

3.4. Điều khiển hệ thống vận chuyển - tích trữ...................................... ............384.1. Thành phần của kho chứa tự động............................................. .................404.2. Các loại kho chứa tự động....................................................... ...................40

4.2.1. Dạng giá cần cẩu................................................................................. .404.2.2. Dạng cần cẩu cầu..................................................................... ............414.2.3.Dạng giá trọng lực.......................................................... ......................42

4.3. Bố trí các kho chứa tự động trong hệ thống CIM.......................................42V. Hệ thống điều khiển............................................................... .......................455.1. Bộ điều khiển logic khả lập trình PLC trong các hệ thống CIM.................455.2. Phần mềm tích hợp.................................................................... .................48VI. Hệ thống kiểm tra............................................................................ ............516.1. Các dạng kiểm tra.......................................................................... .............516.2. Cấu trúc của hệ thống kiểm tra tự động..................................... .................52

6.2.1. Mức cao................................................................................. ..............526.2.2. Mức trung bình................................................................. ...................52

7


6.2.3. Mức thấp.......................................................................................... ....536.3. Chế độ hoạt động của hệ thống kiểm tra tự động...................................... ..536.4. Kiểm tra trạng thái kỹ thuật của các phần tử và môđun trong CIM............546.5. Các thiết bị kiểm tra trong CIM......................................................... .........55

6.5.1. Các loại đattric.............................................................................. .......556.5.2. Các máy đo kiểm tự động................................................... .................57

VII. Hệ thống lắp ráp tự động...................................................................... ......597.1. Cấu trúc của hệ thống lắp ráp tự động................................. .......................597.2. Các hình thức tổ chức lắp ráp tự động.................................... ....................60

7.2.1. Lắp ráp cố định...................................................................... ..............607.2.2. Lắp ráp di động............................................................................. .......60

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY CNC.......................................................... ..........61A - TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC................................................ ....................61I. Lịch sử phát triển............................................................ ...............................611.1 Lịch sử................................................................................................ .........611.2. Một số máy NC............................................................. .............................63II. Thế nào là máy CNC.Các khái niệm cơ bản .................... ............................642.1. Khái niệm.............................................................................. .....................642.2. Trục máy CNC......................................................................................... ...652.3. Nguyên tắc xác định hệ trục tọa độ của máy CNC. ...................................65III. Hệ thống điều khiển máy CNC trong công nghiệp......................................663.1. Phần cứng hệ điều khiển máy CNC.............................................. ..............67

3.1.1Bộ xử lý trung tâm (CPU)..................................................................... .673.1.2.Bô nhớ............................................................................. .....................683.1.3 Hệ thống truyền dẫn ( BUS)......................................... ........................683.1.4.Truyền dẫn Servo. .......................................................................... ......69

3.2. Phần mềm. ................................................................................... ..............703.2.1. Phần mềm điều khiển ......................................................................... .703.2.2. Phần mềm ghép nối ............................................... .............................703.2.3. Postprocessor ......................................................................... .............703.2.4. Phần mềm ứng dụng ....................................................... ....................70

IV.Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC và các phương phấp nhập dữ liệu. .............................................................................................................. .....704.1. Lập trình gia công................................................................................. ......704.2. Các phương pháp nhập dữ liệu............................................ .......................73V. Khác biệt giữa NC và CNC............................................................... ............75VI.Một số máy CNC trong công nghiệp................................................ ............766.1. Máy khoan....................................................................................... ...........766.2. Máy tiện.................................................................................................... ..776.3. Máy phay.................................................................................. ..................796.4. Máy hàn điểm................................................................................ .............826.5. Máy cắt dùng tia lửa điện............................................... ............................82VII. Sơ lược về ngôn ngữ lập trình G-code.......................... .............................83

8


7.1. Các lệnh cơ bản dùng trên nền máy khoan/phay................................ .........837.2. Chu trình gia công một số chi tiết ................................................... ...........847.3. Chu trình gia công hốc tròn................................................ ........................857.4. Chu trình gia công hốc chữ nhật.................................................. ...............877.5. Một số quy định cơ bản...................................................... ........................88VIII. Phương pháp điều khiển máy CNC trong công nghiệp.................. ...........928.1. Các điểm gốc, điểm chuẩn................................................................. .........92

8.1.1. Điểm gốc của máy M...................................................................... .....928.1.2. Điểm chuẩn của máy R.............................................................. ..........928.1.3. Điểm gốc của phôi W điểm gốc chương trình P và điểm gá đặt C.......938.1.4. Điểm gốc của dụng cụ.............................................. ...........................94

8.2. Các hệ thống điều khiển máy CNC............................................................ .968.3. Các chỉ tiêu gia công của máy CNC.................................... .....................100

8.3.1. Thông số hình học.............................................. ...............................1008.3.2.Thông số gia công............................................................................. ..1018.3.3. Năng suất gia công........................................... .................................1018.3.4. Độ chính xác của máy CNC.............................. ................................1028.3.5. Độ tin cậy của máy CNC................................................ ...................1038.3.6. Tính vạn năng của máy CNC................................................... ..........104

B - CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY CNC.......................106I. Lựa chọn phương án di chuyển của các trục tọa độ................................ ......1061.1. Phương án phôi cố định............................................................ ................1061.2. Phương án phôi di chuyển trên trục Y , dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục X và Z...................................................................................................... .1071.3. Phôi di chuyển theo 2 trục X và Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục Z........................................................................................................................ ..1081.4. So sánh 3 phương án.............................................................................. ...109II. Lựa chọn cơ cấu truyền động..................................................... .................1102.1. Vít me đai ốc thường .................................................. .............................1102.2. Vit me đai ốc bi .......................................................................... ..............1112.3. Phương án dùng đai............................................................ ......................113III. Lựa chọn loại khoan..................................................... .............................114IV. Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng các trục :................................................. .......117V. Kết luận....................................................................................... ................119C - KẾT CẤU CƠ KHÍ CHÍNH CỦA MÁY CNC VÀ QUY TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH............................................... ...............120I. Kết cấu chung của máy CNC.............................................. .........................1201.1. Phần cố định......................................................................... ....................1221.2. Phần di chuyển dọc theo trục Z................................ ................................1221.3. Phần di chuyển dọc theo trục X. ............................................ ..................1231.4. Phần di chuyển dọc theo trục Y. ....................................................... .......123II.Các chi tiết chính trong máy CNC.......................................... .....................1242.2. Chi tiết dẫn hướng trung gian.............................................. .....................125

9


2.3. Chi tiết sống trượt mang cá trục Z....................................... .....................1262.4. Chi tiết rãnh trượt mang cá trục Z.......................................................... ...1272.5. Chi tiết bàn máy.............................................................................. ..........1272.6. Chi tiết Etô kẹp phôi..................................................................... ............128III.Quy trình công nghệ gia công các chi tiết điển hình :...................... ...........1283.1 Thiết kế quy trình công nghệ gia công gá động cơ....................................128

3.1.1. Xác định đường lối công nghệ............................................. ..............1283.1.2. Lập qui trình công nghệ...................................................... ...............1283.1.3. Thiết kế nguyên công..................................................................... ....129

3.2 Thiết kế quy trình công nghệ gia công sống trượt.................................... ..1363.2.1. Xác định đường lối công nghệ........................................... ...............1363.2.2. Lập qui trình công nghệ...................................................... ...............1363.3.3. Thiết kế nguyên công.................................................................... ....137

D - NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC...................................... ...........142I. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển ............................................................. 1421.1. Khối nguồn............................................................................... ................1421.2. Khối máy tính............................................................................. ..............1421.3. Khối Vi điều khiển.............................................................................. ......1431.4. Khối cách ly quang.................................................................... ...............1431.5. Khối mạch công suất và Role đóng điện động cơ khoan..........................1431.6. Khối cơ cấu chấp hành............................................. ................................143II.Các phương pháp điều khiển gia công (các phương pháp nội suy ):............144

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ROBOT CHO HỆ THỐNG........................................148A - KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ROBOT.................................. .................148I. Khái niệm về Robot..................................................... ................................1481.1. Robot và Robotics....................................................... .............................1481.2. Robot công nghiệp............................................................................. .......1501.3. Bậc tự do của Robot ( DOF: Degrees of Freedom )............................. .....1511.4. Hệ toạ độ ( coordinate frames )................................ ................................1511.5. Trường công tác của robot ( Workspace or range of motion )...................1521.6. Kêt cấu chung của Robot công nghiệp..................................................... .153II. Phân loại Robot........................................................................................ ...1552.1. Phân loại theo kết cấu................................................................. ..............1552.2. Phân loại theo kiểu điều khiển..................................................... .............1552.3. Phân loại theo hệ thống truyền động...................................................... ...1552.4. Phân loại robot theo ứng dụng.................................................... ..............156III. Vai trò của robot trong hệ thống MiniCIM.................... ............................1563.1. Yêu cầu đối với robot công nghiệp.......................................... .................1563.2. Đặc tính công nghệ của robot công nghiệp................................... ............156B - TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ROBOT....................... ...............................162I. Các thông số kỹ thuật của Robot..................................................... .............162II. Động học cho robot.................................................................................. ...1632.1. Các phép biến đổi thuần nhất.............................................................. .....163

10


2.2. Hệ tọa độ thuần nhất................................................................... .............1632.3. Các phép biến đổi ............................................................... .....................164

2.3.1. Phép biến đổi tịnh tiến (Translation)......................................... ........1642.3.2. Phép quay (Rotation) quanh các trục toạ độ.....................................1652.3.3. Phép quay tổng quát......................................................................... .1652.3.4. Bài toán ngược : tìm góc quay và trục quay tương đương................1682.3.5. Phép quay Euler................................................................ ................170

2.4. Phương trình động học robot................................................ ....................1722.4.1. Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH)........................... ..................1742.4.2. Đặc trưng của các ma trận A : ........................................... ...............1752.4.3. Xác định T6 theo các ma trận An : ............................................... ....1762.4.4. Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot : ...................1772.4.5. Thiết lập phương trình động học của robot....................... ................1782.4.6. Giải hệ phương trình động học của robot......................................... .180

III. Trình bày nguyên lý hoạt động của robot................... ...............................182IV. Tính toán, thiết kế một số chi tiết điển hình của robot...............................1834.1. Một số chi tiết điển hình của robot. ............................. ............................1834.2. Thiết kế quy trình công nghệ gia công một số chi tiết của robot...............185

4.2.1. Quy trình công nghệ gia công khối V ( cơ cấu tay kẹp )....................1854.2.2. Quy trình công nghệ gia công gối trượt........................ .....................203

V. Cơ cấu tay kẹp của robot................................................................ .............2045.1. Khái niệm và phân loại tay kẹp................................ ................................2045.2. Kết cấu của tay kẹp............................................................................... ....205

5.2.1. Tay kẹp cơ khí.................................................................................... 2055.2.2. Tay kẹp chân không và điện - từ.................................... ....................2085.2.3. Tay kẹp dùng buồng đàn hồi............................................... ...............2095.2.4. Tay kẹp thích nghi.............................................................................. 210

5.3. Tính toán tay kẹp robot.................................................................. ..........2105.3.1. Tính lực tiếp xúc.............................................................. ..................2115.3.2. Tính lực dẫn động........................................................... ...................2115.3.3. Tính ứng suất tiếp xúc....................................... ................................212

C - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT................................ ...............213I. Hệ thống chấp hành................................................................................ ......2131.1. Nguồn điện cấp................................................................................. ........2131.2. Khuyếch đại công suất....................................................................... .......2131.3. Động cơ................................................................................ ....................2141.4. Xilanh khí nén................................................................ ..........................2151.5. Truyền động động cơ khí........................................................... ...............215II. Hệ thống cảm biến dùng trong robot...................................................... .....2162.1. Các khái niệm và đặc trưng cơ bản về các loại cảm biến................... .......216

2.1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến............................................... ........2162.1.2. Đường cong chuẩn của cảm biến...................................... .................2182.1.3. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến.................................................... 220

11


2.2. Lựa chọn cảm biến.................................................... ...............................2252.2.1. Cảm biến tự cảm..................................................................... ...........2252.2.2. Cảm biến hỗ cảm.......................................................... .....................228

III. Hệ điều khiển của robot................................................................. ...........2313.1. Hệ thống điều khiển khí nén..................................................... ...............231

3.1.1. Ưu, nhược điểm của khí nén............................................... ..............2313.1.2. Máy nén khí - Thiết bị phân phối khí nén:......................... ..............2313.1.3. Các phần tử trong hệ thống điều khiển..............................................2323.1.1. Van điều khiển dòng khí........................................ ............................2403.1.4. Hệ thống khí nén trong robot............................................. ...............241

3.2. Hệ thống điều khiển điện.............................................................. ............2413.2.1. Giới thiệu về động cơ DC.................................................. ................2413.2.2. Giới thiệu về động cơ bước............................................................... .2423.2.3. Mạch điều khiển robot dùng vi điều khiển AVR Atmega88-20PU.....256

CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ BĂNG TẢI. ................................ ...............................269A - GIỚI THIỆU CHUNG VÀ THIẾT KẾ.................................................... ..269I. Giới thiệu chung về công dụng và phân loại máy chuyển liên tục...............269II. Chọn loại băng tải....................................................................... ................270III.Chọn cơ cấu dẫn động .................................................... ...........................2733.1 Lựa chọn loại động cơ điện......................................... ..............................2733.2. Lựa chọn cặp bánh răng truyền động............................................... .........2743.3. Hệ thống điều khiển khí nén...................................................... ...............274IV. Thiết kế băng tải......................................................... ...............................2764.1. Giới thiệu sơ lược cấu tạo của băng tải........................................... ..........2764.2 Gia công cơ chi tiết pallet.......................................................... ................282

4.2.1. Phân tích chức năng và điều kiện làm việc của chi tiết.....................2824.2.2. Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết.................. ..........2834.2.3. Xác định dạng sản xuất............................................................ ..........2834.2.4. Xác định phương pháp chế tạo phôi.................................................. 2834.2.5. Xác định thứ tự các nguyên công.................................................... ...283

B – ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI................................................................ ........289I.Lý do dùng PLC............................................................................... .............289II. Tổng quan về PLC............................................................... .......................2912.1. Giới thiệu chung về các bộ PLC............................................ ..................2912.2. Các bộ PLC thường gặp.......................................................................... ..2912.3. Chức năng của các bộ PLC............................................................... ........2922.4. Các bộ phận cơ bản của PLC........................................................ ............2922.5. Sự hoạt động của PLC theo vòng quét chương trình................................293III. Kĩ thuật lập trình điều khiển PLC............................................... ...............2953.1. Khái niệm về lập trình PLC................................................... ..................295

Các loại ngôn ngữ lập trình cho PLC........................................................ ...296Các bước tiến hành lập một chương trình PLC....................................... .....297Các hàm logic cơ bản của PLC............................................................ ........298

12


IV. Tìm hiểu về PLC S7200...................................................................... .......2994.1. Cấu hình cứng......................................................................................... ..2994.2. Cấu trúc bộ nhớ........................................................... ...........................300

4.2.1 Phân chia bộ nhớ................................................ ...............................3004.2.2. Vùng dữ liệu................................................................. .....................3004.2.3. Vùng đối tượng...................................................................... ............304

4.3. Thực hiện chương trình.......................................... ................................3054.4. Cấu trúc chương trình của S7_200.......................................................... 305V. Ngôn ngữ lập trình của S7_200.......................................................... .........3075.1. Phương pháp lập trình............................................................................ .3075.2. Bảng lệnh của S7-200.................................................................. ...........3075.3. Cú pháp lệnh của S7_200............................................... ........................317

5.3.1. Toán hạn và giới hạn cho phép......................... ................................3175.3.2. Lệnh vào/ra.......................................................................... .............3185.3.3. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm..............................................3195.3.4. Các lệnh logic đại số Boolean..................................................... ......3195.3.5. Các lệnh tiếp điểm đặc biệt:....................................................... .......3205.3.6. Các lệnh so sánh....................................................... ........................3205.3.7. Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con....................................... ....3225.3.8. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét......................................3235.3.9. Các lệnh về điều khiển Timer........................................................... .3245.3.10. Các lệnh điều khiển Counter............................................ ................3265.3.11. Các lệnh về số học................................................... ........................3275.3.12. Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh giá trị thanh ghi......................3295.3.13. Các lệnh dịch chuyển nội dung ô nhớ............................... ...............3315.3.14. Các lệnh làm việc với mảng........................................................ .....3315.3.15. Các lệnh dịch chuyển thanh ghi..................................... ..................3325.3.16. Các lệnh làm việc với bảng:(chỉ có trong CPU214).................... .....3345.3.17. Các lệnh tìm kiếm: Chỉ sử dụng đối với CPU214............................3355.3.18. Các hàm đổi dữ liệu........................................................... ..............3355.3.19. Xây dựng cấu trúc vòng lặp............................................ .................3365.3.20. Đồng hồ thời gian thực............................................ ........................3365.3.21. Truyền thông trên mạng nhiều chủ................... ...............................3375.3.22. Ngắt và xử lý ngắt.......................................................................... ..3385.3.23. Sử dụng ngắt truyền thông................................................... ............3415.3.24. Sử dụng bộ đếm tốc độ cao..................................................... .........3415.3.25. Sử dụng hàm phát xung tốc độ cao............................... ...................344

VI. Chương trình điều khiển băng tải (dùng S7-200)......................................344

13


CHƯƠNG I. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CIM

I. Các khái niệm cơ bản về CIM.1.1. Định nghĩa CIM.

CIM (Computerize Integrate Manufacturing ). Là hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính. Có nhiều định nghĩa khác nhau về CIM và các định nghĩa đó lại có nhiều ý nghĩa khác nhau, tùy thuộc vào mục đích ứng dụng của nó. Sau đây là một vài định nghĩa về CIM.

Công ty Các hệ thống tự động và máy tính CASA (The Computer and Automated Systems Association) của hội những nhà sản xuất SME (Society of Manufacturing Engineers) định nghĩa: CIM là một hệ thống tích hợp có khả năng cung cấp sự trợ giúp của máy tính cho tất cả các chức năng thương mại, bao gồm các hoạt động từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng cho đến cung cấp sản phẩm của một nhà máy sản xuất.

Từ điển của công nghệ tiên tiến AMT định nghĩa: CIM là một nhà máy tự động hóa toàn phần, nơi mà tất cả các quá trình sản xuất được tích hợp và được điều khiển của máy tính.

Công ty máy tính của Mĩ IBM cho rằng: CIM là một ứng dụng, có khả năng cung cấp cơ sở nhận thức cho việc tích hợp dòng thông tin của thiết kế sản phẩm, của kế hoạch sản xuất, của việc thiết lập và điều khiển các nguyên công.

Hãng SIMENS của Đức lại cho rằng: CIM không phải là một sản phẩm hoàn thiện mà là một chiến lược và là một khái niệm để đạt các mục đích thị trường của một nhà máy.

1.2. Các thành phần cơ bản của CIM.

CIM là một công nghệ tiên tiến để quản lý công ty sản xuất thông qua dòng thông tin. Công nghệ thông tin là một công cụ tích hợp rất mạnh và là cơ sở hạ tầng để đạt mục đích trong một xí nghiệp tích hợp. Trong thế giới hiện nay công nghệ thông tin đóng vai trò quyết định trong quản lý xí nghiệp. Đồng thời sự phát triển của các tiêu chuẩn liên kết đã có ảnh hưởng lớn đến CIM và đã mở đường cho việc tích hợp hóa.

Các công nghệ tích hợp trong CIM rất đa dạng và bao gồm nhiều lĩnh vực công nghệ phức tạp khác nhau. Tuy nhiên ở đây chỉ đề cập đến một số công nghệ tiên tiến của CIM.

Tự động hóa văn phòng: Đó là việc tự động hóa các quá trình của văn phòng bằng các công nghệ thích hợp. Nó có thể được xem như một máy tính mà từ đó hầu hết các tài liệu văn phòng được truyền đi các mạng để nối kết tất cả các thiết bị sản xuất và các công nghệ của một công ty nào đó bằng các hệ thống thông tin quản lý. Tự động hóa văn phòng cho phép:

14


- Tạo ra nhiều thông tin thương mại.

- Quay vòng nhanh các tư liệu thương mại.

- Giảm sai số trong quản lý.

- Giảm mặt bằng làm việc.

- Phục vụ khách hàng tốt hơn

- Khả năng ra quyết định tốt hơn.

- Giảm số nhân viên văn phòng.

- Nâng cao trình độ của nhân viên văn phòng.

Thiết kế có sự trợ giúp của máy tính CAD:

- Nâng cao năng suất và giảm thời gian thiết kế sản phẩm.

- Giảm thời gian thiết kế dụng cụ và đồ gá được 12 ÷ 25%.

- Nâng cao chất lượng thiết kế, do đó nâng cao được chất lượng sản phẩm.

- Tạo ra được tài liệu có chất lượng cao.

- Loại trừ được các công việc lặp lại.

- Tiết kiệm thời gian và giảm giá thành khi chế tạo sản phẩm mới.

- Tiêu chuẩn hóa tốt hơn.

- Hoàn thiện giao diện giữa thiết kế và sản xuất.

- Giảm thời gian trả lời kết quả đấu thầu.

Máy điều khiển số CNC: Máy điều khiển số CNC là thiết bị có khả năng gia công chi tiết theo một chương trình lập sẵn cho mọi kích thước mong muốn và theo một quy trình công nghệ đã lập sẵn. Các máy CNC được trang bị màn hình và bàn phím, do đó việc viết và diễn giải chương trình có thể được thực hiện trực tiếp trên máy. Các máy CNC cho phép loại trừ ảnh hưởng của công nhân và nâng cao chất lượng sản phẩm. Các máy CNC được sử dụng cho nhiều mục đích khác nhau như: Gia công, làm sạch, đánh bóng, kiểm tra, nén ép, rèn hoặc dập.

Sản xuất có sự trợ giúp của máy tính CAM: Cho phép thực hiện nhiều dạng nguyên công khác nhau khi thay đổi chương trình điều khiển. CAM có thể kết hợp với các dạng công nghệ khác như CAD, NC, cơ sở dữ liệu và thiết bị kiểm tra chất lượng để tạo thành những phần tử chính của CIM. Hệ thống CAM có thể bao gồm: Robot, các máy NC và FMS. Ưu điểm của hệ thống CAM là:

- Tăng năng suất lao động.

- Nâng cao chất lượng sản phẩm.

- Giảm diện tích sản xuất.

- Đáp ứng nhu cầu của khách hàng nhanh hơn.

15


- Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân và loại trừ những điều kiện làm việc nguy hiểm.

Kiểm tra chất lượng có sự trợ giúp của máy tính: Bao gồm quá trình giám sát và quá trình đo kiểm tra sản phẩm. Hệ thống kiểm tra chất lượng có sự trợ giúp của máy tính CAQC (Computer Aided Quality Control) cho phép:

- Giảm thời gian giám sát quá trình sản xuất.

- Giảm chi phí gián tiếp cho các giám sát viên.

- Giảm chi phí tương đối để đạt chất lượng sản phẩm xuống 50 ÷ 90%.


- Giảm công việc lặp lại trong quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm.

- Cải thiện điều kiện làm việc.

Hệ thống bảo quản và tìm kiếm tự động: Là hệ thống xử lý vật liệu để cấp phát chi tiết cho các khu vực và tìm kiểm chi tiết từ các khu vực. Hệ thống bảo quản và tìm kiếm tự động cho phép:

- Kiểm tra vật liệu bằng máy tính, xác định trạng thái và vị trí của vật liệu.

- Thông qua mạng để điều khiển các hệ thống phụ trợ và CIM.

- Giảm phế phẩm gia công.

- Loại trừ quá trình xử lý lặp lại đối với vật liệu.


- Giảm thời gian lắp ráp (khoảng 25%).

Công nghệ nhóm: Là một khái niệm sản xuất khi mà các chi tiết được gia công theo nhóm dựa vào đặc tính kết cấu hoặc quy trình công nghệ. Các chi tiết được ghép nhóm theo đặc tính kết cấu được coi là họ chi tiết thiết kế và các chi tiết được ghép nhóm theo đặc tính gia công được coi là họ chi tiết gia công. Việc ghép các nhóm chi tiết theo đặc tính này cho phép thực hiện những công việc giống nhau một cách hiệu quả nhất. Ứng dụng công nghệ nhóm tạo điều kiện thuận lợi cho việc tổ chức hệ thống CIM, đồng thời công nghệ nhóm còn cho phép:

- Hoàn thiện khâu thiết kế va tăng tính tiêu chuẩn hóa của thiết kế.

- Giảm khối lượng công việc trong khâu xử lý vật liệu.

- Giảm 20% ÷ 80% thời gian sản xuất.

- Giảm 15% ÷ 20% khối lượng lao động.

- Giảm 20% ÷ 30% chi phí dụng cụ cắt.

- Giảm 20% ÷ 60% thời gian chuẩn bị sản xuất.

- Giảm 15% ÷ 30% thời gian đặt hàng và cấp hàng.

16


- Đơn giản hóa việc lập quy trình sản xuất và rút ngắn chu kỳ sản xuất.

- Hoàn thiện quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm.

- Khả năng thích ứng nhanh với thị trường, do đó giảm được thời gian đặt hàng và thời gian cấp hàng.

- Tăng cường sự hợp tác giữa các tổ chức của công ty.

- Nâng cao năng suất lao động.

- Giảm 15% ÷ 70% phế liệu sản xuất.

Lập quy trình công nghệ có sự trợ giúp của máy tính: CAPP (Computer Aided Process Planning) là xác định thứ tự nguyên công với nhiều thông số công nghệ để chế tạo hoặc để lắp ráp. CAPP cho phép lập được quy trình mới để gia công chi tiết, thay đổi quy trình đang được ứng dụng để có quy trình mới tiên tiến hơn hoặc để thực hiện các công việc lập chương trình nào đó một cách nhanh chóng và thuận tiện. CAPP cho phép:

- Giảm thời gian thiết kế sản phẩm mới.

- Giảm chi phí cho việc tiếp nhận chi tiết mới.

- Giảm thời gian thiết kế dụng cụ cắt.

- Tăng khả năng khai thác hệ thống CIM.

- Giảm thời gian lập quy trình công nghệ.

- Giảm số lượng dụng cụ cắt bị hỏng.

Tế bào gia công: CM (Cellular Manufacturing) là thiết bị sản xuất thường dùng để chế tạo các chủng loại chi tiết khác nhau. Công nghệ nhóm trong quy trình sản xuất đã tạo ra CM. Hệ thống sản xuất của một công ty được tổ chức thành các tế bào gia công. Các tế bào gia công bao gồm: Máy gia công và các quy trình để chế tạo một loại chi tiết nào đó. Tế bào gia công cho phép:

- Giảm đáng kể thời gian gia công chi tiết.

- Giảm 20 ÷ 30% khối lượng lao động.

- Giảm 15 ÷ 30% chi phí cho thiết kế xỹ thuật.

- Giảm thời gian chuẩn bị sản xuất.

- Đạt hiệu quả cao trong xử lý vật liệu.


- Đơn giản hóa việc lập quy trình công nghệ chế tạo và quy trình kiểm tra.

Robot: Các lợi ích mà robot đem lại:



17


- Giảm phế liệu và chi phí cho những công việc lặp lại.

- Giảm chi phí cho nguyên công kiểm tra chất lượng sản phẩm.

- Giảm chi phí lao động trực tiếp.

- Có khả năng thực hiện nhiều nguyên công khác nhau.

Hệ thống FMS: FMS được coi là phiên bản đầu tiên của CIM, ứng dụng hệ thống FMS cho phép:

- Tăng tính linh hoạt khi gia công các loại chi tiết khác nhau.

- Xử lý nhiều loại vật liệu khác nhau.

- Hệ thống sản xuất tiếp tục hoạt động khi có một máy ngưng hoạt động.

- Hoàn thiện sức lao động của con người.

- Hoàn thiện quá trình kiểm tra chất lượng sản phẩm.

- Giảm 50% giá thành sản xuất.

- Giảm 30% chi phí cho dụng cụ cắt.

- Giảm 50 ÷ 90% khối lượng lao động.

- Tăng hệ số sử dụng máy.


- Giảm phế liệu.

- Giảm 42% diện tích mặt bằng sản xuất.

- Nâng cao năng suất lao động tới 200 ÷ 350%.

18


II. Sự phát triển của CIM.

2.1. Sự phát triển của CIM trên thế giới.

2.1.1. Lịch sử phát triển của CIM.

Vào năm 1954, NC đã được đưa vào sản xuất và sau đó, vào năm 1955 sự phát triển của công cụ xử lý lập trình tự động đã mở đầu cho sự xuất hiện của CAM. CAD bắt đầu xuất hiện vào khoảng năm 1960 với công nghệ thiết kế cao nhờ có sự trợ giúp của máy tính. Với sự xuất hiện của vi mạch vào đầu những năm 1970, máy tính bắt đầu được ứng dụng trong tất cả các lĩnh vực của sản xuất.

Khái niệm về CIM đã được tiến sĩ Joseph Harrington đưa ra vào những năm 1973. Mặc dù khái niệm của ông về CIM chưa được hoàn chỉnh, ngày nay danh từ CIM đã trở nên rất quen thuộc trong cách nói về sản xuất. CIM đã trở thành chiến lược nền tảng của tích hợp các thiết bị và hệ thống sản xuất thông qua các máy tính hoặc các bộ vi xử lý tự động.

Mục đích hiện thực lâu dài của CIM có thể đạt được thông qua việc lập kế hoạch phát triển ở tầm vĩ mô của các công ty. Sự tích hợp có hiệu quả đòi hỏi kiến thức chuyên sâu về tất cả các quá trình công nghệ và hiểu biết sâu sắc về các thiết bị sản xuất của công ty. Để cho việc ứng dụng CIM có hiệu quả thì việc tích hợp các công nghệ tiên tiến AMT phải được thực hiện thông qua các máy tính. Máy tính chỉ hoạt động như các tọa độ phụ của công nghệ. Tuy nhiên, không có máy tính thì việc tích hợp sẽ không có hiệu quả.

Bộ quốc phòng Hòa kỳ đóng một vai trò quan trọng trong việc mở đường cho công nghệ CIM. Năm 1975 họ bắt đầu lập chương trình sản xuất có trợ giúp của máy tính của lực lượng không quân AFCAM ( Air Force Computer Aided Manufacturing). Chương trình này cho phép tiếp cận tốt hơn đối với công nghệ sản xuất. Nhờ kết quả đó mà sản xuất có trợ giúp của máy tính tích hợp ICAM (Intergrated Computer Aided Manufacturing) đã được xây dựng vào năm 1976 tại phòng thí nghiệm vật liệu của không quân Hoa Kỳ dưới sự chỉ đạo của Ủy ban kỹ thuật và Viện hàn lâm quốc gia NAEC (National Academy of Enegineering Comittee) về sản xuất có sự trợ giúp của máy tính CAM. Sau khi bỏ chương trình ICAM vào năm 1985, không quân Hoa kỳ bắt đầu xây dựng chương trình CIM.

Công ty Các hệ thống tự động và máy tính CASA của hội những nhà sản xuất SME đã được thành lập vào năm 1975 để tập trung kiến thức trong lĩnh vực máy tính và tự động hóa cho sự phát triển của sản xuất. Là một hội khoa học và đào tạo, CASA/SME đã truyền bá khái niệm về CIM với đông đảo quần chúng và đã xây dựng vòng tròn nhà máy CIM nhằm cung cấp cho công nghiệp sản xuất một cái nhìn đúng đắn về CIM. Hội đồng kỹ thuật của CASA/SME đã thống nhất 5 vấn đề cơ bản của vòng tròn CIM như sau: Quản lý sản xuất và quản lý nguồn nhân lực, sản xuất và quá trình, lập kế hoạch sản xuất và kiểm tra, nhà máy tự động hóa và quản lý nguồn thông tin. Vòng tròn CIM mô tả khía cạnh tích hợp của CIM đối với quan điểm về quản lý sản xuất. CIM có những ưu điểm sau đây:

19


- Tính linh hoạt của sản phẩm, của sản lượng và của vật liệu.

- Nâng cao năng suất và chất lượng của gia công.

- Hoàn thiện giao diện giữa thiết kế và sản xuất.

- Giảm lao động trực tiếp và lao động gián tiếp.

- Thiết kế có năng suất và độ chính xác cao.

- Tiêu chuẩn hóa cao và sử dụng vật liệu hợp lý.

- Tiết kiệm thời gian và mặt bằng sản xuất.

- Tạo cơ sở dữ liệu chung để loại trừ các bộ phận chứa dữ liệu độc lập.

- Loại trừ các công việc lặp lại không cần thiết.

- Giảm thời gian giám sát sản xuất và số cán bộ thực hiện công việc này.

- Có ưu điểm cạnh tranh đối với các đối thủ cạnh tranh.

Khái niệm về CIM được đưa ra trong thời gian đầu có vẻ như không đạt được ý tưởng thực tế, tuy nhiên với công nghệ ngày nay thì CIM đạt được mục đích không mấy khó khăn. Tương lai của kỹ thuật là ứng dụng CIM với tác động của trí tuệ. Sản xuất trí tuệ là con đường của tương lai. Vì vây, công nghệ sản xuất và các hệ thống CIM sẽ bao gồm cả trí tuệ để giúp các nhà máy chế tạo ra các sản phẩm có chất lượng cao, giá thành hạ.

2.1.2. Hướng phát triển của CIM.

CIM ảo.

Sản xuất ảo là khi các đơn vị sản xuất được liên kết với nhau trên phạm vi toàn cầu để giải quyết tất cả các vấn đề từ sản xuất đến phân phối sản phẩm. Ngày ngay đã có nhiều sự liên kết toàn cầu trong rất nhiều các lĩnh vực công nghiệp. Do đó, nhà máy ảo đã được định nghĩa như một mạng liên kết toàn cầu và chỉ có nhà máy ảo mới đảm bảo được sự cạnh tranh và thị trường toàn cầu. Từ khái niệm nhà máy ảo người ta đưa ra khái niệm về CIM ảo. Nghiên cứu về CIM ảo và ứng dụng nó trong phạm vi toàn cầu đã trở nên bức thiết. Ứng dụng CIM ảo là một bước tiến quan trọng trong sản xuất tương lai đã được Lin (năm 1977) khởi xướng. Tuy nhiên, vào thời điểm này cũng có rất nhiều công trình về nhà máy ảo của Makatsoris và Besant được công bố. CIM ảo có thể thích ứng với sản xuất và phân bố toàn cầu.

Trung tâm nghiên cứu công nghệ sản xuất tiên tiến của trường Đại học tổng hợp nam Australia đã đưa ra khái niệm về vòng tròn CIM ảo. Vòng tròn CIM ảo này mô tả các điều kiện thị trường toàn cầu.

20


Hình 1.1. Vòng tròn CIM ảo

21


Chú thích các khái niệm:

Global Competition & Environmental Concerns (Sự cạnh tranh toàn cầu và những quan tâm tới vấn đề môi trường)

Mass Customisation (Số lượng khách hàng)

Shorter Product Life Cycles (Chu kì vòng đời ngắn của sản phẩm)

Innovation & Faster Respone (Sự đổi mới và đáp ứng nhanh)

Global Manufacturing Systems (Hệ thống sản xuất toàn cầu)

Strategic Planning & Control (Hoạch định chiến lược và điều khiển)

Virtual Eterprise (Các nhà máy ảo)

Interconnected ATMS (Liên kết qua lại giữa các công nghệ tiên tiến)

Dedicated & Distributed but Interconnected Management (Phân nhỏ và nhanh nhạy nhưng phải liên kết qua lại trong quản lý)

Interconnected Global & Local Functional Units (Các đơn vị sản xuất được liên kết ở từng khu vực và trên phạm vi toàn cầu)

Global Information & Communication Links (Sự liên kết về thông tin và giao tiếp toàn cầu)

Shared Data (Chia sẻ dữ liệu)

Integrated Enterprise Infrastructure (Kết cấu hạ tầng tích hợp của các nhà máy sản xuất)

Khái niệm về vòng tròn CIM ảo cũng như vòng tròn CIM đã được các nhà sản xuất SME ( Society of Manufacturing Engineers) phát triển và nó được giải thích như sau ( Giải thích được bắt đầu từ vòng tròn ngoài cùng):

Vòng ngoài mô tả tình trạng thế giới hiện tại, đó là cạnh tranh toàn cầu, sự quan tâm môi trường, hàng hóa thỏa mãn nhu cầu của khách hàng, chu kỳ chế tạo sản phẩm ngắn, yêu cầu sáng tạo sản phẩm và trả lời nhanh.

Vòng thứ hai mô tả các hệ thống toàn cầu, đó là các nhà máy ảo, các hệ thống sản xuất toàn cầu và những hoạch định sản xuất mang tính chiến lược.

Vòng thứ ba giải thích cách thức thực hiện, đó là sự liên kết toàn cầu về sản xuất, sự liên kết của các công nghệ tiên tiến, sự chuyên môn hóa và phân phối riêng biệt nhưng được quản lý chung.

Vòng thứ tư mô tả sự cần thiết của thông tin và liên kết toàn cầu, đồng thời sự cần thiết phải phân chia dữ liệu giữa các hệ thống.

Vòng trung tâm mô tả kết quả của CIM như một nhà máy tích hợp toàn cầu thông qua cấu trúc tích hợp.

22


Để tạo điều kiện thuận lợi cho việc đầu tư vào CIM và để giúp nền công nghiệp sản xuất, nhiều nhà nghiên cứu đã tìm ra những giải pháp để ứng dụng CIM. Dưới đây là một số hướng nghiên cứu về CIM:

- Hợp lý hóa CIM và chiến lược quản lý CIM.

- Nhà máy tích hợp cho CIM với gianh giới địa lý.

- Mạng liên kết của CIM.

- Công cụ và công nghệ tiên tiến cho việc ứng dụng CIM.

- Mô hình hệ thống sản xuất.

- Ứng dụng trí tuệ nhân tạo AI (Artifical Intelligence) như Fuzzy logic, mạng notron để tích hợp trí tuệ toàn phần các hệ thống sản xuất.

Chỉ tiêu “hợp lý hóa và chiến lược quản lý CIM” được nghiên cứu theo chiều hướng: Các nghiên cứu đều tập trung vào việc đảm bảo cho nhà quản lý các nguyên tắc ứng dụng CIM trong môi trường sản xuất của mình.

Chỉ tiêu “nhà máy tích hợp cho CIM với gianh giới địa lý” được nghiên cứu theo cấu trúc và mô hình hóa của nhà máy tích hợp, theo hợp tác CAD/CAM toàn cầu thông qua các hệ thống phụ trợ của CIM.

Chỉ tiêu “mạng liên kết của CIM” bao gồm ứng dụng mạng trên phạm vi rộng và Internet cho CIM, tăng cường thông tin bằng giữ liệu tích hợp mối quan hệ giữa khách hàng và nhà sản xuất, các dữ liệu quản lý trong các hệ thống CIM.

Chỉ tiêu “công cụ và công nghệ tiên tiến cho việc ứng dụng CIM” được nghiên cứu về robot, tự động hóa và sản xuất trí tuệ.

Chỉ tiêu “mô hình hệ thống sản xuất” được nghiên cứu về tích hợp các mô hình thông tin với các mô hình chức năng của CIM, mô hình mô phỏng tích hợp của CIM và các hệ thống thiết kế của CIM.

Chỉ tiêu “Ứng dụng trí tuệ nhân tạo” bao gồm các hướng nghiên cứu về ứng dụng các mạng notron trong tự động hóa sản xuất, hệ thống hoạch định trí tuệ và các mô hình thích nghi của CIM.

Các hướng nghiên cứu để phát triển CIM:

Trong phạm vi nghiên cứu về hợp lý hóa CIM và chiến lược quản lý CIM, sự phát triển của hệ thống thông tin quản lý đã thúc đẩy việc ứng dụng hệ thống trợ giúp ra quyết định DSS trong môi trường ra quyết định theo nhóm. Hơn nữa, sự thay đổi nhanh chóng của công nghệ và trí thức đã tác động đến các mô hình tĩnh và lạc hậu của xí nghiệp. Vì vậy, để hợp lý hóa và tối ưu hóa đầu tư cho nhà máy ảo cần có hệ thống trợ giúp ra quyết định theo nhóm GDSS (Group Decision Support Systems ).

23


Hệ thống GDSS cho phép tính hiệu quả của các công nghệ tiên tiến AMT trong cơ cấu tổ chức toàn cầu. Đồng thời hệ thống GDSS giúp các nhà ra quyết định phân tích hiệu quả đầu tư của một công ty hay xí nghiệp nào đó.

Sự phát triển nhanh chóng của công nghệ cho phép tạo ra nền sản xuất toàn cầu với nhiều nhà máy, xí nghiệp được phân bố trên các vùng lãnh thổ khác nhau.

Gần đây người ta đã thực hiện nhiều đề tài nghiên cứu khác nhau nhằm mục đích phát triển CIM. Các hướng nghiên cứu đó là:

- Nghiên cứu về nhà máy tích hợp của CIM.

- Nghiên cứu về mạng liên kết và Internet của CIM.

- Nghiên cứu về robot và tự động hóa để ứng dụng vào CIM.

- Nghiên cứu về hợp lý hóa và tối ưu hóa CIM.

- Nghiên cứu khả năng ứng dụng của CIM ảo và sản xuất trí tuệ.

24


2.2. Sự phát triển của các hệ thống CIM ở Việt Nam.

Nhịp độ phát triển của sản xuất tự động hóa toàn phần FMS & CIM phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trong đó hai yếu tố: Lực lượng lao động có trình độ chuyên môn cao và nguồn tài chính đóng vai trò quan trọng nhất. FMS & CIM là những hệ thống sản xuất có mức độ tự động hóa cao, chúng đã và đang được ứng dụng rộng rãi ở các nước công nghiệp phát triển. Tuy ở Việt nam sản xuất tự động hóa mới chỉ ở giai đoạn đầu của sự phát triển, nhưng để hoàn thành sự nghiệp công nghiệp hóa và hiện đại hóa đất nước thì việc nghiên cứu, phát triển và ứng dụng các hệ thống FMS & CIM đã và đang được quan tâm đặc biệt.

Hiện nay CIM còn là một khái niệm khá mới mẻ đối với các nhà máy tại Việt Nam. Hầu như không thấy sự ứng dụng của các hệ thống CIM trong sản xuất mà chỉ có một số rất ít các hệ thống Mini CIM được sử dụng trong đào tạo tại một số trường đại học về kỹ thuật. Tiêu biểu là hệ thống MiniCIM của trường Đại học Bách khoa Hà nội.

Tuy nhiên với làn sóng đầu tư rất mạnh đang tràn vào Việt nam sau khi gia nhập WTO, các hệ thống sản xuất tự động toàn phần đang phát triển nhanh chóng và trong tương lai CIM sẽ được ứng dụng vào sản xuất. Để bắt kịp với sự phát triển nhanh của nền công nghiệp thế giới, việc đào tạo ra một đội ngũ cán bộ vận hành và quản lý có kiến thức về CIM là rất quan trọng. Vì vậy việc giảng dạy về FMS & CIM đang được đặc biệt trú trọng tại các trường đại học kỹ thuật của Việt nam.

III. Ứng dụng và hiệu quả của CIM .

3.1. Ứng dụng của CIM.

Thiết lập một hệ thống sản xuất tích hợp có sự trợ giúp của máy tính CIM là một vấn đề không đơn giản nó không chỉ phụ thuộc vào khả năng tài chính của công ty mà còn phụ thuộc vào đội ngũ nhân lực của công ti do đó việc ứng dụng một hệ thống CIM vào sản xuất của một công ty phải được xem xét một cách cẩn thận. Thực tế khi mà sản xuất phát triển, nhu cầu của khách hàng thay đổi thường xuyên và không ngừng nâng cao, sự cạnh tranh mạnh của nhiều công ty trên phạm vi toàn cầu thì yêu cầu ứng dụng một hệ thống CIM cho sản xuất là rất cần thiết. Trong hệ thống CIM chức năng thiết kế và chế tạo được gắn kết với nhau cho phép khép kín chu trình chế tạo sản phẩm và tạo ra sản phẩm một cách nhanh chóng bằng các quy trình sản xuất linh hoạt và hiệu quả. Với hệ thống CIM, nó có khả năng cung cấp sự trợ giúp máy tính cho tất cả các chức năng thương mại, bao gồm các hoạt động từ khâu tiếp nhận đơn đặt hàng cho đến cung cấp, phân phối sản phẩm của một nhà máy.

CIM tham gia vào môi trường sản xuất công nghiệp: điều khiển robot . lắp ráp, gia công, sơn phủ đánh bóng, gia công hàn, kiểm soát chất lượng sản phẩm, đóng gói, vận chuyển và phân phát hàng hoá .

25


CIM tham gia vào các quá trình công nghệ: thiết kế và sản xuất có trợ giúp máy tính(CAD/CAM) . Lập kế hoạch sản xuất và quy trình công nghệ có trợ giúp của máy tính ( Computer Aided Process Planning / Computer Aided Engineering (CAPP/CAE).

CIM bao gồm mạng và các hệ thống: các phần cứng và phần mềm truyền thông trong nhà máy, quản lý thông tin dữ liệu bao gồm cả việc thu thập, lưu trữ và truy xuất dữ liệu.

CIM tham gia vào việc cải thiện không ngừng các quá trình sản xuất: lập kế hoạch và kiểm soát nguyên liệu đầu vào, các hệ thống theo dõi và kiểm soát chất lượng, các kỹ thuật và phương pháp thanh tra giám sát như lập kế hoạch và quản lý nguồn lực sản xuất, lập kế hoạch và quản lý nguồn lực công ty, kiểm tra chất lượng toàn bộ và phương thức sản xuất đáp ứng kịp thời sự thay đổi nhanh chóng của các chủng loại sản phẩm.

3.2. Hiệu quả của CIM.

Hệ thống CIM có thể tạo ra lợi nhuận vững chắc cho người sử dụng hơn là các hệ thống sản xuất thông thường khác. CIM cho phép một nhà máy sản xuất thích ứng nhanh chóng với sự thay đổi của thị trường và cung cấp các hướng phát triển cơ bản của sản phẩm trong tương lai. Với sự trợ giúp của các máy tính trong CIM, các hoạt động phân đoạn của quá trình sản xuất được tích hợp thành một hệ thống sản xuất thống nhất, hoạt động trôi chảy với sự giảm thiểu thời gian và chi phí sản xuất đồng thời nâng cao chất lượng sản phẩm. Trong hệ thống CIM cho phép sử dụng tối ưu các thiết bị, nâng cao năng xuất lao động, luôn ứng dụng các công nghệ tiên tiến và giảm thiểu sai số gây ra bởi con người, kinh nghiệm sử dụng CIM cho thấy những lợi ích điển hình sau đây:

+ Nhanh chóng cho ra đời sản phẩm mới kể từ lúc nhận đơn đặt hàng:

+ Giảm 15-30% giá thành thiết kế.

+ Giảm 30-60% thời gian chế tạo chi tiết.

+ Tăng năng suất lao động lên tới 40-70%

+ Nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm được 20-50% phế phẩm.

+ Quản lý vật tư hàng hoá sát thực tế hơn.

+ Tăng khả năng cạnh tranh của sản phẩm và đáp ứng nhu cầu thị trường.

+ Hoàn thiện được phương pháp thiết kế sản phẩm, ví dụ: sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn cùng với máy tính cho phép thực hiện phép tính nhanh hơn 30 lần so với các phương pháp thông thường khác cho nhiều phương án thiết kế khác nhau.

26


CHƯƠNG II. CẤU TRÚC HỆ THỐNG CIM

Một cách tổng quát CIM có thể được hiểu là một chiến lược để đạt được mục đích thị trường của nhà máy. Đó là một khái niệm dùng để chỉ một phương thức sản xuất tiên tiến dựa trên những thành tựu của công nghệ thông tin. CIM cho phép thiết lập nên một hệ thống sản xuất toàn cầu có khả năng đáp ứng nhanh nhất nhu cầu của thị trường, đạt được hiệu quả kinh tế cao, ứng dụng nhanh chóng các sáng kiến và các công nghệ mới vào sản xuất. CIM chính là hướng phát triển tất yếu của sản xuất hiện nay. Tuy vậy việc áp dụng CIM vào sản xuất cũng gặp rất nhiều khó khăn, đặc biệt là đối với nền sản xuất còn yếu của Việt Nam. Để áp dụng được CIM vào sản xuất phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố, đó là khả năng tài chính của nhà sản xuất, năng lực của người lao động, năng lực quản lý, khả năng tiếp cận với công nghệ mới…Đặc biệt là CIM phải được áp dụng một cách đồng bộ và triệt để. Vì chỉ khi nào được áp dụng đồng bộ và triệt để thì CIM mới thực sự phát huy được tối đa những lợi thế mà nó mang lại so với những công nghệ sản xuất khác.

Đối với lĩnh vực sản xuất nói riêng. CIM được hiểu là một hệ thống sản xuất tự động toàn phần. Tất cả các bộ phận của hệ thống đều được tích hợp và điều khiển qua phần mềm tích hợp. Một hệ thống CIM cơ bản bao gồm các máy CNC, robot, hệ thống vận chuyển tích trữ, kho chứa, hệ thống kiểm tra và hệ thống điều khiển.

Hình 2.1. Sơ đồ hệ thống CIM

27


I. Máy CNC.

Máy CNC là một trong những bộ phận cơ bản nhất không thể thiếu trong một hệ thống CIM.

Chúng ta đã biết trước thế hệ máy CNC đã có máy công cụ thông thường và máy công cụ NC. Máy công cụ thường được điều khiển trực tiếp bởi tay người công nhân nên chất lượng và năng suất gia công phụ thuộc rất nhiều vào tay nghề của công nhân. Máy điều khiển số NC thì việc điều khiển máy được quyết định bởi các chương trình đã lập sẵn. Máy CNC là mức phát triển cao từ các máy NC. Máy CNC có 1 máy tính để thiết lập phần mềm điều khiển các chức năng máy. Các chương trình gia công được đọc và lưu vào bộ nhớ để sử dụng cho việc điều khiển quá trình gia công. Máy CNC có thể thực hiện các chức năng: nội suy đường thẳng, cung tròn, mặt xoắn, mặt parabol và bất kỳ mặt bậc 3 nào. Máy CNC có thể bù chiều dài và đường kính của dụng cụ. Độ chính xác của các chi tiết khi gia công không còn phụ thuộc vào tay nghề của công nhân. Do đó chất lượng sản phẩm sản xuất ra ổn định và đạt năng suất cao.

Các chuyển động cắt và chuyển động tạo hình của các máy CNC có nguyên tắc không khác so với các máy công cụ truyền thống. Các máy CNC cũng có một quy chuẩn về hệ tọa độ để xác định các chiều chuyển động của máy. Điểm khác biệt lớn nhất giữa các máy CNC và các máy công cụ truyền thống, đó là khả năng thay thế dụng cụ tự động của máy CNC. Chính khả năng này đã làm tăng năng suất của các máy CNC lên rất nhiều so với các máy công cụ thông thường. Cũng chính vì vậy nên dụng cụ và ổ lắp dụng cụ của các máy CNC đều phải có các điểm chuẩn để gá lắp tự động, chúng đều được chế tạo theo tiêu chuẩn chung với yêu cầu rất cao về độ chính xác, vật liệu, kích thước.

Các máy CNC có thể phân chia theo loại và theo hệ thống điều khiển: Theo loại máy cũng tương tự như các máy công cụ truyền thống, chia ra các loại như máy khoan CNC, máy phay CNC, máy tiện CNC… và các trung tâm gia công CNC. Các trung tâm CNC có khả năng thực hiện gia công nhiều loại bề mặt và sử dụng nhiều loại dụng cụ khác nhau. Phân chia theo hệ điều khiển có thể phân ra các loại:

- Các máy điều khiển điểm tới điểm: Với các loại máy này, trong quá trình gia công, người ta cho định vị nhanh dụng cụ đến tọa độ yêu cầu và trong quá trình dịch chuyển nhanh dụng cụ, máy không thực hiện việc cắt gọt. Chỉ đến khi đạt được tọa độ theo yêu cầu thì mới thực hiện các chuyển động cắt gọt. Ví dụ như máy khoan, khoét, máy hàn điểm,máy đột, dập…

- Các máy điều khiển đoạn thẳng: Đó là các máy có khả năng gia công trong quá trình thực hiện dịch chuyển theo các trục. Có nghĩa là dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động cắt gọt trong quá trình dịch chuyển song song theo các trục tọa độ.

28


- Các máy điều khiển đường: Đó là các máy mà dụng cụ có khả năng thực hiện gia công theo cá đường bất kỳ trong mặt phẳng hoặc trong không gian tùy thuộc vào đường điều khiển là phẳng hay không gian mà số trục được điều khiển đồng thời là khác nhau. Từ đó chia ra các máy 2 trục, 3, 4, 5 trục (tức là có số trục được điều khiển đồng thời theo quan hệ ràng buộc).

+ Máy 2D: Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong một mặt phẳng nhất định nào đó, ví dụ trên máy tiện dụng cụ sẽ dịch chuyển trong mặt phẳng xoz để tạo nên đường sinh khi tiện các bề mặt, trên máy phay 2D dụng cụ sẽ thực hiện các chuyển động trong mặt phẳng xoy để tạo nên các đường rãnh hay các mặt bậc có biên dạng bất kỳ.

+ Máy 3D: Cho phép dịch chuyển dụng cụ trong mặt phẳng đồng thời để tạo nên một đường cong hay một mặt cong trong không gian bất kỳ. Điều này tương ứng với quá trình điều khiển đồng thời cả 3 trục của máy theo một quan hệ ràng buộc nào đó tại từng thời điểm để tạo nên một vết quỹ đạo của dụng cụ theo yêu cầu.

+ Điều khiển 2D1/2: Cho phép dịch chuyển dụng cụ theo 2 trục đồng thời để tạo nên một đường cong phẳng, còn trục thứ 3 được điều khiển chuyển động độc lập. Điều khác biệt của phương pháp điều khiển này so sới điều khiển 2D là ở chỗ 2 trục được điều khiển đồng thời có thể thay đổi được vị trí cho nhau.

+ Điều khiển 4D, 5D: Trên cơ sở của điều khiển 3D người ta bổ xung cho dụng cụ hoặc chi tiết có thêm 1 hoặc 2 chuyển động quay xung quanh một trục nào đó theo một quan hệ ràng buộc với các chuyển động trên các trục khác của máy 3D. Với khả năng như vậy, có thể thực hiện gia công cá bề mặt phức tạp một cách dễ dàng hơn so với gia công trên máy 3D. Mặt khác, vì lý do công nghệ nên có những bề mặt không thể thực hiện được việc gia công bằng 3D vì có thể tốc độ cắt sẽ khác nhau hoặc sẽ có những điểm có tốc độ cắt bằng 0 (đỉnh của dao phay đầu cầu) hay lưỡi cắt của dụng cụ không thể thực hiện được việc gia công như mong muốn (ví dụ khi góc cắt không thuận lợi hay có thể bị vướng vào thân dao và các phần còn lại của chi tiết)

Tóm lại tùy vào yêu cầu gia công mà có thể chọn các loại máy CNC có số bậc tự do khác nhau nhằm đạt hiệu quả sử dụng cũng như mục đích kinh tế là lớn nhất. Việc chọn các máy CNC trong hệ thống CIM là vấn đề hết sức quan trọng. Yêu cầu đặt ra là phải cân bằng giữa việc phát huy tính linh hoạt của hệ thống và lợi ích kinh tế của hệ thống. Nếu ta chọn các máy CNC có số bậc tự do ít sẽ làm giảm tính linh hoạt của hệ thống do khó có khả năng gia công các chi tiết phức tạp. Nhưng nếu chọn máy CNC có số bậc tự do quá lớn có thể không sử dụng hết các khả năng của máy và làm giảm lợi ích kinh tế. Vì các máy CNC có số bậc tự do lớn có giá cao hơn rất nhiều so với các máy CNC có số bậc tự do thấp hơn. Đó là do việc phối hợp chuyển động của càng nhiều trục thì vấn đề điều khiển sẽ trở nên phức tạp hơn rất nhiều so với điều khiển độc lập các trục.

29


II. Robot.

Nhu cầu nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng đòi hỏi ứng dụng rộng rãi các phương tiện tự động hoá sản xuất. Đặc biệt là trong các hệ thống CIM, tính tự động hoá của hệ thống sản xuất tích hợp và yêu cầu linh hoạt trong việc thay đổi sản phẩm đòi hỏi ứng dụng một số lượng lớn các robot công nghiệp thực hiện các chức năng chủ yếu như cấp phôi cho các trung tâm gia công, gắp các chi tiết ra sau khi đã gia công, thực hiện quá trình lắp ráp tự động.

Hình 2.2. Robot trong hệ thống CIM

Để tiêu chuẩn hoá công việc thiết kế, Robot được chia làm ba phần chính:

nguồn cung cấp năng lượng, bộ điều khiển và phần tay máy. Mỗi phần trong ba

phần chính trên bao gồm nhiều bộ phận và các bộ phận có thể biến đổi để đáp ứng

tiêu chuẩn và các thông số thiết kế của mỗi Robot nhất định.

Tuỳ theo chỉ tiêu phân loại có thể có rất nhiều kiểu phân loại robot.

- Phân loại theo số bậc tự do: Robot 1, 2, 3, ... bậc tự do- Phân loại theo hệ năng lượng:

+ Robot hoạt động theo năng lượng điện+ Robot hoạt động theo năng lượng thuỷ lực

+ Robot hoạt động theo năng lượng khí nén+ Robot hoạt động theo năng lượng mặt trời

- Phân loại theo phương pháp điều khiển:

+ Robot có điều khiển số (CNC)+ Robot có điều khiển logic khả trình (PLC)+ Robot có điều khiển trí tuệ nhân tạo

Cảm biến ngoại

Cảm biến nội

Hệ thống điều khiển

Hệ thống truyền dẫn động

Dụng cụ thao tácMáy

tính

30


+ Robot có điều khiển thích nghi

- Phân loại theo hệ truyền động: Phục thuộc vào nguồn động lực ta có thể phân ra:

+ Robot với truyền động gián tiếp+ Robot với truyền động trực tiếp

- Phân loại theo cấp chính xác:

+ Cấp chính xác tuyệt đối+ Cấp chính xác lặp lại

2.1. Ứng dụng robot công nghiệp trong hệ thống CIM.

Robot là thành phần không thể thiếu trong các máy CNC. Các robot có khả năng thực hiện nhiều công việc khác nhau với tính linh hoạt cao và độ chính xác đảm bảo yêu cầu.

Trong hệ thống sản xuất CIM, các nguyên công chính được thực hiện tự động trên các trung tâm gia công là các máy CNC. Các nguyên công phụ như cấp, tháo phôi trên máy CNC, đưa chi tiết từ vị trí này đến vị trí kia trong hệ thống sản xuất, ... được thực hiện nhờ các robot công nghiệp. Các robot này thực hiện các nguyên công : gắp phôi từ các kho chứa, vận chuyển và gá đặt chúng tại vùng gia công, sau đó lại tháo các chi tiết đã gia công, vận chuyển và xếp chúng vào thùng chứa hoặc các trạm trung gian để thực hiện các nguyên công tiếp theo. Ngoài ra, trong hệ thống CIM các robot công nghiệp còn được ứng dụng rộng rãi để thực hiện các công đoạn lắp ráp tự động hay ứng dụng trong các quá trình kiểm tra sản phẩm trong dây chuyền sản xuất...

Số lượng các robot, độ chính xác và tính vạn năng của các robot trong hệ thống CIM cần phải được xác định một cách hợp lý để đảm bảo năng suất và hiệu quả kinh tế của hệ thống. Các robot có độ chính xác và tính vạn năng càng lớn giá thành sẽ càng cao nhưng bù lại chúng có khả năng thực hiện các công việc phức tạp với độ chính xác cao, chỉ cần một robot cũng có thể phục vụ được nhiều loại máy CNC cùng lúc và ít phải hiệu chỉnh robot khi chi tiết gia công thay đổi. Đối với những công việc thực hiện tại chỗ cố định và mang tính lặp lại thì nên lựa chọn những robot chuyên môn hóa, các loại robot này có năng suất làm việc cao và giá thành không quá đắt.

2.2. Các yêu cầu đối với các robot hoạt động trong hệ thống CIM.

Để đáp ứng các yêu cầu hoạt động trên trong hệ thống CIM các robot công nghiệp cần có những tính năng sau:

- Thực hiện các nguyên công một cách tự động.

- Dễ điều chỉnh khi thay đổi đối tượng sản xuất bằng cách thay đổi chương trình lập cho robot. Có khả năng thực hiện nhiều công việc với nhiều loại chi tiết khác nhau.

31


- Phải được kết nối vào mạng truyền thông của hệ thống.

- Có khả năng thực hiện các thao tác một cách nhẹ nhàng với độ chính xác cao.

- Đảm bảo làm việc ổn định theo chu trình trong thời gian dài.

- Có khả năng trang bị thiết bị kiểm tra tự động chất lượng gia công và có phần mềm lập trình riêng.

Các yêu cầu này chỉ mang tính tổng quát, đối với các nhiệm vụ cụ thể thì các yêu cầu đối với robot phải thay đổi để phù hợp với công việc và tăng hiệu quả kinh tế khi sử dụng.

32


III. Hệ thống vận chuyển tích trữ.

Hệ thống vận chuyển tích trữ có nhiệm vụ vận chuyển phôi, chi tiết, dụng cụ, phoi trong hệ thống, tích trữ các bán thành phẩm trong quá trình di chuyển giữa các nguyên công trong quy trình công nghệ.

3.1. Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển - tích trữ.

Thiết bị kỹ thuật của hệ thống vận chuyển - tích trữ chia làm 2 nhóm: nhóm thiết bị chính, nhóm thiết vị phụ.

- Nhóm thiết bị chính:

+ Các loại băng tải.

+ Các rôbốt vận chuyển.

+ Các cơ cấu vận chuyển bằng khí nén.

+ Các cơ cấu vận chuyển bằng thuỷ lực.

+ Các kho chứa.

+ Các giá đỡ.

+ Các máy xếp đống.

+ Các rôbốt công nghệ.

+ Các máy tính.

+ Các bộ vi xử lý.

+ Các đattric.

+ Các trạm điều khiển.

- Nhóm thiết bị phụ:

+ Các cơ cấu định hướng.

+ Các cơ cấu xác định địa chỉ (xác định vị trí).

+ Các thanh đẩy.

+ Các cơ cấu tháo, gạt.

+ Các ổ tích.

+ Các bàn nâng hạ.

+ Các bàn quay.

+ Các máy nâng hạ.

33


+ Các phễu rung.

+ Các xe tời vận chuyển.

+ Các cơ cấu (máy) tiếp liệu.

+ Các thùng chứa.

Một số loại băng tải trong hệ thống CIM:

Đa số các loại băng tải được gắn hệ truyền động điện, có thể là động cơ bước (servo) hoặc không (động cơ điện thường).

Với hệ băng tải gắn động cơ servo thì có khả năng điều khiển chính xác, linh hoạt hành trình của chi tiết (được vận chuyển trên băng tải) thông qua việc điều khiển số vòng quay của động cơ servo. Khi đó có thể dừng chi tiết tại bất kỳ vị trí nào trên băng tải.

Với hệ băng tải sử dụng động cơ điện thường, việc điều khiển vị trí của chi tiết là thông qua các trạm dừng đặt trên hệ băng tải. Muốn dừng chi tiết tại bao nhiêu vị trí thì trên hệ băng tải phải có bằng ấy trạm dừng. Khi chi tiết đến gần mỗi trạm dừng nào đó, nó sẽ tác động đến thiết bị cảm biến hành trình báo cho trạm đừng là có đối tượng đi vào. Thông tin này giúp cho cơ cấu kẹp giữ chi tiết hoạt động và tách chi tiết ra khỏi dòng vận chuyển của hệ băng tải.

So sánh 2 hệ băng tải trên cho thấy là hệ băng tải sử dụng động cơ servo có nhiều ưu điểm hơn sử dụng động cơ điện thông thường. Đó là sự linh hoạt và chính xác về vị trí dừng chi tiết trên băng tải, sự đơn giản về kết cấu của trạm dừng và các cơ cấu phụ trợ. Tuy vậy sử dụng động cơ servo giá thành của băng tải sẽ tăng lên. Do đó tùy vào trường hợp cụ thể có thể lựa chọn các loại băng tải khác nhau cho phù hợp.

3.2. Hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công của CIM

3.2.1. Chức năng của hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết gia công

Hệ thống vận chuyển-tích trữ chi tiết gia công của CIM thực hiện các chức năng sau:

- Vận chuyển các chi tiết gia công (phôi) trong thùng chứa hoặc trên các vệ tinh tới các vị trí tiếp nhận để bổ xung vào ổ tích có dung lượng nhỏ đặt cạnh các máy.

- Lưu trữ trong các ổ tích có dung lượng lớn các chi tiết dự trữ giữa các nguyên công trên các vệ tinh hoặc trên thùng chứa và theo lệnh của máy tính vận chuyển chúng tới vị trí tiếp nhận để tiếp tục gia công.

- Vận chuyển các chi tiết đã được gia công trên các máy tới vị trí tháo chi tiết và chuyển các vệ tinh tự do về vị trí cấp phôi hoặc ổ tích trữ.

- Vận chuyển các chi tiết đã được gia công tới vị trí kiểm tra (kiểm tra giữa các nguyên công) và chuyển chúng về vị trí tiếp nhận để gia công tiếp.

34


3.2.2. Phân loại hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết

Hệ thống vận chuyển - tích trữ chi tiết được thiết kế chủ yếu theo 3 phương án: loại giá tích trữ với máy xếp đống, loại băng tải tích trữ và phương án tổ hợp (gồm băng tải tích trữ và giá tích trữ với máy xếp đống được treo thêm giá hoặc các xe tời di chuyển trên đường ray).

Dưới đây chúng ta sẽ nghiên cứu một số hệ thống vận chuyển - tích trữ có dung lượng vừa và nhỏ dùng cho các vệ tinh của Nhật Bản và Hoa Kỳ được lắp đặt cạnh các máy CNC nhiều nguyên công trong hệ thống CIM.

Hình 2.3.. Ổ tích vệ tinh với xe tời di động của hãng Hitachi Seiki(Nhật Bản)

1: Các vệ tinh ; 2: ổ tích ; 3: Đường ray ; 4: Xe tời di động ; 5: Máy nhiều nguyên công ; 6: Cơ cơ cấu quay ; 7: Bàn quay.

Hình 2.3 là hệ thống vận chuyển - tích trữ (magazin) với xe tời di động của hãng Hitachi Seiki (Nhật Bản). Di chuyển các vệ tinh 1 từ các vị trí của ổ tích 2 tới cơ cấu quay 6 để tự động thay đổi các vệ tinh trên máy nhiều nguyên công 5 và ngược lại được thực hiện bằng xe tời di động 4 với truyền động bằng xích hoặc dây cáp. Xe tời được trang bị cơ cấu tiếp nhận – cấp phát các vệ tinh và được di chuyển trên đường ray 3. Trong ổ tích có vị trí với bàn quay 7 được dùng để gá và tháo các chi tiết gia công và để nối kết với cơ cấu vận chuyển bên ngoài hệ thống CIM.

Xe tời di động khác băng tải tích trữ ở chỗ là trên băng tải tích trữ tất cả các vệ tinh được di chuyển cùng lúc, còn xe tời di động có thể chọn một vệ tinh bất kỳ để cấp cho máy gia công. Kết cấu của xe tời di động không phức tạp, đơn giản khi vạn hành và được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống vận chuyển - tích trữ như

35


một cơ cấu vận chuyển, đảm bảo mối liên kết giữa ổ tích (magazin) vệ tinh và các chỗ làm việc của công nhân.

Hệ thống vận chuyển - tích trữ với xe tời di động cho phép phục vụ một số máy nhiều nguyên công và có thể được sử dụng để vận chuyển nhiều loại chi tiết gia công khác nhau.

Hình 2.4 là hệ thống vận chuyển - tích trữ với băng tải tích trữ trong CIM của hãng Cincinnati Milacron (Hoa Kỳ). Hệ thống CIM này có 4 máy CNC nhiều nguyên công 4 và hệ thống vận chuyển - tích trữ các vệ tinh với băng tải tích trữ con lăn 1 khép kín và các ổ tích con lăn phụ trợ giảm xung 6 đặt cạnh mỗi máy của CIM. Ngoài ra mỗi máy còn có trên bàn một vị trí chờ bổ xung 3 cho vệ tinh, nó cho phép giảm thời gian dừng của máy khi thay đổi vệ tinh.

Hình 2.4. Hệ thống vận chuyển-tích trữ vệ tinh trong CIM của hãng Cincinnati Milacron (Mỹ). 1: Băng tải tích trữ con lăn; 2: Cơ cấu quay; 3: Vị trí bàn bổ

xung; 4: Các máy nhiều nguyên công; 5: Cơ cấu tiếp nhận-cấp phát; 6: ổ tích con lăn phụ trợ; 7: Vị trí cấp chi tiết; 8: Vị trí tháo chi tiết.

Di chuyển vệ tinh từ các nhánh dọc của băng tải sang các nhánh ngang và từ các nhánh ngang sang các nhánh dọc được thực hiện bằng các cơ cấu quay 2. Di chuyển của vệ tinh từ các ổ tích giảm xung sang vị trí chờ của máy và ngược lại được thực hiện nhờ các cơ cấu tiếp nhận - cấp phát 5 đựpc đặt đối diện các vị trí chờ của các máy. Băng tải tích trữ trung tâm có các nhánh tạo thành một bộ phận với các vị trí cấp chi tiết 7 và tháo chi tiết 8.

36


3.3. Hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ của CIM.

Hiệu quả gia công trên máy CNC của hệ thống CIM phụ thuộc rất nhiều vào sự thay đổi các dụng cụ mà các chỉ tiêu công nghệ của chúng là: tuổi bền, chủng loại chi tiết gia công. Tổ chức vận hành dụng cụ cắt trong hệ thống CIM bao gồm:

- Tiếp nhận dụng cụ cắt và dụng cụ phụ.

- Sắp xếp theo dõi trạng thái của dụng cụ khi gia công chi tiết và thay đổi dụng cụ kịp thời.

- Giữ gìn và bảo quản dụng cụ 1 cách có hệ thống .

3.3.1.Chức năng của hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ.

- Tự động vận chuyển và phân phát dụng cụ cho các máy gia công của CIM.

- Thực hiện cấp và tháo dụng cụ từ các magazin của các máy khi chuyển đổi đối tượng gia công và lưu giữ chúng ở các ổ tích trung tâm.

- Đưa các dụng cụ ra ngoài từ các máy của CIM để hiệu chỉnh và mài sắc.

- Đưa vào các máy của CIM các dụng cụ mới.

3.3.2. Một số loại hệ thống vận chuyển - tích trữ dụng cụ.

Các máy CNC nhiều nguyên công đều có các magazin dụng cụ (ổ tích dụng cụ) để sắp đặt dụng cụ và các cơ cấu để tự động thay đổi dụng cụ theo 1 trình tự đã định là từ magazin tới trục chính của máy và ngược lại.

Các magazin dụng cụ có dung lượng từ 12 - 60 dụng cụ. Khi số dụng cụ < 12 người ta dùng đầu revonve. Magazin có dung lượng từ 12 - 30 chiếc được thiết kế theo kết cấu dạng trống (đĩa), còn magazin có số lượng >50 được thiết kế theo kết cấu dạng xích.

37


Hình 2.5. Hệ thống vận chuyển-tích trữ dụng cụ dạng xích của hãng Hitachi Seiki(Nhật Bản). 1: ổ tích dụng cụ; 2: Magazin(ổ chứa) dụng cụ; 3: Máy;4: Vệ

tinh; 5: cơ cấu tiếp nhận.

Các magazin dụng cụ 2 được lắp đặt trong ổ tích 1 của hệ thống. Để gia công chi tiết, một trong số các magazin dụng cụ được tự động gá trên cơ cấu tiếp nhận 5 được lắp đặt trên trụ đứng của máy 3. Trụ này có các sống trượt để di chuyển đầu trục chính. Khi 1 chi tiết khác trên vệ tinh 4 được chuyển tới máy thì magazin dụng cụ (vị trí B) quay trở về vị trí tự do (vị trí C) của ổ tích, còn từ ổ tích (vị trí A) magazin dụng cụ khác được chuyển tới cơ cấu tiếp nhận 5 để gia công chi tiết vừa được chuyển tới.

Để thay đổi magazin dụng cụ, trụ đứng của máy di chuyển theo toạ độ X cho tới khi trục của cơ cấu tiếp nhận 5 trùng với trục của 1 trong các magazin dụng cụ nằm trong ổ tích 1. Quá trình thay đổi magazin dụng cụ được thực hiện 1 cách tự động theo lệnh của cơ cấu điều khiển số hoặc của máy tính hoặc từ trạm điều khiển trung tâm.

3.4. Điều khiển hệ thống vận chuyển - tích trữ.

Điều khiển hệ thống vận chuyển tích trữ được chia ra làm hai mức.

Mức 1 (Các cơ cấu tự động khu vực để điều khiển thiết bị vận chuyển, các máy xếp đống, các rôbốt vận chuyển):

Mức này giải quyết việc điều khiển truyền động của các hệ thống vận chuyển, định vị chính xác cơ cấu vận chuyển tại chỗ làm việc, dừng cơ cấu vận chuyển khi có tín hiệu báo hỏng hóc, cấp và tháo các ổ tích trữ, xử lý và truyền tín hiệu để kiểm tra và chuẩn đoán.

- Các thiết bị kỹ thuật của mức 1 gồm:

+ Các đattric để xác định luồng hàng (có thể có hay không)

+ Các đattric vị trí của cơ cấu vận chuyển

+ Các đattric đo mức của các ổ tích trữ

+ Các đattric đo lực

+ Các đattric an toàn: tiếp xúc, không tiếp xúc, dung lượng, cảm biến, đo biến dạng, quang điện

+ Các thiết bị đo

+ Các máy vi tính

Mức 1 được thiết kế theo môđun có độ ổn định cao, tín hiệu đầu ra được chuẩn hoá, có thể kiểm tra tích cực độ chính xác hoạt động của các thiết bị. Sử dụng máy vi tính điều khiển cho phép thực hiện các chức năng điều khiển logic (theo địa chỉ, ngắt đường, chuyển chế độ làm việc của cơ cấu truyền động, điều khiển của cơ cấu truyền động) bằng các chương trình.

38


Mức 2 (Điều khiển luồng hàng của sản xuất):

Mức này giải quyết việc điều khiển hành trình chuyển động của cơ cấu vận chuyển, kiểm tra và chuẩn đoán các sai số, tính toán chuyển động của hàng hoá.

Các cơ cấu điều khiển mức 1 phải tự động hoá hoàn toàn quá trình vận chuyển, tích hợp với hệ thống điều khiển của mức 2, có tính linh hoạt với sự thay đổi luồng hàng vận chuyển. Nhờ máy vi tính cho phép nối kết mức điều khiển 1 với mức điều khiển 2 và tạo cho hệ thống có tính linh hoạt.

Hệ thống tự động kiểm tra và chuẩn đoán hoạt động của hệ thống vận chuyển - tích trữ, tập hợp thông tin trạng thái của hệ thống và các phần tử điều khiển (trạng thái ban đầu và trạng thái hiện hành), xử lý thông tin này theo thuật toán đã định, ra quyết định về khả năng hoạt động tiếp tục của các phần tử trong hệ thống vận chuyển - tích trữ, truyền thông tin về sai số cho công nhân ở trạm điều khiển.

39


IV. Kho chứa.

Kho chứa tự động là nơi tiếp nhận, lưu trữ các vật liệu đầu vào (phôi), các thiết bị phụ trợ, các chi tiết thành phẩm, phế phẩm và chất thải của quá trình sản xuất. Qua đó ta có thể quản lý được số lượng của phôi ban đầu, thành phẩm và phế phẩm, từ đó đánh giá được năng suất sản xuất, chất lượng sản phẩm. Đồng thời đưa ra sự hiệu chỉnh về thông số kỹ thuật của quá trình gia công để đảm bảo hiệu quả của hệ thống CIM.

4.1. Thành phần của kho chứa tự động.

Kho chứa tự động bao gồm các thành phần sau:

- Khu lưu giữ hàng hoá.

- Khu tiếp nhận và chuyển hàng hoá tới hệ thống vận chuyển.

- Khu xếp đặt các chi tiết hoặc sản phẩm trong thùng chứa.

- Khu tiếp nhận và chuyển hàng hoá từ khu lưu giữ.

Vì đa số các kho chứa tự động được chế tạo theo kiểu giá đỡ, nên chúng có kết cấu gồm các thành phần sau:

- Các cơ cấu giá đỡ: Là nơi chứa hàng hoá

- Các máy xếp đống tự động.

- Các thùng chứa.

- Các cơ cấu để cấp và tháo các thùng chứa.

- Các cơ cấu để vận chuyển thùng chứa từ ổ tích tới hệ thống vận chuyển và ngược lại.

- Các thiết bị điều khiển tự động kho chứa: Để điều khiển các máy xếp dỡ hàng hoá 1 cách chính xác từ thùng chứa tới ô chứa đang trống (có thể chứa hàng trên giá đỡ).

4.2. Các loại kho chứa tự động.

4.2.1. Dạng giá cần cẩu.

Với kết cấu gồm 1 máy cần cẩu để nâng hạ hàng hoá từ các giá chứa tới các ổ tích và ngược lại rất linh hoạt. Tuy nhiên có hạn chế là dung lượng ổ chứa không lớn. Song do có khả năng tự động hoá cao, với lại diện tích nhỏ gọn nên được sử dụng phổ biến trong các hệ thống CIM cũng như FMS.

40


Hình 2.6. Các sơ đồ của các kho chứa tự động có dạng giá cần cẩu .

B: chiều rộng của giá, BP : chiều rộng của bước dùng cho máy cần cẩu .

LH : chiều dài ổ tích trữ, H: chiều cao kho chứa, hH : chiều cao ổ tích trữ

1: máy cần cẩu , 2: giá, 3: ổ tích trữ.

4.2.2. Dạng cần cẩu cầu

Với 1 máy cần cẩu dạng cầu có thể di chuyển ngang, dọc, lên xuống và có thể quay quanh 1 trục nên rất linh hoạt khi xếp dỡ hàng hoá. Dạng kho chứa cần cẩu cầu khắc phục được nhược điểm của dạng giá cần cẩu đó là dung lượng lớn hơn nhiều. Dạng cần cẩu cầu có đến 3 giá, 4 giá hoặc 6 giá chứa hàng trong khi dạng giá cần cẩu chỉ có 1 hoặc 2 giá chứa là cùng. Nhưng do có nhiều giá chứa nên diện tích mặt bằng lớn, và năng suất của máy cần cẩu cầu không cao nên chỉ sử dụng cho sản xuất hàng loạt nhỏ.

Hình 2.7. Các sơ đồ của các kho chứa tự động có dạng cần cẩu cầu.

41


a: Loại có 3 giá ; b: Loại có 4 giá ;

1: máy cần cẩu dạng cầu ; 2: các giá.

4.2.3.Dạng giá trọng lực.

Với kết cấu giá nghiêng lợi dụng trọng lực để cấp và thoát phôi từ đầu cao này sang đầu thấp kia. Tại 2 đầu của giá nghiêng có các bộ trượt tự động để tiếp nhận phôi. Dạng kho chứa này chỉ dùng cho 1 số loại chi tiết nhất định, do đó tính linh hoạt không cao.

Hình 2.8. Kho chứa tự động có dạng giá trọng lực.

1: Bộ trượt tự động ; 2: Giá trọng lực ; 3: Cơ cấu cấp thoát phôi(chi tiết)

4.3. Bố trí các kho chứa tự động trong hệ thống CIM.

Các kho chứa tự động được đặt gần các thiết bị công nghệ (các máy CNC). Khi ấy các máy cần cẩu tự động (của kho chứa tự động) không chỉ thực hiện việc xếp đặt mà còn cấp phát vật tư, phôi và sản phẩm hoàn thiện. Do đó tiết kiệm được diện tích sản xuất, nâng cao độ ổn định của cả hệ thống vận chuyển - kho chứa, tăng năng suất và hạ giá thành sản phẩm.

42


Hình 2.9. Mặt bằng kho chứa tự động có dạng giá cần cẩu.

1: Phần diện tích bố trí các máy ; 2: Các cơ cấu cấp phát và ổ tích; 3: Bộ phận kiểm tra đầu vào ; 4: Kho chứa tự động ; 5: Kho chứa tổ hợp (chứa vật liệu, phôi,

dụng cụ, thùng chứa, sản phẩm ); 6: Hướng di chuyển của vật liệu, phôi, thùng chứa rỗng, dụng cụ ; 7: Lối ra của thành phẩm và phế phẩm 8: Bộ phận kiểm tra.

Hình 2.10. Sơ đồ mặt bằng kho chứa có dạng cần cẩu cầu.

1, 2, 3, 5, 6, 7, 8 (xem hình2.9.): Phần diện tích bố trí các máy;

2: Các cơ cấu cấp phát và ổ tích ; 3: Bộ phận kiểm tra đầu vào ;

43


4: Kho chứa ; 9: Lối ra của chất thải sản xuất.

Hình 2.11. Sơ đồ mặt bằng kho chứa dạng giá trọng lực.

1: Đường vào vật liệu, phôi, thùng chứa rỗng, dụng cụ; 2: Bộ phận kiểm tra đầu vào ; 3: Các cơ cấu cấp phát và ổ tích trữ ; 4: Các kho chứa phôi, dụng cụ, sản

phẩm ; 5: Các rôbốt vận chuyển ; 6: Bộ phận bố trí các máy gia công; 7: Bộ phận kiểm tra ; 8: Lối ra của thành phẩm và phế phẩm.

44


V. Hệ thống điều khiển.

Hệ điều khiển của hệ thống CIM gồm có phần cứng và phần mềm.

Phần cứng của hệ điều khiển là mạch điều khiển các thiết bị của hệ thống CIM. Hiện nay phần cứng của các hệ thống CIM đều sử dụng các bộ PLC. Các bộ PLC có rất nhiều ưu điểm và là sự lựa chọn tối ưu cho các hệ thống CIM, đó là khả năng làm việc trong môi trường công nghiệp, có khả năng điều khiển nhiều loại thiết bị, có khả năng lập trình linh hoạt, kích thước nhỏ gọn, các đầu vào/ra lớn.

Phần mềm của hệ thống điều khiển chính là phần mềm tích hợp CIM SOFT. Phần mềm có nhiệm vụ kết nối tất cả các thành phần của hệ thống, thực hiện giao tiếp giữa người sử dụng và hệ thống, thực hiện công việc điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống.

5.1. Bộ điều khiển logic khả lập trình PLC trong các hệ thống CIM

PLC được phát triển dựa trên cơ sở kỹ thuật Vi Xử Lý, hay nói một cách khác sự phát triển cao của kỹ thuật máy tính là nền tảng cho PLC ra đời. Nó cho phép ta thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Ngày nay trong công nghiệp PLC (còn được gọi là các máy tính công nghiệp) ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ tính linh hoạt của một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh, như với các PLC khác, với các thiết bị phụ trợ trong hệ thống và với máy tính.

Các chức năng điều khiển của PLC có thể được phân loại thành 4 dạng sau:

- Điều khiển on-off (on-off control)

- Điều khiển dãy (sequential control)

- Điều khiển phản hồi (feedback control)

- Điều khiển sự chuyển động (motion control)

Các bộ PLC cung cấp hệ điều khiển thích hợp cho các máy móc và các ứng dụng trong công nghiệp, chỉ với một máy tính để lập trình cho PLC, thay vì phải sử dụng các thiết bị phần cứng cồng kềnh như: các cuộn Rơle và các công tắc điện. Các bộ PLC có thể điều khiển thích hợp với bất kỳ loại máy móc hay hệ thống công nghiệp nào như:

- Các Robot.

- Điều khiển môi trường trong các công trình xây dựng.

- Các dây chuyền lắp ráp.

- Các hệ thống an toàn.

- Các dây truyền tự động.

45


Về cơ bản, chức năng của bộ điều khiển Lôgic khả lập trình cũng giống như chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các Rơle hoặc các thành phần điện tử khác nhưng ở PLC mang tính nhỏ gọn và linh hoạt hơn trong việc thay đổi các ứng dụng điều khiển mà không phải thay đổi phần cứng điều khiển. Sau đây là các chức năng chính của PLC:

- Thu nhận các tín hiệu đầu vào và phản hồi (từ các cảm biến, các công tắc hành trình).

- Liên kết, ghép nối lại và đóng mở mạch phù hợp với chương trình.

- Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các thông tin thu được từ các đầu vào.

Đưa các lệnh điều khiển đó đến các địa chỉ thích hợp ở đầu ra

Hình 2.12. Chức năng của PLC

46

Nút bấm và

công tắc lôgic giới hạn

Bộ quan sát

báo động về

dầu nhờn và nhiệt độ

Bộ khống chế

áp suất, nhiệt độ

và các thông số

nguồn

Đầu vào

thủ công

Đầu vào

Các môđun

của PLC

Đầu ra

Mạch ghép phối

Bộ xử lý

Lưu trữ chương trình

chức năng phụ

Cuộn từ Đèn Van

Mạch ghép phối

PLC


Các ưu điểm khi sử dụng PLC:

PLC đặc trưng cho một máy tính có sự tiêu tốn điện áp là rất thấp, tốc độ truy cập cao và tính linh động trong việc thay đổi ứng dụng điều khiển. Bằng cách thay thế các bộ phận cơ khí bằng một bộ PLC, việc điều khiển một quá trình công nghệ sẽ trở nên nhanh hơn, rẻ hơn và do đó đem lại hiệu quả cao hơn. Có nhiều lý do cho thấy PLC là một sự lựa chọn tốt hơn so với việc sử dụng các cuộn rơle hay là một máy tính chuẩn dùng cho việc điều khiển.

- Chiếm ít không gian: Một bộ PLC yêu cầu ít không gian hơn một máy tính hoặc một bảng Rơle với cùng một công việc thực hiện.

- Giá thành thấp hơn: Giá mua một bộ PLC chỉ bằng cỡ 4 hoặc 5 cái rơle, nhưng nó lại có thể thay thế công việc của hàng trăm rơle.

- Bền vững trong môi trường làm việc công nghiệp : Vỏ bọc của một bộ PLC được tạo ra với đủ độ cứng để có thể bền vững trong môi trường làm việc khắc nghiệt trong một nhà máy. Trong khi đó, vỏ các máy tính không được chế tạo để đáp ứng được các yêu cầu này.

- Sử dụng giao diện kết nối trực tiếp: Các máy tính tiêu chuẩn yêu cầu một hệ thống phức tạp và bị hạn chế trong việc giao diện hay kết nối với những thiết bị khác. Trong khi đó giao diện của một bộ PLC cho phép kết nối trực tiếp với các thiết bị khác.

- Dễ dàng trong việc lập trình: Các bộ PLC thường sử dụng một ngôn ngữ lập trình gọi là logic bậc thang. Đây là một ngôn ngữ được tạo nên dựa trên những tiêu chuẩn công nghiệp về các biểu tượng trong các hệ thống phần cứng rơle, và các tiêu chuẩn này thì đã trở nên quen thuộc với những nhà kĩ thuật trong công nghiệp.

- Tính linh hoạt: Việc thay đổi các thiết bị phần cứng điều khiển luôn luôn phức tạp hơn so với việc thay đổi phần mềm (thay đổi chương trình lập trình) khi mà các ứng dụng của ta thay đổi. Các bộ PLC cho phép chúng ta khả năng linh hoạt trong việc thay đổi các ứng dụng cần thực hiện bằng cách thay đổỉ chương trình lập cho bộ điều khiển PLC. Trong khi ta chỉ cần lập lại chương trình theo đúng ứng dụng yêu cầu và thay đổi kết nối các đầu vào, đầu ra thì với một bộ các rơle, khi muốn thay đổi ứng dụng ta phải mất rất nhiều thời gian cho công việc nối các dây dẫn và thay đổi cấu trúc mạch.

47


5.2. Phần mềm tích hợp.

Phần mềm nhiệm vụ có chức năng thực hiện các giao tiếp giữa người sử dụng với toàn bộ hệ thống CIM, điều khiển các chức năng của hệ thống cũng như chức năng của từng bộ phận trong hệ thống. Mỗi hãng sản xuất khác nhau đều xây dựng cho mình những phiên bản khác nhau của phần mềm tích hợp. Một phần mềm tích hợp cơ bản gồm các chức năng sau:

- Inventory Management: Quản lý vật tư hàng hoá

- Product Planning: Lập kế hoạch sản xuất

- Manufacturing Management: Quản lý quá trình gia công

- Product Scheduling: Đặt lịch sản xuất

- System Communication: Truyền thông của hệ thống

- Station Programming: Lập trình cho rôbốt

- User PLC Programming: Lập trình PLC ứng dụng

- Facilities Layout: Sơ đồ bố trí cá trạm của hệ thống.

- System Simulation: Sơ đồ mô phỏng theo hệ thống

- System Operation: Hoạt động của hệ thống.

Quản lý vật tư hàng hóa.Đây là nơi chứa các thông tin để xác định tổng vật tư sử dụng trong hệ thống,

các thông tin gồm có: + Số hiệu vật tư: Để làm mã trong chương trình điều khiển robot.+ Mô tả vật tư: Tên vật tư.+ Kiểu gia công: Kiểu phôi thô, kiểu mua sẵn, kiểu bán thành phẩm, kiểu chế

tạo, kiểu thành phẩm.+ Đơn vị tính.+ Đặt thời gian gia công dự tính+ Giá tiền của sản phẩm.Các thông tin về vật tư do được nhập vào và sau quá trình tính toán phần mềm

có thể đưa ra các thông tin giúp cân bằng vật tư để đảm bảo hiệu quả kinh tế của sản xuất.

Lập kế hoạch sản xuất.

Là nơi xác định tiến trình chung từ đó xác lập các bước công nghệ cho sản phẩm. Từ các thông tin về vật tư đầu vào và sản phẩm đầu ra, hệ thống sẽ xác định quy trinh công nghệ gia công chi tiết, loại máy gia công chi tiết. Nhờ đó mà hệ thống CIM có được sự linh hoạt, năng suất và hiệu quả kinh tế cao.Các chi tiết khác nhau sẽ được gia công trên số lượng máy khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của sản phẩm. Cùng trên một dây chuyền hệ thống CIM có thể cùng lúc gia công

48


nhiều loại chi tiết với quy trình công nghệ khác nhau, thời gian gia công khác nhau, yêu cầu sản phẩm khác nhau.

Quản lý quá trình gia công.

Phần này thực hiện chức năng lưu giữ, thay đổi lượng chi tiết đã gia công của hệ thống, lượng chi tiết sẽ gia công trong thời gian tới. Khi hệ thống CIM có sự cố và phải ngừng gia công để sửa chữa thì các thông tin này sẽ được sử dụng để tiếp tục thực hiện công việc gia công khi hệ thống CIM sản xuất trở lại.

Đặt lịch sản xuất.

Là nơi xác định lịch thời gian cho quá trình sản xuất, cho các trung tâm gia công. Thời gian bắt đầu gia công, thời gian kết thúc gia công, thời gian phụ… đặt cho 1 ngày nào đó của mỗi trung tâm gia công. Cũng có thể đặt lịch sản xuất cho hệ thống trong một thời gian dài để thực hiện gia công các đơn đặt hàng với số lượng lớn.

Truyền thông của hệ thống.

Cho biết sự kết nối giữa các môđun trong hệ thống CIM, trạng thái của từng môđun cũng như từng trạm đã được sẵn sàng hay chưa. Tại đây có thể kiểm tra các đầu vào ra, kiểm tra sự liên thông giữa các trạm trong CIM. Chức năng này cho phép giảm số lượng nhân viên kiểm tra của hệ thống CIM vì chỉ cần qua màn hình đã có thể xác định được các trạng thái làm việc của một hệ thống CIM lớn. Việc kiểm tra này được phần mềm tiến hành liên tục trong cả quá trình gia công cũng như quá trình chuẩn bị của hệ thống CIM qua đó có thể xử lý kịp thời, giảm sự cố của hệ thống.

Lập trình cho robot.

Chức năng này của phần mềm tích hợp cho phép lập trình cho các robot một cách nhanh chóng tùy theo nhiệm vụ của các robot khi gia công các chi tiết khác nhau.

Lập trình PLC.

Các ứng dụng của PLC cũng được lập trình ngay trên phần mêm tích hợp. Khả năng này giúp cho việc lập trình trở nên dễ dàng hơn và không cần sử dụng các chương trình lập trình đi kèm với các PLC.

Sơ đồ bố trí các trạm của hệ thống CIM

Các phần mềm tích hợp không chỉ có khả năng điều khiển tích hợp các thành phần của hệ thống CIM mà còn có khả năng thể hiện dưới dạng mô phỏng hình dạng, vị trí tương quan của các thành phần, các trạm trong hệ thống CIM. Nó giúp cho giao tiếp giữa người sử dụng và hệ thống trở nên dễ dàng hơn. Có được điều này là do mỗi hệ thống CIM đều có một phần mềm tích hợp đi kèm.

Do các hệ thống CIM có tính linh hoạt cao, có thể thêm hay bớt các thành phần nên các phần mềm tích hợp cũng phải có khả năng đáp ứng điều này. Mỗi khi hệ

49


thống có sự thay đổi thì cần bổ xung sự thay đổi đó vào phần mềm tích hợp. Các phần mềm tích hợp có hỗ trợ các công cụ để người sử dụng có thể thực hiện các thay đổi này một cách dễ dàng.

Sơ đồ mô phỏng hệ thống.

Ngoài việc mô phỏng lại hình dạng và vị trí tương quan giữa các thành phần trong hệ thống CIM, phần mềm tích hợp còn có khả năng mô tả hoạt động của các thành phần. Trước khi thực hiện sản xuất thực, phần mềm tích hợp sẽ mô phỏng hoạt động của hệ thống để tránh gặp sự cố khi sản xuất thật. Điều này cho phép hệt thống CIM giảm tối đa các sự cố do lỗi lập trình gây ra.

Hoạt động của hệ thống.

Trong quá trình hệ thống hoạt động, các tín hiệu từ hệ thống luôn được phần mềm tích hợp thu nhận và theo dõi để xử lý kịp thời các sự cố. Nhờ có chức năng này mà hệ thống CIM có thể giảm tối đa nhân công mà vẫn đảm bảo được yêu cầu giám sát liên tục trong quá trình sản xuất.

50


VI. Hệ thống kiểm tra.

Hệ thống kiểm tra tự động thể hiện khả năng tự động hoá cao vì không có sự tham gia của con người. Trong hệ thống CIM, hệ thống kiểm tra có các chức năng:

- Nhận và trình thông tin về các tính chất, trạng thái kỹ thuật và cách bố trí không gian của các đối tượng được kiểm tra, đồng thời kiểm tra trạng thái của môi trường công nghệ và điều kiện sản xuất.

- So sánh giá trị thực tế với giá trị danh nghĩa của thông số.

- Truyền thông tin về sự không tương thích với các mô hình của quá trình sản xuất để kịp thời hiệu chỉnh trên các cấp điều khiển khác nhau của hệ thống CIM.

- Nhận và trình thông tin về thực hiện chức năng.

Hệ thống kiểm tra tự động của CIM phải đảm bảo chất lượng sản phẩm bằng cách kiểm tra vật liệu, phôi, dụng cụ,đồ gá, chế độ cắt, thử sản phẩm, các thông số của thiết bị công nghệ và sản phẩm trên tất cả các giai đoạn của quá trình chế tạo. Ngoài ra phải đảm bảo hiệu quả cao nhất của CIM bằng cách kiểm tra và chuẩn đoán các rôbốt công nghệ, các thiết bị gia công tự động, kỹ thuật tính toán và kỹ thuật lập trình.

6.1. Các dạng kiểm tra

Dấu hiệu phân loại Dạng kiểm tra

Mục đích kiểm traChất lượng sản phẩm

Khả năng làm việc của thiết bị

Nhiệm vụ được giải quyết

Tiếp nhận

Dự phòng

Chuẩn đoán

Tác động với đối tượng

Tích cực: trực tiếp và gián tiếp

Thụ động: sau mỗi nguyên công, sau vài nguyên công

Thông số: định lượng, dung sai

Chức năng hoạt động

Giải quyết kết cấuBên trong (tự kiểm tra)

Bên ngoài

Thực hiện theo thời gian

Liên tục (trong quá trình hoạt động)

Chu kỳ

51


Ngoài các dạng kiểm tra trên, cần phải kiểm tra các điều kiện sản xuất, gắn liền với kỹ thuật an toàn (điều kiện sản xuất thông thường là các yếu tố tác động bên ngoài như: nhiễm bụi, nhiệt độ và độ ẩm không khí). Kiểm tra đó để đảm bảo an toàn cho người công nhân, giữ cho thiết bị không bị hỏng hóc và nhằm đạt chất lượng sản phẩm cao nhất.

6.2. Cấu trúc của hệ thống kiểm tra tự động.

Có 3 mức: mức cao, trung bình, thấp. Hệ thống kiểm tra tự động cho phép xác định đối tượng và thiết bị kiểm tra đối tượng với từng mức (cao, trung bình, thấp).

6.2.1. Mức cao.

Đảm bảo kiểm tra tổng hợp tất cả các tế bào tự động (môđun tự động) để phối hợp hoạt động, để điều chỉnh và sửa chữa, để truyền tải thông tin tới trạm điều khiển của CIM và để giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Tiếp nhận, xử lý và tổng hợp thông tin từ mức thấp hơn( từ các tế bào tự động).

- Kiểm tra khối lượng và chất lượng sản phẩm và cung ứng vật chất—kỹ thuật(vật liệu, dụng cụ, ...).

- Kiểm tra các nguyên công được thực hiện trên các tế bào tự động.

- Tự kiểm và kiểm tra hoạt động của mức thấp hơn.

Đối tượng kiểm tra ở mức cao là tất cả các tế bào tự động điển hình( tế bào gia công, vận chuyển, kho chứa, đo—kiểm tra, tế bào thử nghiệm) và chỗ làm việc của công nhân. thiết bị kiểm tra là tổ hợp máy tính điều khiển trên cơ sở các máy tính nhỏ.

6.2.2. Mức trung bình.

Đảm bảo kiểm tra tế bào tự động và truyền lên mức cao thông tin tổng hợp về tính chất, trạng thái kỹ thuật và vị trí không gian của các đối tượng được kiểm tra và của các bộ phận của tế bào tự động. Hệ thống kiểm tra tự động ở mức trung bình giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Tiếp nhận và xử lý thông tin về các thông số được kiểm tra, về các thông số hoạt động của tế bào tự động, về các thông số của môi trường công nghệ và truyền thông tin lên mức cao.

- Kiểm tra chất lượng gia công trên các tế bào tự động.

- Kiểm tra các nguyên công.

- Tự kiểm và kiểm tra hoạt động của mức thấp hơn.

Đối tượng kiểm tra mức này là tế bào tự động (gồm tất cả các hệ thống tự động cơ sở). Thiết bị kiểm tra là tổ hợp máy tính điều khiển trên cơ sở các máy tính nhỏ.

52


Tổ hợp máy tính điều khiển gồm: các máy tính, thiết bị nối kết với các đầu cuối ở xa và mạng máy tính nội bộ và các thiết bị nâng cao độ ổn định của hệ thống.

6.2.3. Mức thấp.

Đảm bảo kiểm tra đối tượng gia công, trạng thái kỹ thuật và vị trí không gian của các bộ phận của máy CNC, của rôbốt cấp phôi, của thiết bị kiểm tra tự động. Hệ thống kiểm tra tự động ở mức thấp giải quyết các nhiệm vụ sau:

- Tiếp nhận và xử lý thông tin về các thông số được kiểm tra và truyền thông tin lên mức trung bình.

- Kiểm tra hoạt động của các bộ phận máy.

- Truyền thông tin tới hệ thống phục vụ để chuẩn đoán các hỏng hóc của dụng cụ và thiết bị.

Đối tượng kiểm tra là các thành phần của hệ thống tự động cơ sở như cơ cấu điều khiển, cơ cấu chuyển đổi, cơ cấu chấp hành, đối tượng gia công. Thiết bị kiểm tra là các đattric đo lực cắt (dùng cho các máy cắt kim loại), các đattric xác định vị trí (dùng cho rôbốt), đattric hành trình (dùng cho rôbốt vận chuyển), các đattric nhiệt độ, đattric áp suất, đattric độ ẩm, ...(dùng cho kiểm tra môi trường công nghệ).

6.3. Chế độ hoạt động của hệ thống kiểm tra tự động.

Chế độ khởi động.

Chế độ khởi động bắt đầu từ việc hỏi (kiểm tra) tất cả các phần tử và các hệ thống của CIM. Khi đó hệ thống kiểm tra tự động thực hiện việc chuẩn đoán trạng thái kỹ thuật của các phần tử và hệ thống, phát hiện đầu ra của tất cả các hệ thống ở vị trí ban đâu, kiểm tra hoạt động của lệnh này, kiểm tra sự tồn tại và mã số của các phôi và dụng cụ. Trong quá trình kiểm tra các khuyết tật sẽ bị loại bỏ.

Chế độ làm việc

Hệ thống kiểm tra tự động cho phép kiểm tra chất lượng chế tạo sản phẩm, kiểm tra dòng sản phẩm, kiểm tra dụng cụ, năng lượng, thông tin, kiểm tra hoạt động của các hệ thống phụ trợ (làm sạch phoi, rửa chi tiết, làm lạnh, vận chuyển phoi, hút bụi, cấp dung dịch trơn nguội, điều hoà không khí, ...), kiểm tra trạng thái kỹ thuật của tất cả các phần tử và các hệ thống trong CIM.

Chế độ điều chỉnh

Thông tin điều khiển được chuyển tới máy tính của mức cao (mức kiểm tra cao nhất trong hệ thống kiểm tra tự động). Thông tin điều khiển này cho phép điều chỉnh lại các hệ thống kiểm tra ở mức trung bình và mức thấp. Máy tính của mức thấp xác định tất cả các thông số cần kiểm tra của đối tượng gia công.

53


Chế độ dừng theo kế hoạch

Đây là chế độ hoạt động đặc biệt, nó cho phép khởi động tiếp theo không phải từ thời điểm làm việc ban đầu của hệ thống, mà từ thời điểm nó được dừng theo kế hoạch. Chế độ này, quá trình gia công trên các máy được kết thúc, hệ thống tự động thực hiện việc tháo và gá chi tiết, đưa các bộ định vị tự động về vị trí ban đầu, ghi trạng thái của CIM trên băng từ, ngắt tất cả các trạm cấp năng lượng. Nhiệm vụ của hệ thống kiểm tra tự động trong trường hợp này là kiểm tra quá trình xử lý tín hiệu điều khiển. Ngoài ra, vì các hệ thống của CIM ngừng hoạt động nên có thể tiến hành việc chuẩn đoán các hệ thống và điều phối thông tin cho các thợ điều chỉnh và các thợ sửa chữa.

Chế độ dừng để sửa chữa hỏng hóc

Chế độ này được thực hiện với tất cả các mức kiểm tra của hệ thống kiểm tra tự động. Với mức thấp, chế độ này xuất hiện bằng giới hạn của phế phẩm cho phép và bằng sai số của các thông số của hệ thống tự động cơ sở hoặc của các thiết bị kiểm tra. Tín hiệu về tình trạng phải dừng để sửa chữa từ các mức kiểm tra được chuyển tới mức kiểm tra cao hơn và được xử lý ở trạm điều khiển của CIM.

6.4. Kiểm tra trạng thái kỹ thuật của các phần tử và môđun trong CIM

Độ ổn định của CIM được đảm bảo bằng độ ổn định của các phần tử trong hệ thống và bằng kiểm tra thường xuyên khả năng làm việc của máy, của đồ gá, của dụng cụ, của rôbốt, của kho chứa, của các thiết bị điều khiển và máy tính.

Có 2 phương pháp kiểm tra:

- Kiểm tra trực tiếp: Sử dụng khi các thông số được đo trực tiếp, ví dụ: độ chính xác định vị, độ mòn của dụng cụ cắt. Cần phải có thiết bị kiểm tra chuyên dụng cho đa số các thông số.

- Kiểm tra gián tiếp: Sử dụng khi trạng thái kỹ thuật của đối tượng có thể được đánh giá theo chức năng hoạt động của nó, ví dụ: nếu hệ thống kiểm tra ghi nhận không có sự sai số thì điều này cho thấy trạng thái của dụng cụ cắt là bình thường.

Dưới đây là các thông số cần xác định khi chuẩn đoán để kiểm tra cho các phần tử sau:

Tế bào gia công tự động

Trên tế bào gia công tự động (máy gia công), các thông số cần chuẩn đoán là: mômen trục truyền động trung tâm, nhiệt độ ở mũi dao cắt, độ mòn của các sống trượt, rung động của máy, vì chúng ảnh hưởng đến độ chính xác gia công chi tiết.

Tế bào kho chứa

54


Trước hết cần xác định xem có chi tiết hay không khi các đattric điện tiếp xúc làm việc. Khi các đattric có cuộn dây phụ sẽ trả lời tín hiệu 1 cách tự động, nếu không thì cần phải lắp thêm cơ cấu xử lý tín hiệu “chuẩn đoán”. Có thể kiểm tra hoạt động của các đattric ở những tế bào kho chứa trống rỗng và kho chứa được chất đầy, nhưng độ tin cậy khi kiểm tra kho chứa được chất đầy là không cao.

Hệ thống vận chuyển

Nếu hệ thống vận chuyển dùng xe tời được cấp điện trung tâm( các động cơ cảm ứng) thì vấn đề chuẩn đoán có liên quan đến việc đánh giá khả năng làm việc của bộ vi xử lý ( máy vi tính điều khiển ) đồng thời chuẩn đoán bộ dẫn tiến (động cơ và điều khiển chuyển hướng).

Nếu xe tời dùng năng lượng phụ thuộc ( các bộ acquy) thì cần phải kiểm tra dung lượng còn lại của các pin - acquy, kiểm tra môi trường khí trong buồng acquy và đánh giá tuổi bền của các phần tử trong buồng acquy.

Nếu hệ thống vận chuyển dùng xích và con lăn thì cần kiểm tra tốc độ di chuyển trong phạm vi từ 1 - 10 m/p. Để đảm bảo cho hệ thống vận chuyển làm việc bình thường không nên dùng các vệ tinh vượt quá khuôn khổi trọng lượng theo các thông số đã thiết kế.

Rôbốt

Kiểm tra rôbốt theo các thông số động học và động lực trên cơ sở nghiên cứu thực nghiệm và thống nhất hoá các phép thử. Phương pháp thử nghiệm các rôbốt thích nghi có 1 ý nghĩa quan trọng, bởi vì có nhiều thông số của rôbốt thích nghi (ví dụ như độ ổn định và tuổi thọ) chỉ có thể được xác định khi thử lâu dài hoặc trong quá trình vận hành. Các chỉ tiêu động lực học trong quá trình vận hành rôbốt cho phép không chỉ đánh giá trạng thái kỹ thuật của rôbốt tại thời điểm đó, mà còn tạo được cơ sở thông tin để ứng dụng việc chuẩn đoán khả năng làm việc của rôbốt.

Cần đánh giá độ chính xác định vị về kích thước thẳng và kích thước góc của rôbốt theo các chỉ tiêu tổ hợp, ví dụ như các hệ số của tính tác động nhanh của rôbốt. Các chỉ tiêu tổ hợp này được xây dựng trên cơ sở các phép biến đổi đại số với việc ứng dụng các quy luật thực nghiệm. Các thông số ban đầu để xác định các quy luật thực nghiệm có thể là tốc độ của các cơ cấu đầu vào và đầu ra, công suất của động cơ, sự dịch chuyển của các phần tử và gia tốc của chúng, áp lực lên các cơ cấu đầu vào và đầu ra, các mômen và độ chênh lệch áp suất…

6.5. Các thiết bị kiểm tra trong CIM.

6.5.1. Các loại đattric.

Đattric vị trí.

Nhóm này gồm: các đattric kiểm tra kích thước và hình dáng của phôi và chi tiết, các đattric kiểm tra cơ cấu chấp hành của thiết bị và của rôbốt, ...

55


Các đattric này có các bộ dẫn hướng theo từng trục toạ độ, có các bộ chuyển đổi không tiếp xúc di chuyển và hệ thống lò xo dưới dạng giá treo hình bình hành. Đế các đattric trên hình 2.a, b được gá trên 3 viên bi cầu cách nhau 1200. Các viên bi này thực hiện luôn chức năng của bộ ngắt mạch. Lò xo có tác dụng tạo độ căng ban đầu. Khi đầu đo của đattric được ấn xuống chi tiết cần đo, đế của đattric bị xoay đi 1 góc so với đường tâm đi qua 2 điểm tỳ (2 viên bi) và gạt bộ ngắt mạch thứ 3 (viên bi thứ 3). Nhược điểm của loại này là hạn chế trong phương tiếp xúc.

Đattric áp lực (lực, biến dạng).

Loại đattric này được chế tạo trên cơ sở hiệu ứng cản biến dạng. Loại này cho phép đạt độ chính xác cao (sai số 0,1%) trong phạm vi nhiệt độ thay đổi lớn.

Đattric hình ảnh (phân biệt) và hệ thống thị giác kỹ thuật.

Loại đattric này sử dụng để kiểm tra môi trường sản xuất trong vùng nguy hiểm đối với con người. Với hệ thống thị giác kỹ thuật cho phép điều khiển thích nghi tay máy và rôbốt trong quá trình cấp - tháo phôi và quá trình lắp ráp. Ngoài ra nó còn cho phép đơn giản hoá cơ cấu kẹp chặt, cơ cấu định hướng và cơ cấu định vị chi tiết, do đó nó tăng tính linh hoạt của hệ thống CIM.

Hệ thống thị giác kỹ thuật sử dụng để điều khiển rôbốt đòi hỏi phải lập chương trình để chuyển toạ độ của chi tiết từ camera truyền hình về hệ toạ độ của rôbốt. Có 3 phương án chuyển toạ độ sau:

- Camera được đặt trên bàn mà trên đó có chi tiết gia công. Cần chuyển gốc toạ độ và xoay hệ toạ độ quanh trục Z. Hiệu chuẩn hệ toạ độ có thể được thực hiện bằng cách xác định 2 vị trí của chi tiết tròn có lỗ ở tâm. Vị trí trong hệ toạ độ rôbốt được xác định bằng cách dịch mỏ kẹp của tay máy về điểm đã định (thực hiện bằng tay).

- Camera được đặt trên băng truyền. Sau khi đóng băng truyền (ngắt điện) các chi tiết gia công nằm yên tại chỗ và lúc đó tay máy có thể tóm được. Lúc này cần tính lượng dịch chuyển của chi tiết trong thời gian giữa thời điểm có hình ảnh và thời điểm dừng băng truyền. Thông tin về lượng dịch chuyển này có thể nhận được nhờ đattric vị trí của băng truyền.

- Camera được gá trên tay máy và chỉ làm việc ở vị trí khi trục quang học của nó nằm theo phương thẳng đứng. Lúc này các thông số chuyển toạ độ phụ thuộc vào vị trí của tay máy.

Các đattric: tốc độ, rung động, tiếng ồn, kiểm tra các thông số công nghệ.

Sử dụng các đattric này trong CIM cho phép rôbốt làm việc thích nghi với môi trường xung quanh. Hướng phát triển của các đattric đó là tổng hợp chúng trên cơ sở của công nghệ vi điện tử.

56


6.5.2. Các máy đo kiểm tự động.

Các máy đo kiểm CNC có các cơ cấu cấp - thoát phôi tự động và các đầu đo thay đổi tự động được gọi là các môđun (các tế bào) của CIM. Dựa vào kiểu cấu tạo, các máy đo kiểm CNC được chia ra 4 loại: dạng côngxôn, dạng không côngxôn, dạng cầu và dạng cầu - cổng.

Hình 2.14. Các kiểu cấu tạo của các loại máy đo kiểm CNC.

a:Dạng côngxôn; b: Dạng không côngxôn; c: Dạng cầu; d: Dạng cẩu—cổng

1: Giá đỡ; 2: ống gá; 3: Bàn máy; 4: Đattric; 5: Cần côngxôn; 6: bàn tay; 7: Trụ đứng; 8: Cẩu; 9; Cổng

Các máy đo kiểm này được sử dụng chủ yếu để đo các chi tiết hình lăng trụ có 3 toạ độ và đôi khi thêm trục quay. Trong hệ toạ độ chuẩn đó chi tiết có thể được đo từ 5 phía và với 1 số phương pháp gá đặt chi tiết có thể đo từ cả 6 phía. Các máy đo kiểm nêu trên có độ cứng vững tăng dần theo thứ tự a, b, c, d. Tuy nhiên, khả năng đưa chi tiết vào vùng làm việc (để đo) lại giảm theo thứ tự đó, vì vậy phải chú ý khi thiết kế chúng. Với chi tiết lớn chỉ nên dùng máy đo kiểm dạng cầu – cổng (dạng này có đủ độ cứng vững cần thiết). Khi đó cố gắng đưa trục X ra xa nhất để lúc đo 1 chi tiết có thể gá chi tiết tiếp theo.

Các máy đo kiểm CNC dần được hiện đại hoá và để thay thế chúng, hãng DEA của Italia đã chế tạo máy đo kiểm như (hình 2.15). Với kiểu cấu tạo nằm ngang của máy cho phép đưa chi tiết vào rất thuận lợi để kiểm tra từ nhiều phía khác nhau bằng 1 đầu đo cùng loại. Các đầu đo có thể kiểm tra chi tiết theo cả 3 trục toạ

57


độ. Lượng dịch chuyển theo các trục X, Y, Z có thể đạt tới 5080mm, 1200mm, 1500 mm. Độ chính xác đo của máy là ±(5+8L/100)µm với L_kích thước cần đo. Tốc độ dịch chuyển theo các trục của các cơ cấu đo là 33m/p và gia tốc lớn nhất là 3,27m/s2.

Hình 2.15. Máy đo kiểm CNC của hãng DEA Italia trong CIM.

1: Máy đo kiểm CNC ; 2: Chi tiết ; 3: Băng tải.

58


VII. Hệ thống lắp ráp tự động.

7.1. Cấu trúc của hệ thống lắp ráp tự động.

Hệ thống lắp ráp tự động trên cơ sở sử dụng mạng máy tính công nghiệp và bộ điều khiển, các rôbốt công nghiệp, hệ thống băng tải, đồ gá, mỏ vít xoắn tự động, các dụng cụ đo kiểm, các thiết bị dầu ép, khí ép, ... để nâng cao năng suất và chất lượng lắp ráp, giảm nhẹ lao động thủ công.

Rôbốt.

Có nhiệm vụ cấp các chi tiết(sản phẩm) từ kho chứa đến hệ thống băng tải. Băng tải sẽ vận chuyển các chi tiết đến vị trí trước các trạm lắp ghép xác định. Sau đó rôbốt tiếp tục gắp chi tiết (sản phẩm) tới các trạm để thực hiện các nguyên công lắp ráp cần thiết. Sau khi đã thực hiện xong các nguyên công lắp ráp, chi tiết lại được rôbốt gắp về băng tải để vận chuyển về kho chứa thành phẩm. Chất lượng lắp ráp phụ thuộc vào độ chính xác của rôbốt, độ chính xác của đồ gá tại các trạm lắp ráp và độ chính xác của chi tiết. Ngoài ra rôbốt còn có nhiệm vụ gắp các mỏ vít xoắn tự động để thực hiện việc vặn vít trong các mối ghép ren, vít, ... Cũng có thể mỏ vít tự động được thiết kế như tay rôbốt để linh hoạt cho việc lắp ghép các chi tiết có kết cấu phức tạp.

Hệ thống băng tải.

Có nhiệm vụ vận chuyển các chi tiết(sản phẩm) mà rôbốt đã cấp cho tới trước các trạm lắp ráp và chờ sẵn ở đó. Hệ thống băng tải có thể vận chuyển liên tục các chi tiết cần lắp ráp tới vị trí yêu cầu, do đó tăng năng suất công việc.

Đồ gá trên các trạm lắp ráp.

Đảm bảo cho việc định vị và kẹp chặt chi tiết trong quá trình rôbốt thực hiện các nguyên công lắp ráp của mình. Có thể sử dụng đồ gá vệ tinh trong cách lắp ráp dây chuyền. Đối với cách lắp ráp cố định thì đồ gá được gắn cứng tại trạm lắp ráp. Độ chính xác của đồ gá là yếu tố quyết định chất lượng và năng suất của công việc.

Các dụng cụ đo kiểm.

Có nhiệm vụ xác định kích thước lắp ghép, độ chính xác các mối ghép, khe hở lắp ráp. Đây là những thông tin cho việc nâng cao chất lượng lắp ráp tự động.

Mạng máy tính công nghiệp và bộ điều khiển.

Có nhiệm vụ xử lý các thông tin về chất lượng lắp ghép, điều khiển quá trình lắp ráp thông qua việc điều khiển hoạt động của hệ thống băng tải, của các rôbốt, của các dụng cụ kiểm tra tự động. Tại mỗi trạm lắp ghép đều có một máy tính điều khiển hoạt động của trạm đó thông qua phần mềm điều khiển tương thích. Bộ điều khiển được sử dụng ở đây có thể là các bộ PLC, các bộ vi xử lý ….

59


7.2. Các hình thức tổ chức lắp ráp tự động.

7.2.1. Lắp ráp cố định.

Lắp ráp cố định là 1 hình thức tổ chức lắp ráp mà mọi công việc lắp được thực hiện tại 1 hay 1 số địa điểm. Các chi tiết lắp, các cụm hay bộ phận được vận chuyển bằng hệ thống băng tải và rôbốt tới điểm lắp ráp (trạm lắp ráp).

Lắp ráp cố định lại được chia làm 2 loại là: lắp ráp cố dịnh tập trung và phân tán.

- Lắp ráp cố định tập trung: là hình thức mà đối tượng lắp hoàn thành tại 1 vị trí nhất định, do 1 hay 1 nhóm các thiết bị tay máy rôbốt thực hiện. Hình thức lắp ráp cố định tập trung đòi hỏi diện tích mặt bằng làm việc không lớn, các rôbốt có độ chính xác cao, tính vạn năng cao, chu kỳ lắp ráp lớn do đó năng suất không cao. Cách lắp ráp này được sử dụng trong sản xuất mà số nguyên công ít, đơn giản.

- Lắp ráp cố định phân tán: Hình thức lắp này thích hợp với những sản phẩm phức tạp, có thể chia thành nhiều bộ phận lắp ráp, thực hiện ở nhiều nơi độc lập. Sau đó mới tiến hành lắp các bộ phận lại thành sản phẩm ở 1 trạm xác định nào đó. Cách lắp này có năng suất cao, diện tích mặt bằng lớn, số trạm lắp ráp nhiều, không yêu cầu cao về độ chính xác như hình thức lắp ráp cố định tập trung, số nguyên công ít và đơn giản, chu kỳ lắp ráp nhỏ. Nếu số lượng càng lớn thì càng có thể chia nhỏ sản phẩm lắp thành nhiều bộ phận và cụm riêng lẻ. Mỗi vị trí lắp chỉ có 1 số nguyên công nhất định. Rôbốt lắp ráp được chuyên môn hoá theo các nguyên công.

7.2.2. Lắp ráp di động.

Trong hình thức lắp ráp di động, đối tượng lắp được di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác nhờ hệ thống băng tải và rôbốt phù hợp với quy trình công nghệ lắp ráp, phù hợp với nhịp độ chu kỳ lắp ráp. Có 2 loại lắp ráp di động cưỡng bức gián đoạn và lắp ráp di động cưỡng bức liên tục.

- Cưỡng bức gián đoạn: Đối tượng lắp được dừng lại ở các trạm lắp ráp cố định để thực hiện 1 số nguyên công trong khoảng thời gian xác định, sau đó tiếp tục di chuyển tới vị trí tiếp theo ở trạm tiếp theo. Tổng thời gian dừng và thời gian di chuyển tương ứng với nhịp sản xuất.

- Cưỡng bức liên tục: có năng suất cao hơn nhưng độ chính xác thấp so với cưỡng bức gián đoạn, vì trong quá trình lắp ráp và kiểm tra chất lượng bị ảnh hưởng của chấn động do cơ cấu vận chuyển(băng tải).

60


CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ MÁY CNC.

A - TỔNG QUAN VỀ MÁY CNC.

I. Lịch sử phát triển.

1.1 Lịch sử.

CNC (Computer Numerical Control) có tiền thân là máy NC (Numerical Control) là các máy công cụ tự động dựa trên tập lệnh được mã hoá bởi các con số, các chữ cái, các ký tự mà bộ xử lý trung tâm có thể hiểu được. Những lệnh này được điều chế thành các xung áp hay dòng, theo đó điều khiển các motor hoặc các cơ cấu chấp hành, tạo thành các thao tác của máy. Những con số, chữ cái, ký tự trong tập lệnh dùng để biểu thị khoảng cách, vị trí, chức năng hay trạng thái để máy có thể hiểu và thao tác trên phôi.

NC được sớm sử dụng trong cách mạng công nghiệp, vào năm 1725, khi các máy dệt ở Anh sử dụng các tấm bìa đục lỗ để tạo các hoa văn trên quần áo. Thậm chí sớm hơn nữa, những chiếc máy đánh chuông tự động được sử dụng ở nhà thờ lớn châu Âu và một số nhà thờ ở Hoa Kỳ. Năm 1863, máy chơi piano đầu tiên ra đời (H1.1). Nó dùng các cuộn giấy đục lỗ sẵn, dựa vào các lỗ thủng đó để tự động điều khiển các phím ấn.

H1.1 – Máy chơi piano dùng bìa đục lỗ.

Nguyên lý của sản xuất hàng loạt, được phát triển bởi Eli Whitney, đã chuyển đổi nhiều công đoạn và chức năng thông thường phải dựa trên kĩ năng của thợ thủ công nay được làm trên máy. Khi nhiều máy chính xác hơn ra đời, hệ

61


thống sản xuất hàng loạt nhanh chóng được nền công nghiệp chấp nhận và đưa vào để sản xuất một số lượng lớn các chi tiết giống hệt nhau. Ở nửa sau của thế kỉ 19, một lượng lớn các máy công cụ ra đời dùng trong hoạt động gia công kim loại như máy cắt, máy khoan, máy cán, máy mài. Cùng với nó, các công nghệ điều khiển bằng thuỷ lực, khí nén, bằng điện cũng được phát triển, điều khiển chuyển động đòi hỏi sự chính xác trở nên dễ dàng hơn.

Năm 1947, không lực Hoa Kỳ thấy rằng sự phức tạp trong thiết kế và hình dạng của các chi tiết máy bay, như cánh quạt của trực thăng hay các chi tiết của đầu phóng tên lửa chính là nguyên nhân khiến cho các nhà sản xuất ko giao hàng đúng hẹn. Khi đó, John Parsons, Parsons Corporation, thành phố Traverse, bang Michigan đã bắt đầu nghiên cứu với ý tưởng về một chiếc máy công cụ có thể thao tác ở mọi góc độ, sử dụng dữ liệu số để điều khiển chuyển động của máy. Năm 1949, USAMC giao cho Parsons một hợp đồng phát triển NC và phương pháp tăng tốc trong sản xuất. Parsons sau đó đã chuyển thầu lại cho phòng thí nghiệm Servomechanism – đại học Massachusetts Institute of Technology (MIT). Năm 1952 họ đã thành công với chiếc máy có đầu cắt chuyển động 3 chiều. Rất nhanh sau đó, hầu hết các nhà SX máy công cụ đều cho ra các máy NC. Năm 1960, tại triển lãm máy công cụ ở Chicago, hơn 100 máy NC đã được trưng bày. Hầu hết các máy này đều giống nhau ở nguyên tắc điều khiển vị trí điểm - điểm. Nguyên lý của máy NC được thiết lập một cách vững chãi.

Từ đây, NC được cải tiến nhanh chóng trong công nghiệp điện tử để phát triển các sản phẩm mới. Các bộ điều khiển trở nên nhỏ hơn, đáng tin cậy hơn và rẻ hơn. Sự phát triển của các máy công cụ, các bộ điều khiển khiến cho chúng được sử dụng nhiều hơn.

Cho tới năm 1976, những máy NC điều khiển hoàn toàn tự động theo chương trình mà các thông tin viết dưới dạng số đã được sử dụng rộng rãi. Cũng vào năm đó, người ta đã đưa một máy tính nhỏ vào hệ thống điều khiển máy NC nhằm mở rộng đặc tính điều khiển và mở rộng bộ nhớ của máy, các máy này được gọi là các máy CNC (Computer Numerical Control). Và sau đó, các chức năng trợ giúp cho quá trình gia công ngày càng phát triển. Vào năm 1965, hệ thống thay dao tự động được đưa vào sử dụng, năm 1975 thì hệ thống CAD – CAM – CNC ra đời. Năm 1984 thì đồ họa máy tính phát triển, được ứng dụng để mô phỏng quá trình gia công trên máy công cụ điều khiển số.

Năm 1994, Hệ NURBS (Not uniforme rational B-Spline) giao diện phần mềm CAD cho phép mô phỏng được xác bề mặt nội suy phức tạp trên màn hình, đồng thời nó cho phép tính toán và đưa ra các phương trình toán học mô phỏng các bề mặt phức tạp , từ đó tính toán chính xác đường nội suy với độ mịn, độ sắc nét cao .

Cho đến ngày nay, người ta còn ứng dụng công nghệ nano vào hệ thống điều khiển máy CNC. Năm 2001 hãng FANUC đã chế tạo hệ điều khiển nano cho máy CNC, mở ra một trang mới về công nghệ chế tạo máy công cụ.

62


1.2. Một số máy NC.

Với những chiếc máy công cụ trước đây, luôn phải có người đứng bên máy để điều khiển các hoạt động của máy. Những loại này đã mất dần ưu thế khi máy NC ra đời, người điều khiển không còn phải điều khiển các chuyển động của máy nữa. Ở các máy công cụ truyền thống, chỉ có 20% thời gian hoạt động là để gia công vật liệu. Khi thêm phần điều khiển điện tử thì thời gian gia công đã tăng lên 80%, thậm chí cao hơn. Đồng thời cũng giảm bớt thời gian để dịch chuyển đầu cắt đến vị trí yêu cầu.

Trước đây, các máy công cụ được sản xuất sao cho càng đơn giản càng tốt để giảm giá thành. Cũng bởi giá nhân công tăng lên, những chiếc máy tốt hơn với bố điều khiển điện tử ra đời, khiến cho nên công nghiệp có thể cho ra những sản phẩm tốt hơn với giá cả phải chăng hơn nhằm cạnh tranh với những nền công nghiệp nước ngoài.

NC được sử dụng trên tất cả các máy công cụ, từ đơn giản nhất đến phức tạp nhất. Những chiếc máy thông dụng nhất là máy khoan thẳng đơn trục, máy tiện, máy phay, trung tâm tiện, trung tâm cơ khí đa năng.

+)Máy khoan thẳng đơn trục.Một trong những máy NC đơn giản nhất là máy khoan đơn trục. Hầu hết

các máy khoan đều được lập trình trên 3 trục:a) Trục X điều khiển bàn máy di chuyển sang trái hoặc sang phải.b) Trục Y điều khiển bàn máy tiến hoặc lùi.c) Trục Z điều khiển chuyển động lên xuống của mũi khoan.

+)Máy tiện.Là một trong những chiếc máy

có hiệu quả nhất, đặc biệt có ý nghĩa trong việc gia công các khối tròn. Máy tiện được lập trình trên 2 trục:

b) Trục X điều khiển chuyển động dọc của đầu dao, vào hay ra.

b) Trục Z điều khiển chuyển động của mẫu vật tiến vào hay rời khỏi bệ đỡ.

H1.2 – Máy tiện

+)Máy phay (H1.3).

63


Máy phay luôn là loại máy đa năng nhất được dùng trong công nghiệp. Các công năng như phay, vát, cắt góc, khoan, doa chỉ là một vài chức năng mà máy phay có thể đảm nhiệm. Máy phay thường được lập trình trên 3 trục:

a) Trục X điều khiển bàn máy chuyển động sang trái, phải.b) Trục Y điêu khiển bàn máy tiến hay lùi.c) Trục Z chuyển động thẳng đứng của đầu dao.

H1.3 – Máy phay đứng.

+)Trung tâm gia công tiện.Trung tâm gia công tiện (Turning Center) ra đời vào giữa thập niên 60 sau

khi nhóm nghiên cứu chỉ ra rằng 40% các loại gia công kim loại là được làm bằng phương pháp tiện. Chiếc máy NC này có khả năng làm việc với độ chính xác cao hơn, hiệu suất cao hơn so với chiếc máy tiện thông thường. Turning Center cơ bản chỉ thao tác trên 2 trục:

a) Trục X điều khiển chuyển động ngang của mâm tiện.b) Trục Z điều khiển chuyển động dọc của mâm tiện.

+) Trung tâm cơ khí đa năng.Cỗ máy này cũng ra đời cũng vào thập niên 60. Được tích hợp nhiều tính

năng tại cùng một địa điểm. Nhiều thao tác gia công khác nhau trên mẫu vật có thể thực hiện chỉ với một lần cài đặt duy nhất. Nhờ vậy mà tốc độ, năng suất máy tăng lên đáng kể so với những máy điều khiển số thông thường.

II. Thế nào là máy CNC.Các khái niệm cơ bản .

2.1. Khái niệm.

CNC (Computer Numerical Control) là một dạng máy NC điều khiển tự động có sự trợ giúp của máy tính, mà trong đó các bộ phận tự động được lập trình

64


để hoạt động theo các sự kiện nối tiếp nhau với một tốc độ được xác định trước để có thể tạo ra được mẫu vật với hình dạng và kích thước yêu cầu.

2.2. Trục máy CNC.

Để có thể điều khiển chuyển động dụng cụ cắt dọc theo đường hình học trên bề mặt chi tiết cần có một mối quan hệ giữa dụng cụ và chi tiết gia công. Mối quan hệ này có thẻ được thiết lập thông qua việc đặt dụng cụ và chi tiết gia công trong một hệ tọa độ. Hệ tọa độ Decac được sử dụng làm hệ tọa độ trong máy CNC.

Khi đó không gian được giới hạn bởi ba kích thước của hệ tọa độ Decac gắn với máy mà hệ điều khiển máy có thể nhận biết được gọi là vùng gia công .

Từ đây, người ta định nghĩa :* Chuyển động thẳng của dụng cụ song song với trục hệ tọa độ gắn với máy

được gọi là trục thẳng của máy. * Chuyển động của dụng cụ quay xung quanh trục hệ tọa độ gắn với máy

được gọi là trục quay của máy. Qua những nghiên cứu cho thấy, chỉ cần tối đa 14 trục (trục chuyển động)

để mô tả bất kỳ một máy CNC phức tạp nào. 14 trục chuyển động này được chia thành: 5 trục quay và 9 trục thẳng.

- 9 trục thẳng bao gồm:+ Ba trục thẳng thứ nhất: X,Y, Z.+ Ba trục thẳng thứ hai: U //X, V//Y , W//Z.+ Ba trục thẳng thứ ba: P//X , Q//Y , R//Z.

- 5 trục quay bao gồm: + Ba trục quay thứ nhất A,B,C. Đây là 3 trục quay xung quanh các

trục thẳng X, Y, Z.+ Hai trục quay thứ hai D và E. Đặc trưng của hai trục quay này là

quay song song với trục quay thứ nhất A hoặc B hoặc C hoặc một trục đặc biệt nào đó.

2.3. Nguyên tắc xác định hệ trục tọa độ của máy CNC.

Để xác định các trục toạ độ ta dựa trên quy tắc bàn tay phải, bao gồm ngón giữa, ngón trỏ và ngón cái của bàn tay phải (H1.4). Ngón cái xác định hướng của trục X, ngón trỏ chỉ trục Y, và ngón giữa chỉ trục Z.

65


H1.4 – Quy tắc bàn tay phải.

Xác định các trục toạ độ của máy NC thông qua nguyên tắc này, đầu tiên ta tưởng tượng ngón giữa nằm trong trục quay chính của máy, đó là trục Z của máy và chiều (+) của trục theo hướng từ trong ra ngoài. Theo đó, ngón cái và ngón trỏ sẽ chỉ phương và chiều của trục X, trục Y.

Trục quay được xác định theo các trục thẳng mà dao cắt quay trên đó. A là trục quay trên trục X, B là trục quay trên trục Y, C là trục quay tren trục Z (H1.5). Khi nhìn theo chiều (+) của các trục chính thì chiều kim đồng hồ là chiều (+) của các trục quay.

H1.5 – Ba trục quay A,B,C.

III. Hệ thống điều khiển máy CNC trong công nghiệp.

Về mặt tổng quát, các máy CNC trong công nghiệp đều được điều khiển theo một nguyên tắc nhất định. Dữ liệu điều khiển được đọc vào từ các vật mang tin (băng từ , đĩa từ , băng đục lỗ …) hoặc từ chương trình có sẵn trên máy hoặc do chính người sử dụng nhập vào từ giao tiếp bàn phím. Các dữ liệu này được giải mã và hệ thống điều khiển xuất ra các tập lệnh để điều khiển các cơ cấu chấp hành thực hiện các lệnh theo yêu cầu của người sử dụng. Trong khi các cơ cấu chấp

66


hành thực hiện các lệnh đó, kết quả về việc tực hiện được mã hóa ngược lại và phản hồi về hệ điều khiển máy, các kết quả này được so sánh với các tập lệnh được gửi đi. Sau đó hệ thống điều khiển có nhiệm vụ bù lại các sai lệch và tiếp tục gửi đến các cơ cấu chấp hành cho đến khi thông tin về kết quả thực hiện phản hồi trở lại “khớp” với thông tin được gửi đi.

Như vậy, ta có thể nói hệ điều khiển máy CNC trong công nghiệp là một hệ điều khiển kín (dữ liệu lưu thông theo một vòng kín).

H1.6 - Truyền dữ liệu trong vòng kín.

Hệ thống điều khiển máy CNC ra làM hai phần: phần cứng và phần mềm.

3.1. Phần cứng hệ điều khiển máy CNC.

3.1.1Bộ xử lý trung tâm (CPU).

Bộ xử lý trung tâm (CPU) là một máy tính nhỏ hoặc là thành phần chính của máy tính nào đó (16 bit hoặc 32 bit) và mạch điện tích hợp. Cấu trúc của CPU bao gồm các phần tử cơ bản sau: Phần tử điều khiển, phần tử logic số học, bộ nhớ truy cạp nhanh.

67


• Phần tử điều khiển làm nhiệm vụ điều khiển tất cả các phần tử của nó và các phần tử khác của CPU. Xung nhịp từ đồng hồ đưa vào điều khiển thực hiện đồng bộ hoạt động của các phần tử.

• Phần tử số học làm nhiệm vụ hình thành các thuật toán mong muốn trên cơ sở số liệu đưa vào. Kiểu thuật toán số học là công trừ nhân chia, công logic và các chức năng khác theo yêu cầu của chương trình. Khối logic số thực hiện các phép so sánh, phân nhánh, lập, lựa chọn và phân vùng bộ nhớ.

• Bộ nhớ truy nhập nhanh là bộ nhớ trong CPU dùng để lưu trự tạm thời các thông tin đang được phẩn tử số học xử lý hoặc các chương trình điều khiển từ ROM và RAM gửi tới.

3.1.2.Bô nhớ.

Một số bộ nhớ mở rộng từng được sử dụng:- ROM và EPROM dùng để lưu trữ những dữ liệu ko thay đổi của hệ thống

CNC, như những chu trình cứng và những vòng bất biến.- EEPROM lưu trữ những dữ liệu phát sinh trong qúa trình cài đặt hệ thống.

Như những tham số máy, những chu trình đặc biệt, những chương trình con. Mặc dù nội dung của EEPROM được bảo vệ, nhưng vẫn có thể thay đổi khi cần.

-RAM mở rộng được sử dụng trong tất cả các bộ CNC để lưu giữ chương trình, dữ liệu. Chúng có dung lượng có thể mở rộng từ 16 đến 500 Kbytes.

Nếu cần những chức năng chuyên dụng thì thường có những card riêng được cắm vào các khe mở rộng của bộ điều khiển và được liên kết bằng bus.

3.1.3 Hệ thống truyền dẫn ( BUS).

Hệ thống CNC đòi hỏi sự liên hệ giữa CPU và các bộ phận khác trong hệ thống. Thiết bị truyền dẫn của CNC chính là BUS. Có thể hiểu BUS là hệ thống

68

Hình 1.7 : Sơ đồ khối của CPU


các đường giao thông làm nhiệm vụ truyền dẫn thông tin từ CPU đến các bộ phận khác và ngược lại. Dưới đây là sơ đồ khối thể hiện vị trí vai trò của BUS trong hệ thống điều khiển CNC (hình 1.8).

Hình 1.8 : Hệ thống liên lạc BUS

3.1.4.Truyền dẫn Servo.

Hệ điều khiển máy công cụ, cần thiết biến đổi xung điều khiển được tạo ra từ cụm điều khiển thành các tính hiệu cho động cơ các trục. Nhiệm vụ này được thực hiện nhờ hai mạch: Mạch điều khiển servo và mạch phản hồi (hình 1.9).

69

Hình 1.9 : Điều khiển Servo


Trên đây là các phần cứng chủ yếu của máy CNC, ngoài ra còn có các phần cứng cơ bản của một máy điều khiển số thông thường như: Điều khiển tốc độ trục chính, Điều khiển trình tự và các mạch biến vào – ra ( input – output).

3.2. Phần mềm.

Những bộ điều khiển CNC hiện đại giống như những chiếc máy tính chuyên dụng dùng để điều khiển máy công cụ. Cũng như những chiếc máy tính khác, NC cần một hệ điều hành, đôi khi được coi như là một phần mêm hệ thống. Chúng được thiết kế riêng cho một loại máy, và mục đích cuối cùng là để điều khiển, bởi vì đặc tính động học và điều khiển của mỗi loại mày là khác nhau. Phần mềm này điều khiển mọi chức năng hệ thống, những chương trình con, đồ hoạ giả lập hay quá trình gia công nếu có.

Thông thường, phần mềm máy CNC được chia ra làm các phần cơ bản sau.

3.2.1. Phần mềm điều khiển

Đây là chương trình chính để thực hiện các chức năng NC. Chương trình điều khiển được lưu trữ trong ROM. Chức năng chính của phần mềm điều khiển là chấp nhận chương trinhg ứng dụng như là số liệu vào và sinh ra tín hiệu điều khiển, điều khiển dẫn động động cơ các trục.

3.2.2. Phần mềm ghép nối

Phần mềm ghép nối giữa hệ điều khiển CNC với máy công cụ cũng được xem như một chương trình điều khiển máy. Chương trình này cho phép CPU liên hệ với máy công cụ, bàn điều khiển thông qua chương trình logic được cài đặt sẵn trong hệ điều khiển trình tự .

3.2.3. Postprocessor

Postprocessor là chương trình có nhiệm vụ chuyển đổi thông tin trong chương trình NC thành cấu trúc điều khiển dụng cụ. Đó là thông tin về đường di chuyển của dụng cụ, điều kiện gia công, tốc độ trục chính, thời điểm bắt đầu và kết thúc chương trình …

3.2.4. Phần mềm ứng dụng

Đây có thể coi là phần mềm để ta có thể giao tiếp được với máy CNC. Nó bao gồm chương trình mã G và chương trình tham số .

IV.Nguyên tắc lập trình gia công trên máy CNC và các phương phấp nhập dữ liệu.

4.1. Lập trình gia công.

Các thao tác gia công của máy CNC được thực hiện thông qua một đoạn chương trình. Đoạn chương trình này mô tả chi tiết trình tự của các bước gia công,

70


theo một thứ tự để tạo ra sản phẩm như ý. Bộ điều khiển NC thực thi các lệnh gia công dựa trên những dữ liệu mà nó nhận được, những thông số gia công có thể nằm ngay trên những dữ liệu nhận được hay nằm trong bộ nhớ của bộ điều khiển.

Một điều rất quan trọng mà các bộ NC phải tuân theo, đó là phải đi theo một dạng lập trình đã được chuẩn hoá, dựa trên một văn bản do hiệp hội chuẩn hoá quốc tế (ISO) đề ra. Ở Hoa Kỳ, chủ yếu theo chuẩn EIA RS244 hoặc RS358.

a) Cấu trúc chương trình.Một chương trình gia công bao gồm nhiều dòng lệnh. Mỗi dòng lệnh bao

gồm các ký tự và con số đi theo mỗi ký tự. Số lượng ký tự trong mỗi dòng lệnh là ko cố định. Mỗi dòng lệnh thường bắt đầu bằng ký tự N và một con số liền sau đó dùng để chỉ thứ tự dòng lệnh trong chương trình.

Ví dụ về một dòng lệnh cho 3 trục điều khiển gia công theo đường cong:N04 G02 X±4.3 Y±4.3 Z±4.3 I4.3 J4.3 K4.3 F7 S4 T2 M2 $

N04 - Thứ tự dòng lệnh.G02 - Nội suy đường tròn theo chiều kim đồng hồ.X,Y,Z - Toạ độ điểm đích.I,J,K - Thông số bổ xung của cung tròn.F7 - Tốc độ chạy dao.S4 - Tốc độ quay.T02 - Số hiệu dao.$ - Kết thúc dòng lệnh.

b) Những chức năng hỗ trợ.Trước khi máy thực hiện những chuyển động và gia công, những thông số

về hình dáng và công nghệ phải được nhập vào bộ điều khiển. Sau đó các thông tin sẽ được tính toán và đưa ra các chức năng thích hợp.

Thông số về hình dáng xác định: Vị trí điểm đến. Hướng chạy dao. Chương trình gia công.

Ngoài ra cũng cần đưa thêm các thông số công nghệ như loại dao dùng gia công, tốc độ trục quay, hướng quay, tốc độ chạy dao. Những chức năng hỗ trợ được dùng cho mục đích này, thường dùng các ký tự F, H, M, S, và T. Còn lại D, E, L, P là những ký tự còn dư cho lập trình, dùng cho những bộ điều khiển khác nhau, của các hãng khác nhau.

c) Toạ độ tuyệt đối - Toạ độ tương đối.Thông số hình dạng có thể được nhập ở dạng tuyệt đối hay tương đối, và cả

hai đều được chấp nhận ở các máy NC ngày nay (H1.10).

71


H1.10 Những kiểu toạ độ.

Trong hệ toạ độ Đề Các, mọi điểm đều có thể được mô tả dưới dạng tuyệt đối hay tương đối. Toạ độ tuyệt đối của một điểm được tính tự một điểm gốc chung của hệ tọa độ. Toạ độ tương đối được tính toán từ một điểm liền kề trước đó, hay hiệu số của 2 toạ độ tuyệt đối của 2 điểm. Những máy NC hiện đại có lệnh G90/G91 để chuyển đổi giữa hai cách tính toạ độ mà không làm mất điểm gốc của hệ toạ độ đang sử dụng.

Ví dụ:

H1.11 – Sơ đồ khoan.

Điểm Toạ độ tuyệt đối Toạ độ tương đốiX Y X Y

1 4 2 4 22 6 7 2 53 4 -3 -2 -104 8 -6 4 -35 -8 -5 -16 16 -6 -3 2 27 -6 5 0 8

72


0 0 0 6 -5

4.2. Các phương pháp nhập dữ liệu.

Có nhiều phương pháp nhập dữ liệu nhưng tất cả các cách đều phải làm sao có thể truyền dữ liệu cho bộ điều khiển để máy có những thông tin cần thiết đưa vào bộ xử lý trung tâm.

a) Băng đục lỗ.Phương pháp cổ điển nhất là dùng các đoạn băng đục lỗ (H1.12). Băng đục

lỗ được đọc bằng quang điện với tốc độ 150 đến 300 ký tự trong 1s. Đường kính ống phim từ 4-10 inch. Độ dài của đoạn băng được tinh bằng công thức:

L = 0.786(D22 – D1

2)/P

D1 – Bán kính nhỏ nhất của ống phim.D2 – Bán kính lớn nhất của ống phim.P - Hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào độ dày của băng.

H1.12 – Băng đục lỗ.

b) Keyboard.Với bàn phím ASCII, người dùng nhập từng dòng lệnh và máy CNC lưu trữ

chương trình vào bộ nhớ của nó. Lỗi chương trình được sửa chữa bằng bộ Editor.

c) Băng từ.Băng từ thích hợp khi cần lưu trữ một lượng lớn dữ liệu.

H1.13 – Băng từ.

d) Đĩa mềm.Đĩa mềm được dùng với mục đích gần giống như băng từ.

73


H1.14 – Đĩa mềm.

e) Điều khiển số trực tiếp (DNC).Máy DNC có khả năng xử lý một lượn chương trình rộng lớn với một

lượng dữ liệu lớn hơn bất kỳ một thiết bị lưu trữ nào đã liệt kê ở trên. Giống như một chiếc máy tính cá nhân bao gồm bộ xử lý trung tâm với một bộ nhớ thông minh được liên kết trực tiếp với từng bộ NC, dữ liệu được truyền trực tiếp theo 2 chiều, từ máy tính tới bộ điều khiển và ngược lại.

f) Giao diện.Giao diện là một phần rất cần thiết giúp cho việc nhập dữ liệu vào bộ xử lý

dễ dàng trực quan.

74


H1.15 – Giao diện cơ bản của máy CNC hiện đại.

V. Khác biệt giữa NC và CNC.

Sự kết hợp máy tính với máy NC để tạo nên máy CNC dựa trên hai lý do chính:

- Tận dụng sự linh hoạt mềm dẻo và tốc độ hoạt động của máy vi tính .- Khả năng thay thế các phần cứng đắt tiền với hệ thống dây điều khiển

phức tạp bằng phần mềm rẻ hơn và linh hoạt hơn.Việc sử dụng micro chip theo đó đã cung cấp một hệ CNC thân thiện đơn

giản cho người sử dụng và các phương thức điều khiển dữ liệu quá trình phức tạp mà với một cái giá rất hấp dẫn.

a) Từ NC đến CNC.Bước đầu tiên để chuyển từ NC sang CNC về danh nghĩa đó là thêm bộ

nhớ. Có nghĩa là giữa bộ phận đưa dữ liệu vào (đầu đọc, bàn phím) và bộ điều khiển chấp hành phải có một bộ nhớ đệm lớn được cài đặt, nó có thể được mở rộng lên tới 32000 kí tự tương ứng với 250 feet của băng từ. Bộ nhớ này chứa toàn

75


bộ chương trình của máy cũng như các giá trị bù của dao và nhiều khối thông tin khác (như điều khiển logic cho dữ liệu quá trình, thêm trục, chuyển mạch...)

Tuy nhiên, CNC hiện đại là một khái niệm hoàn toàn mới. Tất cả sự khó khăn trong điều khiển bằng dây nay được chuyển sang thực hiện bằng giao tiếp bus, thông qua một chương trình xử lý từ một máy tính mạnh, và các thiết bị vào ra ngoại vi.

b) Thiết kế bộ điều khiểnTrong một hệ thống điều khiển thì việc đầu tiên và quan trọng nhất là việc

phân chia nhiệm vụ, chức năng giữa phần cứng và phần mềm sao cho chúng có thể hoạt động phối hợp tốt nhất và đảm bảo các yêu cầu :

+ Tiết kiệm năng lượng.+ Thiết kế được thành từng gói bộ phận hoàn chỉnh.+ Linh hoạt mềm dẻo.+ Tốc độ xử lý cao.+ Có thể mở rộng và kết nối .+ Vận hành đơn giản.Dựa trên nguyên tắc đó có 2 loại máy CNC được phát triển:+) Loại máy CNC được lắp ráp từ các bộ phận được sản xuất và đóng gói

riêng rẽ, loại này thường có giá rẻ nhưng bị giới hạn khả năng mở rộng.+) Cả hệ thống được sản xuất đồng bộ ngay từ đầu, có thể mở rộng thành

một bộ lập trình ngoại vi.Nguyên tắc của máy CNC đa năng là với nhiều loại thiết bị phần cứng khác

nhau đều có thể lắp vào để thực hiện những nhiệm vụ khác nhau tuỳ thuộc vào phần mềm thích hợp. Các chức năng mới thêm vào này tạo nên sự thay đổi về sản phẩm, trạng thái của máy mà không cần phải có sự thay đổi nào ở phần cứng.

Dữ liệu trao đổi qua bus đã loại đi sự rắc rối khi sử dụng hệ thống dây dẫn. Đây cũng chính là một trong những ưu điểm lớn nhất của máy CNC.

Một ưu điểm khác là có thể sử dụng nhiều loại bộ nhớ tạo nên sự đang dạng:

+EEPROM+RAM+ROM

VI.Một số máy CNC trong công nghiệp.

6.1. Máy khoan.

Tất cả những máy khoan từ đơn giản đến phức tạp nhất đều có cấu trúc cơ bản như sau:

Một trục thẳng đứng, trên đó là dao cắt, đảm nhiệm hoạt động quay.

Một bàn đỡ để đặt phôi, có thể chuyển động theo hệ toạ độ X-Y. Bộ phận đưa dao gia công.

76


Tuy nhiên cũng có một vài biến thể. Ví dụ: bàn đỡ có thể cố định và dao cắt chuyển động theo trục toạ độ, phôi có thể được gia công bởi nhiều dao cũng một lúc, bộ thay dao có thể được tích hợp.

Ở cấu trúc cơ bản, máy chỉ điều khiển hệ toạ độ mặt phẳng. Độ sâu của mũi khoan được xác định trước bởi các điểm dừng được cài đặt sẵn hay bởi các trục cam. Thường dùng phương pháp điểm - điểm để điều khiển vị trí mũi khoan, sau đó quá trình khoan diễn ra, kết thúc quá trình, mũi khoan được nhấc lên, đưa đến vị trí tiếp theo.

Ngoài việc điều khiển trục X, Y, ở những máy phức tạp hơn người ta điều khiển cả chuyển động của trục Z. Không chỉ điều khiển xác định điểm cuối của chu trình khoan mà còn xác định cả những điểm giữa chu trình. Điều khiển cho mũi khoan khi đến gần mặt gia công giảm tốc độ dịch chuyển để có sự tiếp xúc êm hơn giữa mũi khoan và mặt gia công.

Một công năng nữa có thể được dùng đó là khả năng thay dao tự động. Cấu trúc này đòi hỏi phải có thêm những cơ cấu về cơ khí khá phức tạp, nhưng chỉ khi có chức năng này thì người điều khiển máy mới có thể ngồi tại chỗ điều khiển mọi hoạt động của máy, chiếc máy khi đó mới được coi là tự động hoàn toàn.

Hình 1.16 : máy khoan đứng CNC

6.2. Máy tiện.

Một cách ngoại lệ, máy tiện số chỉ bao gồm hai trục X và Z (H1.17). Nhưng với những đặc tính của nó, yêu cầu phải dùng những phương pháp điều khiển tuyến tính, ngay cả những máy thô sơ nhất cũng yêu cầu khả năng điều khiển tuyến tính. Hầu hết các máy tiện đều có những chức năng điều khiển tốc độ tiến dao, tốc độ cắt và tự động thay dao. Nội suy tuyến tính và nội suy cung tròn là tất yêu phải có trong các bài toán gia công với phương pháp tiện. Vì vậy cũng cần có những cảm biến đo tốc độ động cơ phục vụ cho bài toán điều khiển.

77


Máy tiện cũng cần chức năng hiệu chỉnh dao để tránh những sai số do kích thước dao cắt gây nên. Cần sự hiệu chỉnh trên cả 2 trục do sự khác nhau về kích thứơc của dao khi chiếu lên 2 trục. Dữ liệu sau hiệu chỉnh được lưu giữ trong bộ nhớ của hệ thống điều khiển.

H1.17 – Máy tiện 2 trục và 3 trục.

a) Máy tiện mâm.Máy tiện mâm luôn được trang bị hệ điều khiển tuyến tính bởi khả năng gia

công đa dạng của nó (H1.18). Tất cả các tính năng thông thường của máy tiện đều có trong loại máy này.

H1.18 – Máy tiện mâm.

b) Máy tiện đứng với hai đầu cắt.Máy tiện hai đầu cắt có khả năng điều khiển trên 2x2 trục toạ độ (H1.20).

Mỗi đầu cắt được điều khiển bởi 2 trục. Hoạt động và lập trình của loại máy này khác xa với loại máy 1 đầu cắt. Nhưng khi ta điều khiển riêng rẽ 2 đầu cắt thì máy có một số ưu điểm:

Hai bộ điều khiển thông thường cho 2 đầu cắt rẻ hơn một bộ điều khiển phức hợp cho cả 2 đầu cắt.

Lập trình đơn giản.

78


Có 2 bộ điều khiển riêng biệt nên việc thay đổi chương trình hay sửa lỗi trở nên đơn giản hơn.

Nếu một đầu cắt bị trục trặc thì đầu kia có thể tiếp tục làm việc, thậm chỉ đảm nhiệm luôn nhiệm vụ của đầu cắt bị hỏng.

H1.19 – Máy tiện nằm và máy tiện đứng hai đầu cắt.

6.3. Máy phay.

Nếu không kể đến những trung tâm cơ khí đa năng thì máy phay có thể coi là chiếc máy linh hoạt, đa năng nhất. Chúng được chia thành 2 loại, máy phay dọc và máy phay ngang dựa trên vị trí của trục dao. Loại máy này luôn được tích hợp phương pháp điều khiển tuyến tính và có ít nhất 3 trục điều khiển, thông thường là 4 hoặc 5 trục, hầu hết đều có khả năng nội suy trong không gian. Một ưu điểm nữa của máy phay, đó là nó có khả năng hoạt động như một máy khoan, vì vậy sẽ rất tiện lợi cho người điều khiển khi thực hiện một chu trình khoan.

Trong máy phay có bộ phận thay dao tự động. Đó coi như một bộ phận mở rộng của máy, và chỉ được lắp đặt khi có sự yêu cầu của người sử dụng. Đối với

79


loại máy này thì bộ phận bù góc quay và bù kích thước dao có ý nghĩa rất quan trọng.

Những máy phay cỡ lớn được trang bị cảm biến vi sai có khả năng hiệu chỉnh sai số trong trường hợp phải khởi động lại máy sau khi có sự cố hỏng dao hay các sự cố khác.

b) Máy phay dây chuyền.Loại máy này phù hợp với việc gia công các linh kiện máy bay. Nó đòi hỏi

phải có hai động cơ ở hai bên để điều khiển băng chuyền. và tất nhiên kèm theo phải có hai hệ thống đo lường để xác định vị trí. Loại máy này có khả năng gia công hai chi tiết giống hệt nhau tại cùng một thời điểm.

H1.20 – Máy phay dây chuyền với 3 đầu cắt.

b) Máy phay 5 trụcMáy phay 5 trục có thể đưa dao cắt đến bất kì điểm nào trong không gian

gia công (H1.22-1.23), vì vậy có khả năng gia công nhiều hình dạng phức tạp của chi tiết. Dựa vào kiểu chuyển động giữa dao cắt và phôi có thể chia thành 3 loại sau:

Trục dao cố định với bàn xoay 2 chiều. Trục dao và bàn đỡ đều có thể xoay. Bàn đỡ cố định và trục dao có khớp xoay (H1.23).

80


H1.21 – Máy phay 5 trục.

H1.22 – Máy phay 5 trục với 4 đầu cắt có khớp quay.

H1.23 - Đầu cắt có khớp quay.

81


6.4. Máy hàn điểm.

Máy hàn điểm là một loại máy thường xuyên được sử dụng trong công nghệ tự động hoá. Chúng được sử dụng ở những nơi mà kích thước vật cần hàn quá nhỏ hoặc quá phức tạp không thể dùng các máy hàn khác. Trong những trường hợp đó, máy hàn điểm thường được điều khiển bằng tay bởi vấn đề khó khăn nhất là cấu trúc hình học phức tạp của mẫu vật hàn. Trong thực tế các máy hàn điểm thường được liên kết tạo thành một dãy máy hàn NC tự động thì mới có thể đáp ứng được yêu cầu hàn các vật có hình dạng phức tạp.

Từ đó dẫn đến yêu cầu cần phải điều khiển không chỉ một mà là hàng loạt máy hàn NC hoạt động đồng bộ với nhau. Như vậy ta cần phải có bộ giải mã cho từng máy để có thể truy cập, hay gọi các chương trình con điều khiển từng máy riêng biệt.

6.5. Máy cắt dùng tia lửa điện.

Máy phóng tia lửa điện dùng điện cực dây dẫn lần đầu tiên được sử dụng trong công nghiệp là khi kĩ thuật điều khiển số xuất hiện. Khả năng cắt gọt chính xác bằng tia lửa điện đã tạo ra cho nó một ưu thế lớn so với các loại gia công cắt gọt bằng cơ khí. Đặc biệt người ta không chỉ sử dụng một bộ điện cực đơn lẻ mà dùng một đoạn dây dài bằng đồng hay Vônfram để tạo thành một điện cực mở rộng. Các hình dạng mong muốn của mẫu vật sẽ được tạo nên nhờ việc điều khiển sự dịch chuyển giữa điện cực và mẫu vật, chuyển động của các trục … như những loại máy NC khác. Chỉ có một chút khác biệt ở đây là phải hiệu chỉnh khoảng cách giữa các điện cực sao cho phù hợp với các loại vật liệu khác nhau.

H1.24 – Máy cắt dùng tia lửa điện.

82


VII. Sơ lược về ngôn ngữ lập trình G-code.

7.1. Các lệnh cơ bản dùng trên nền máy khoan/phay.

+ G00 X.. Y .. Z .. ; Dịch chuyển nhanh+ G01 X.. Y .. Z .. F.. ; Nội suy đường thẳng

X,Y,Z: Toạ độ điểm đếnF: Bước tiến dao

+ G02 X.. Y .. Z .. I .. J .. K .. F .. ; Nội suy đường tròn theo chiều kim đồng hồ

+ G03 X.. Y .. Z .. I .. J .. K .. F .. ; Nội suy đường tròn ngược chiều kim đồng hồ

X, Y, Z : Toạ độ điểm đếnI, J, K : Khoảng cách từ điểm đầu cung đến tâm cung theo trục

z,y,zChú ý: I, J, K luôn luôn là giá trị gia tăng (tương đối) cho dù đứng trước nó là G90 hay G91. Dấu của giá trị I, J, K phải phù hợp với chiều cắt khi gia công.G03: -I -J âmG02: J dương

Khi cung tròn nhỏ hơn 360o, có thể dùng từ lệnh về bán kính cung với chữ cái R (giá trị ứng với kích thước cung tròn)

VD1: G03 X.. Y .. Z .. R .. ;Khi cung tròn có giá trị tới 180o thì số đứng sau R sẽ có giá trị dương, còn

cung tròn > 180o đến < 360o thì số đứng sau chữ cái có giá trị âm.Cung tròn đầy 360o không dùng bán kính

VD2: G03 X10 Y20 R30 F100

83


+ G40: huỷ lệnh hiệu chỉnh bán kính dao+ G41: hiệu chỉnh bán kính dao ở bên trái đường viền+ G42: hiệu chỉnh bán kính dao ở bên phải đường viền

7.2. Chu trình gia công một số chi tiết

+) G83 chu trình khoanVD3: G83 X.. Y .. Z .. Q .. R .. F .. ;

X, Y: Toạ độ tâm lỗ.Z: Chiều sâu lỗ khoan.Q: Chiều sâu ứng với mỗi lần

cắt vào phôi.R: Khoảng lùi dao an toàn sau

mỗi lần cắt.F: Lượng tiến dao.VD4: dùng lệnh:

G83 X20 Y20 Z -15 Q5 R2 F200

84


G83 X20 Y20 Z-15 Q5 R2 F200;X50 ; Gia công lỗ thứ 2.X120 ; Gia công lỗ thứ 3.

G80 ;+) Các chu trình tương tự G83:

G73G84: Taro G81: Khoan G82: KhoanG74: Taro ren trái

+) G76: Doa

7.3. Chu trình gia công hốc tròn.

VD5:G170 R.. P.. Q.. X.. Y.. Z.. I.. J.. K.. ;G171 P.. S.. R.. F.. B.. J.. ;

+ G170:R: là điểm gốc, là vị trí của dao khi bắt

đầu chu trình gia công.Ro: là vị trí dao chạm vào mặt trên của

phôi.P: thể hiện tính chất gia công

85


Po: cắt thôP1: cắt tinhQ: lượng gia tăng theo trục ZX, Y, Z: toạ độ của tâm hốc tròn và chiều sâuI: lượng cắt tinh thành hốcJ: lượng cắt tinh đáy hốcK: bán kính của hốc tròn

- chiều kim đồng hồ K dương- ngược kim đồng hồ K âm

+ G171P: bề rộng cắt tính theo % đường kính daoS: trị số vòng quay của dao khi cắt thôR: lượng trên dao khi cắt thô theo trục ZF: lượng trên dao khi cắt thô theo trục X, YB: tốc độ trục chính khi cắt tinhJ: lượng cắt dao khi cắt tinh

VD6:Phương án gia công:

1, Phay 1 lần (đáy, thành)2, Phay thô, phay tinh.

Lệnh G170/G171: dao bắt đầu từ tâm hốc tròn -> điểm O chi tiết lấy ở tâm.

Viết chương trình:

86


M06T01: // gọi dao là việc đầu tiênG90 G00 X0 Y0 Z0 S3000 M03: bật trục

[Theo phương án phay 1 lần]G170 R0 P0 Q3 X0 Y0 Z-10 I0 K24;G171 P275 S3000 R75 F100 B3500 J200;

[Cắt thô và cắt tinh]G170 R0 P0 Q3 X0 Y0 Z-10 I0.5 J0.1 K24;G171 P75 S3000 R75 F100 B3500 J2000;

7.4. Chu trình gia công hốc chữ nhật.

G172 - G173+ Cấu trúc:

G172 I .. J .. K .. P .. Q .. R .. X .. Y .. Z .. ;G173 I .. K .. P .. T .. S .. R .. F .. B .. J .. ;

+ Giải thích:Lệnh G172:

I: chiều dài lỗ theo XJ: chiều dài lỗ theo YK: bán kính góc lỗP: tính chất cắtPo: cắt thôP1: cắt tinhQ: lượng gia tăng chiều sâu hốc theo ZR: điểm gốc theo zX, Y: toạ độ góc của hốc theo trục X, Y

Lệnh G173:I: cắt tinh thành hốcK: cắt tinh thành đáy hốcP: bề rộng cắt tính theo %T: số hiệu daoS: tốc độ quay của trục dao khi cắt thôR: lượng tiến dao theo trục Z khi cắt thôF: lượng tiến dao theo trục X, Y khi cắt thôB: tốc độ quay của trục dao khi cắt tinhJ: lượng tiến dao khi cắt tinh

VD7:

87


Lệnh:M06T01G90 G00 X0 Y0 Z0 S300 M03;//Nếu bán kính góc lỗ r = bán kính dao thì K = 0

Cắt thô:G172 I60 J20 K0 P0 Q3 R0 X-30 Y-10 Z-10G173 I0 K0 P75 T1 S3000 R75 F200 B2000 J100

Cắt thô + cắt tinh:G172 I60 J20 K0 P0 Q3 R0 X-30 Y-10 Z-10G173 I0.5 K0.1 P75 T1 S3000 R75 F200 P2000 J100

Kết thúc chu trình:G80

7.5. Một số quy định cơ bản.

a) Các lệnh dùng chung cho máy phay và máy tiện.

88


Mã hiệu Chức năngGOOGO1GO3GO4G20G21G27G28G29G30G31G40G41G42G65G66G67

Dịch chuyển nhanh không cắtDịch chuyển thẳng (nội suy đường thẳng)Dịch chuyển cắt cung tròn( nội suy đường tròn) theo chiều kim đồng hồThời gian trễ /dừng ( 0,1…983 sec )Dữ liệu tính theo hệ AnhDữ liệu tính theo hệ métKiểm tra thực hiện trở về điểm gốcTrở về điểm gốcXuất phát từ điểm gốcVề điểm gốc thứ 2Lệnh nhảyBỏ chế độ bù dao ( bỏ hiệu chỉnh dao)Bù/ hiệu chỉnh dao theo bán kính, về phía trái quỹ đạo cắtBù hiệu chỉnh dao theo bán kính , về phía phải quỹ đạo cắtGọi chu trình MacroGọi chu trình chuẩnHuỷ bỏ lệnh dùng chu trình chuẩn

b) Các lệnh dùng cho máy tiện.Mã hiệu Chức năngG10G22G24G31G32G34G50G70G71G72G73G74G75G76G90G92G94G96G97G98G99

Cài đặt giá trị được xác định theo chương trìnhPhát lệnh kiểm tra ổ tích daoNgừng kiểm tra ổ tích daoLệnh nhảyCắt renCắt ren có bước thay đổiThay đổi hệ tạo độ làm việcChu trình tiện tinhChu trình tiện thôChu trình tiện mặt đầuChuẩn bị mẫuKhoan, khoét lỗ theo trục ZTiện rãnh theo trục XChu trình cắt renChu trình tiện ngoàiChu trình cắt renChu trình tiện mặt đầuLệnh điều khiển tốc độ bề mặt không đổiHuỷ bỏ lệnh G96Tốc độ tiến dao theo mm/phTốc độ tiến dao mm/vòng

89


c) Các lệnh dùng cho máy khoan / phayMã hiệu Chức năngG09G10G11G17G18G19G33G39G43G44G49G50G51G54…G59G60G61G62G63G64G68G69G73G74G76G80G81G82G83G84G85G86G87G88G89G90G91G92G94G95G96G98

Dừng chính xácĐặt dữ liệuHuỷ bỏ đặt dữ liệu Gia công theo mặt phẳng ngang XYGia công theo mặt phẳng đứng XZGia công theo mặt phẳng đứng YZCắt renĐặt góc nội suy đường trònHiệu chỉnh chiều dài dao dương Hiệu chỉnh chiều dài dao âmHuỷ bỏ lệnh hiệu chỉnh chiều dài daoHuỷ bỏ lệnh tỷ lệLệnh tỷ lệChọn hệ tạo độ làm việcXác định vị trí theo một hướngChế độ dừng chính xácTự động khống chế trong giới hạnChế độ cắt renPhương thức cắtXoay toạ độHuỷ bỏ lệnh xoay toạ độChu trình khoan lỗ sâuChu trình taro ren tráiChu trình doa lỗKết thúc các chu trình đã được gọiChu trình khoan tâmChu trình khoan , khoét , khoả mặtChu trình khoan lỗ sâuChu trình taro renChu trình doa lỗChu trình khoét lỗChu trình doa lỗ ngượcChu trình doaChu trình doaKích thước tuyệt đốiKích thước tương đốiĐặt hệ toạ độ làm việcCho đơn vị tiến dao là mm/phútCho đơn vị tiến dao là mm/vòngĐiều khiển tốc độ cắt bề mặt không đổiTrở lại điểm khởi đầu chu trình

90


G99G170/171G172/173

Trở về điểm gốc trong chu trìnhChu trình gia công hốc trònChu trình gia công hốc chữ nhật

d) Các chức năng phụ trợ.Mã hiệu Chức năngM00M01M02M03M04M05M06M07M08M09M10M11M13

M14

M19M20M30

M31M40…M45M70M71M80M81M98M99

Dừng quá trình gia công, khởi động bằng nút STARTDừng có chọn lựa , tương tự như M00Đặt lại chương trìnhQuay trục chính công tác theochiều kim đồng hồQuay trục chính công tác ngược chiều kim đồng hồDừng trục chínhThay dụng cụ / dao tự động Bật vòi phun dung dịch trơn lạnh 2Bật vòi phun dung dịch trơn lạnh 1Tắt vòi phun dung dịch trơn lạnh KẹpNhả kẹpQuay trục chính công tác theo chiều kim đồng hồ và bật vòi phun dung dịch trơn lạnhQuay trục chính công tác ngược chiều kim đồng hồ và bật vòi phun dung dịch trơn lạnhĐịnh hướng trục chínhChức năng M bổ sung (tuỳ chọn theo hãng chế tạo)Kết thúc chương trình gia công NC, tương tự nhu M00 và cuộn lại băng đục lỗNhả khoá hãmThay đổi cấp độ truyềnThực hiện đối xứng gương theo trục XThực hiện đối xứng gương theo trục YNgừng đối xứng gương theo trục XNgừng đối xứng gương theo trục YGọi chương trình conKết thúc chương trình con

Mã code ISO

Ký tự Chức năng điều khiển Ký tự Chức năng điều khiển

AChuyển động quay quanh trục X

RChuyển động thẳng thứ ba song song với trục Z

BChuyển động quay quanh trục Y

STốc độ quay của trục chính máy (vòng/phút)

C Chuyển động quay quanh trục T Tuỳ theo dụng cụ gia công

91


Z (dao)

DGhi kích thước bù dao (hiệu chỉnh dao khi dao mòn)

UChuyển động thẳng thứ hai song song với trục X

EBước tiến dao thứ hai (mm/phút)

VChuyển động thẳng thứ hai song song với trục Y

FBước tiến dao thứ nhất (mm/phút)

WChuyển động thẳng thứ hai song song với trục Z

GChức năng dịch chuyển

XChuyển động cơ bản thẳng theo trục X

H(Tuỳ chọn theo hãng chế tạo)

YChuyển động cơ bản thẳng theo trục Y

ITham số/bước nội suy song song với trục X

L(Tuỳ chọn theo hãng chế tạo)

JTham số/bước nội suy song song với trục Y

MChức năng phụ

KTham số/bước nội suy song song với trục Z

NSố thứ tự câu lệnh

O (Tuỳ chọn theo hãng chế tạo)

PChuyển động thẳng thứ ba song song với trục X

QChuyển động thẳng thứ ba song song với trục Y

VIII. Phương pháp điều khiển máy CNC trong công nghiệp

8.1. Các điểm gốc, điểm chuẩn.

8.1.1. Điểm gốc của máy M.

Quá trình gia công trên máy điều khiển theo chương trình số được thiết lập bằng một chương trình mô tả quỹ đạo chuyển động tương đối giữa lưỡi cắt của dụng cụ và phôi. Vì thế, để đảm bảo việc gia công đạt được độ chính xác thì các dịch chuyển của dụng cụ phải được so sánh với điểm 0 (zero) của hệ thống đo lường và người ta gọi là điểm gốc của hệ tọa độ của máy hay gốc đo lường M (Machine reference zero). Các điểm M được các nhà chế tạo quy định trước.

8.1.2. Điểm chuẩn của máy R.

Để giám sát và điều chỉnh kịp thời quỹ đạo chuyển động của dụng cụ, cần thiết phải bố trí một hệ thống đo lường để xác định quãng đường thực tế (tọa độ thực) so với tọa độ lập trình. Trên các máy CNC người ta đặt các mốc để theo dõi các tọa độ thực của dụng cụ trong quá trình dịch chuyển, vị trí của dụng cụ luôn luôn được so sánh với gốc đo lường của máy M. Khi bắt đầu đóng mạch điều khiển của máy thì tất cả các trục phải được chạy về một điểm chuẩn mà giá trị tọa độ của nó so với điểm gốc M phải luôn luôn không đổi và do các nhà chế tạo máy quy định. Điểm đó gọi là điểm chuẩn của máy R (Machien Reference point). Vị trí của điểm chuẩn này được tính toán chính xác từ trước bởi một cữ chặn lắp trên

92


bàn trượt và các công tắc giới hạn hành trình. Do độ chính xác vị trí của các máy CNC là rất cao (thường với hệ thống đo là hệ Met thì giá trị của nó là 0,001mm và hệ Inch là 0,0001 inch). Khi dịch chuyển về điểm chuẩn của các trục, lúc đầu tốc độ chạy nhanh, sau khi đến gần vị trí chuẩn thì tốc độ chậm lại để có thể định vị một cách chính xác.

Hình1.25: Các điểm gốc và điểm chuẩn trên máy phay đứng và máy tiện

8.1.3. Điểm gốc của phôi W điểm gốc chương trình P và điểm gá đặt C.

Khi bắt đầu gia công, cần phải tiến hành xác định tọa độ điểm gốc của chi tiết hay gốc của chương trình so với điểm M để xác định và hiệu chỉnh hệ thống đo lường dịch chuyển.

Hình 1.26 : Ví dụ về điểm W và điểm P trên máy tiện

Điểm gốc của phôi W: Còn gọi là điểm zero của phôi (Workpiece zero point), ký hiệu là W xác định hệ tọa độ của phôi trong quan hệ với điểm zero của máy (M). Điểm W của phôi được chọn bởi người lập trình và được đưa vào hệ điều khiển của CNC trong quá trình đặt số liệu máy trước khi gia công.

Điểm W của phôi được chọn tùy ý bởi người lập trình trong phạm vi không gian làm việc của máy và của chi tiết. Tuy vậy, nên chọn W nên chọn là một điểm nằm trên phôi để thuận tiện khi xác định các thông số giữa W và M. Giả sử với chi tiết tiện, người ta chọn điểm W đặt dọc theo trục quay (tâm trục chính máy tiện) và

93


có thể chọn đầu mút trái hay đầu mút phải của phôi. Đối với chi tiết phay nên lấy một điểm nằm ở góc làm điểm W của phôi, góc đó thường là ở bên trái, trên mặt phôi và ở phía ngoài.

Điểm gốc chương trình P.

Tùy thuộc vào bản vẽ chi tiết gia công mà người ta sẽ có một hay một số điểm chuẩn để xác định tọa độ của các bề mặt khác. Trong trường hợp đó, điểm này được gọi là điểm gốc chương trình P (Programmed). Trong thực tế nếu P trùng với W sẽ thuận lợi hơn cho quá trình lập trình vì không phải thực hiện nhiều phép toán bổ xung.

Hình 1.27 : Ví dụ chọn điểm P và W khi gia công các lỗ phân bố trên đường tròn.

Điểm gá đặt C: Là điểm tiếp xúc giữa phôi và đồ gá trên máy, nó có thể trùng với điểm gốc của phôi W trên máy tiện. Thông thường khi gia công người ta phải tính đến lượng dư gia công và do vậy điểm C chính là bề mặt chuẩn để xác định kích thước của phôi.

8.1.4. Điểm gốc của dụng cụ.

Để đảm bảo quá trình gia công chi tiết với việc sử dụng nhiều dao và mỗi dao có một hình dạng và kích thước khác nhau được chính xác, cần phải có các điểm gốc của dụng cụ. Điểm gốc của dụng cụ là những điểm cố định và nó được xác định tọa độ chính xác so với các điểm M và R.

Điểm chuẩn của dao P.

94


Hình 1.28 : Điểm chuẩn P của dao tiện (a), dao phay ngón (b), dao phay cầu (c)

Điểm chuẩn của dao là điểm mà từ đó chúng ta lập chương trình chuyển động trong quá trình gia công. Đối với dao tiện, người ta chọn điểm nhọn của mũi dao, với dao phay ngón và mũi khoan người ta chọn điểm P ở tâm trên đỉnh dao, với dao phay cầu chọn điểm P là tâm mặt cầu.

Các điểm gốc của dao (điểm gá đặt dao).

Các dao được sử dụng thông thường có hai loại cán dao (Tool holder) là loại chuôi trụ và loại chuôi côn theo tiêu chuẩn.

Đối với chuôi dao có điểm đặt dụng cụ E, trên lỗ gá dao có điểm gá dụng cụ N. Khi chuôi dao lắp vào lỗ dao thì hai điểm N và E trùng nhau.

Hình1.29 : Các điểm gốc của dụng cụ

Trên cơ sở điểm chuẩn này người ta có thể xác định các kích thước để đưa vào bộ nhớ lượng bù dao. Các kích thước này có thể bao gồm chiều dài của dao tiện theo phương x và z (điểm mũi dao) hay chiều dài của dao phay và bán kính của nó. Các kích thước này có thể được xác định từ trước bằng cách đo trên các thiết bị đo chuyên dùng hay xác định ngay trên máy rồi đưa vào hệ điều khiển của máy CNC để thực hiện việc bù dao.

Điểm thay dao.

Trong quá trình gia công thường phải sử dụng một số loại dao và số lượng dao khác nhau tùy thuộc vào yêu cầu của bề mặt gia công, vì thế phải thực hiện việc

95


thay dao. Trên các máy CNC có cơ cấu thay dao tự động, khi thay dao yêu cầu không được để chạm vào phôi hoặc máy. Vì vậy cần phải có điểm thay dao. Đối với máy phay hoặc các trung tâm gia công thì thường bàn máy phải chạy về điểm chuẩn, còn với máy tiện, thường các dao nằm trên đầu Rovonve nên không cần phải chạy đến điểm chuẩn để thay dao mà có thể đến một vị trí nào đó đảm bảo an toàn để quay đầu rovonve là có thể thay dao nhằm giảm thời gian phụ.

8.2. Các hệ thống điều khiển máy CNC.

Các máy CNC có nguyên lý chuyển động tạo hình về cơ bản giống với các máy công cụ truyền thống, có nghĩa là về mặt thuật ngữ nó cũng mang tên của các máy công cụ như máy tiện, máy phay đứng, máy phay ngang, máy mài… nhưng đã được số hóa và tin học hóa để có thể điều khiển các chuyển động công tác của máy bằng các lệnh được đưa vào hệ thống CNC. Tùy theo yêu cầu của từng loại máy và từng loại cơ cấu điều khiển, hệ điều khiển của CNC có thể chia ra thành ba loại cơ bản: điều khiển điểm – điểm, điều khiển đoạn thẳng và điều khiển đường (tuyến tính hoặc phi tuyến).

Điều khiển điểm - điểmVới các loại máy điều khiển điểm – điểm. Trong quá trình gia công dụng cụ

được định vị nhanh đến tọa độ yêu cầu và trong quá trình dịch chuyển nhanh dụng cụ, máy không thực hiện chuyển động cắt gọt. Chỉ khi đến vị trí yêu cầu nó mới thực hiện các chuyển động cắt gọt. Ví dụ như khoan lỗ, khoét, doa, đột dập, hàn điểm.

Hình 1.30. Điều khiển điểm – điểm.

96


Hình 1.30 : Các dạng chạy dao trong điều khiển điểm--điểm.a) Điều khiển đồng thời theo 2 trục

b) Điều khiển kế tiếp.

Điều khiển điểm - điểm (theo vị trí) được dùng để gia công các lỗ bằng các phương pháp khoan, khoét, doa và cắt ren lỗ. Chi tiết gia công được gá cố định trên bàn máy, dụng cụ cắt thực hiện chạy dao nhanh đến các vị trí đã lập trình (hoặc chạy bàn máy). Khi đạt tới các điểm đích thì dao bắt đầu cắt (hình vẽ).

Vị trí của các lỗ có thể được điều khiển đồng thời hoặc kế tiếp theo 2 trục toạ độ (hình vẽ ).

Điều khiển đường thẳng.Là điều khiển mà khi

gia công dụng cụ cắt thực hiện lượng chạy dao theo 1 đường thẳng nào đó. Trên máy tiện dụng cụ cắt chuyển động song song hoặc vuông góc với trục của chi tiết (trục Z) (hình vẽ). Trên máy phay dụng cụ cắt chuyển động song song với trục Y hoặc trục X (hình vẽ). dụng cụ cắt chuyển động độc lập theo từng trục.

Hình 1.31 :Điều khiển theo đường thẳng

97


Điều khiển theo biên dạng (contour).

Điều khiển theo biên dạng cho phép thực hiện chạy dao trên nhiều trục cùng lúc. Các chuyển động theo các trục có sự quan hệ hàm số ràng buộc với nhau. Dạng điều khiển này được áp dụng trên máy tiện, máy phay và các trung tâm gia công.

Hình 1.32 : Điều khiển contour trên máy tiện (a) và máy phay (b).

Có 3 dạng điều khiển : điều khiển contour 2D, 21/2D và điều khiển 3D (D là kích thước).

- Điều khiển contour 2D: Cho phép thực hiện chạy dao theo 2 trục đồng thời trong 1 mặt phẳng gia công (ví dụ mặt phẳng XZ, XY). Trục thứ 3 được điều khiển hoàn toàn độc lập với các trục kia.

98


- Điều khiển contour 21/2D: điều khiển contour 21/2D cho phép ăn dao đồng thời theo 2 trục nào đó để gia công bề mặt trong 1 mặt phẳng nhất định. Trên máy CNC có 3 trục X, Y, Z ta sẽ điều khiển được đồng thời X và Y, X và Z, hoặc Y và Z. trên các máy phay thì điều này có nghĩa là chiều sâu cắt có thể được thực hiện bất kỳ 1 trục nào đó trong 3 trục, còn 2 trục kia để phay contour (hình vẽ).

- Điều khiển contour 3D: điều khiển contour 3D cho phép đồng thời chạy dao theo cả 3 trục X, Y, Z (hình vẽ). Điều khiển contour 3D được áp dụng để gia công các khuôn mẫu, gia công các chi tiết có bề mặt không gian phức tạp.

Hình 1.33 : Điều khiển contour 3D

99


8.3. Các chỉ tiêu gia công của máy CNC.

8.3.1. Thông số hình học.

Hình : Thông số hình học của máy CNC

Thông số hình học của máy CNC hay của vùng gia công là thông số của không gian mà tong đó dụng cụ cắt và chi tiết gia công có thể tác động qua lại ở bất kỳ vị trí nào. như vậy trên các máy gia công chi tiết quay thì vùng gia công là 1 khối lăng trụ được xác định bằng bán kính và chiều dài dịch chuyển của các toạ độ (hình vẽ) .

Trên các máy gia công chi tiết hình hộp chữ nhật thì vùng gia công là 1 khối hộp được xác định bằng các chiều dài dịch chuyển của các toạ độ (hình vẽ). Các điểm giới hạn của vùng làm việc được đánh số tương tự ký hiệu số của ma trận. Để thuận tiện và dễ nhớ người ta đánh thứ tự các số theo quy tắc sau: số thứ nhất của các chữ số ký hiệu các điểm theo trục thẳng đứng, số thứ 2 của các chữ số ký hiệu các điểm theo trục dọc (trục Z), còn số thứ 3 của các số ký hiệu các điểm theo trục nằm ngang (trục X) (hình vẽ).

100


8.3.2.Thông số gia công.

Là tốc độ chuyển động của các cơ cấu chấp hành và công suất động cơ. người ta dựa vào thông số hình học như kích thước bàn máy phay hay chiều cao của tâm máy tiện để chọn công suất động cơ, tốc độ quay của trục chính và lượng chạy dao. Ví dụ, đối với các máy nhiều dao để gia công các chi tiết hình hộp chữ nhật người ta chọn các thông số gia công như sau:

- Bề rộng của bàn máy (mm)

- Công suất động cơ (KW)

- Tốc độ chạy dao (m/ph)

- Tốc độ chạy dao nhanh (m/ph)

- Thời gian thay dao tự động (s)

400—630

5—11

3150—4000

1—10

6—10

3—7

630—1000

9—15

3150—4000

2.4—8

5—10

3—10

Hình : Bảng thông số gia công máy CNC

8.3.3. Năng suất gia công.

Là số lượng chi tiết gia công trong 1 đơn vị thời gian. Công thức tính năng suất gia công như sau:

T0 _thời gian cơ bản trung bình(ph).

m_số loạt chi tiết được sản xuất trong 1 năm.

n_số lượng chi tiết được sản xuất trong 1 năm.

i_số lượng nguyên công cần thiết để gia công 1 chi tiết.

k_số lượng các nguyên công kiểm tra.

tct_thời gian thay đổi chi tiết gia công .

ttd_thời gian thay dao.

t0_thời gian cơ bản.

tkt_thời gian kiểm tra.

tcbkt_thời gian chuẩn bị -- kết thúc .

Để tăng năng suất ta phải giảm thời gian tcbkt , ttd , tct , t0 , thời gian phụ. Muốn giảm tcbkt ta phải dùng đồ gá vệ tinh và giảm số lượng các loạt chi tiết gia công trên

101

1k

1kt

1i

1tdctcbkt

0

tttttn

m

T

1Q

−−

++++

== ∑∑ ∑


máy (trên 1 máy CNC không nên gia công quá 30—50 loại chi tiết trong 1 năm). Muốn giảm ttd là dùng hệ thống thay dao tự động. Trên các máy thay dao bằng tay nên sử dụng cơ cấu kẹp nhanh. Muốn giảm tct dùng các cơ cấu nhiều vị trí (để thay chi tiết gia công tự động) và đồ gá vệ tinh. Muốn giảm t0 thì: tăng tốc độ cắt( tăng công suất động cơ), sử dụng dao có khả năng cắt với tốc độ cao, gia công với chế độ cắt tối ưu và gia công đồng thời bằng nhiều dao. Muốn giảm thời gian phụ thì tăng tốc độ chạy nhanh của các cơ cấu chấp hành hoặc của dao (cố gắng tăng tốc độ chạy dao nhanh tới 10—15 m/ph).

8.3.4. Độ chính xác của máy CNC

Sai số gia công tổng cộng trên các máy CNC xuất hiện trong các hệ thống truyền động của máy, trong các hệ thống điều khiển và kiểm tra và trong bản thân chi tiết gia công (hình vẽ) .

Hình : Độ chính xác gia công của máy CNC

Các sai số gia công được ký hiệu và giải thích như sau:

δ1, δ2, δ3, δ4 _các sai số lập trình, nội suy, hiệu chỉnh nội suy và sai số của “lệnh trở về điểm O”.

δ5, δ6 _sai số của bước bên trong và sai số tích luỹ của datric.

δ7 _sai số của cơ cấu chuyển đổi tín hiệu.

δ8 _sai số của dreipha đặc tính truyền động( sai số thời gian phát xung).

102

HÖ ®iÒu khiÓn

KiÓm tra vµ ®o luêng

TruyÒn t¶i

§ iÒu khiÓn

KÕt cÊu

§ éng c¬

Chi tiÕ t

M¸ySa

i sè

gia

c«ng

d9

d12

d11

d10

d8

d7

d6

d5

d4

d3

d2

d1

d13

d14

d15

d16

d17

d18

d19

d20

d21


δ9, δ10, δ11 _sai số của truyền động( lực, mômen, tốc độ).

δ12 _sai số của trục vít bi

δ13 _sai số hình học của máy.

δ14, δ15 _sai số biến dạng đàn hồi của máy và đồ gá

δ16 _sai số của kích thước gá đặt dao.

δ17 _sai số do mòn dao.

δ18 _sai số biến dạng đàn hồi của dao.

δ19 _sai số gá đặt của chi tiết gia công

δ20 _sai số biến dạng đàn hồi của chi tiết gia công

δ21 _sai số biến dạng nhiệt của chi tiết gia công

Sai số tổng cộng được xác theo công thức.

∆Σ = ∆1+ ∆2+ ∆3+ ∆4+ ∆5+ ∆6

Trong đó :

∆1 = δ1+ δ2+ δ3+ δ4

∆1 = δ5+ δ6+ δ7

∆1 = δ8+ δ9+ δ10+ δ11+ δ12

∆1 = δ13+ δ14+ δ15

∆1 = δ16+ δ17+ δ18

∆1 = δ19+ δ20+ δ21

8.3.5. Độ tin cậy của máy CNC

Các máy CNC có giá thành rất cao nên nó chỉ mang lại hiệu quả kinh tế khi chúng làm việc liên tục 2 hoặc 3 ca và không có hỏng hóc nào khi làm việc . Trong quá trình làm việc các máy CNC phải đảm bảo độ chính xác gia công và nếu có bị hỏng hóc thì máy phải có khả năng được sửa chữa hoặc thay thế 1 số cơ cấu dễ dàng và thuận tiện.

Vậy độ tinh cậy của máy CNC là tính chất thực hiện chức năng gia công giữ được các chỉ tiêu công nghệ cũng như sửa chữa theo 1 thời gian quy định. Độ tin cậy của máy được đặc trưng bởi 3 tính chất sau:

103


- Tính làm việc không bị hỏng: Tính chất này được đặc trưng bằng sự làm việc liên tục của máy trong 1 thời gian nhất định (thời gian chạy rà và làm việc của máy).

- Tuổi thọ của máy: Tính chất này là sự ổn định làm việc cho tới lúc sửa chữa (1 phần tuổi thọ) và sau đó máy lại tiếp tục làm việc.

- Như vậy 2 tính chất trên đều đặc trưng cho khả năng làm việc của máy (tính chất làm việc không bị hỏng) tồn tại trong 1 khoảng thời gian nhất định, còn tính chất tuổi thọ tồn tại trong suốt thời gian quá trình máy được sử dụng, kể cả thời gian dừng để sửa chữa.

- Khả năng sửa chữa: Tính chất này có nghĩa là người ta có khả năng phát hiện những khuyết tật hỏng hóc của máy và có khả năng sửa chữa những khuyết tật và hỏng hóc đó.

- Đối với các máy CNC thì 2 tính chất 1 và 3 là quan trọng nhất bởi vì các máy CNC có cấu trúc rất phức tạp và có rất nhiều cơ cấu có tác động qua lại lẫn nhau.

8.3.6. Tính vạn năng của máy CNC

Tính vạn năng của máy CNC được xác định bằng chi phí cần thiết để chuyển công nghệ gia công nhóm chi tiết gia công này sang công nghệ gia công nhóm chi tiết gia công khác. Mỗi loại máy hoặc mỗi máy có tính vạn năng riêng, nghĩa là có điều kiện tối ưu để sử dụng máy. Hình vẽ biểu diễn quan hệ giữa chi phí gia công và số chi tiết được gia công sau khi phải điều chỉnh máy. các đường trên hình được giải thích như sau:

Hình : Tính vạn năng của máy CNC

Đường 1_giá thành gia công 1 chi tiết.

Đường 2,4_chi phí cho việc điều chỉnh máy để thay đổi công nghệ gia công số loạt chi tiết (số loạt chi tiết có chi phí theo đường cong 2 nhỏ hơn số loạt chi tiết có chi phí theo đường cong 4).

(Chi phÝ)

N(số lượng chi tiết)

104


Đường 3,5_các chi phí tổng cộng (đường 3 là tổng chi phí của đường 1 và 2, còn đường 5 là tổng chi phí của đường 1 và 4). Như vậy N01 và N02 là các giá trị số loạt tối ưu khi gia công trên máy CNC.

Những tính vạn năng và năng suất của máy lại có ý nghĩa trái ngược nhau: tính vạn năng giảm( số chi tiết gia công trên máy giảm) thì năng suất của máy lại có thể tăng lên (vì ít phải điều chỉnh lại máy).

Khi sử dụng máy CNC người ta có thể xác định được số lượng chi tiết gia công trong loạt là bao nhiêu thì việc gia công trên máy CNC mới hiệu quả kinh tế.

Số lượng chi tiết gia công A trong loạt được xác định theo công thức :

A= C0/(E1- E2)

C0: Chi phí cho lập trình để gia công một loại chi tiết nào đó (chi phí này cho việc lập trình gia công 1 chi tiết có độ phức tạp trung bình là 40 —70 USD).

E1: Tiết kiệm chi phí tiền lương cho gia công 1 chi tiết.

E2: Chi phí bổ sung cho việc sử dụng máy CNC và các trang bị công nghệ đối với 1 chi tiết (khoảng 0,5 —1,5 USD).

105


B - CÁC PHƯƠNG ÁN XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÁY CNC.

I. Lựa chọn phương án di chuyển của các trục tọa độ.

1.1. Phương án phôi cố định.

- Trục Y chuyển động trên bệ máy, trục X chuyển động trên trục Y, trục Z

chuyển động trên trục X:

- Đặc điểm:

+ Như trên hình vẽ, để trục Y có thể vừa trượt được trên bệ đỡ vừa nâng được các trục X và Z thì nó thường phải có kết cấu vững chắc và có các thanh rằng ngang, để toàn bộ phần trượt Y ko bị vênh, xộc xệch khi di chuyển. Đồng thời 2 tấm đỡ 2 bên phải đủ độ dầy để khi bắt vào trục trượt của bệ đỡ thì khớp trượt không bị dơ, đảm bảo trượt ổn định và không có sai số.

106

H2.1 - Chuyển động của các trục khi phôi cố định


+ Trục X trượt trên trục Y nên trên bộ phận trượt trục Y có gắn hệ thống các thanh trượt, cơ cấu truyền động, động cơ… tất cả các bộ phận này chuyển động cùng với trục Y.

+ Trên trục Z có gắn cơ cấu bắt động cơ chạy mũi khoan. Trục Z trượt trên trục X nên trên bộ phận trượt trục X có các thanh trượt, động cơ, cơ cấu truyền động cho trục Z.

+ Trên bệ đỡ có gắn các thanh trượt trục Y và phôi cần gia công.

1.2. Phương án phôi di chuyển trên trục Y , dụng cụ gia công di chuyển theo 2 trục X và Z.

107


- Đặc điểm:

+ Phần cố định bao gồm khung máy (hay bệ đỡ), các trục trượt, động cơ

và cơ cấu truyền động của trục X và Y gắn cố định vào khung máy.

+ Trục X và trục Y đều trượt trên các thanh trượt gắn cố định ở khung,

trục Z là trượt trên trục X, nên trên trục X có gắn thanh trượt, động cơ và cơ

cấu truyền động của trục Z.

+ Trên trục Z có cơ cấu giữ động cơ chạy khoan.

1.3. Phôi di chuyển theo 2 trục X và Y, dụng cụ gia công di chuyển theo trục Z.

Hình 2.3 : Phương án phôi di chuyển theo 2 trục X và Y

108

Trục Z

Trục X

Trục Y

Đầu gá dụng cụ Bàn đặt phôi


*Đặc điểm :

- Phần cố định bao gồm đế máy và phần gá cơ cấu dẫn động của trục Z.

- Phôi được đặt trên bàn máy và có thể di chuyển tự do theo phương trục X và

trục Y trong mặt phẳng ngang nhờ các cơ cấu dẫn động thường là động cơ gắn

liền với trục vít me.

-Đầu gá dụng cụ mang theo dụng cụ gia công thực hiện chuyển động theo

phương trục Z ( trục thẳng đứng ).

1.4. So sánh 3 phương án.

- Với những đặc điểm trên một điều dễ nhận thấy là số lượng, kích thước và

khối lượng các bộ phận chuyển động của phương án phôi cố định là nhiều hơn bao

gồm:

+ Bộ phận trượt trục Z, bao gồm cả cơ cấu bắt động cơ chạy mũi khoan.

+ Bộ phận trượt trục X, bao gồm cả thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền

động của trục Z.

+ Bộ phận trượt trục Y bao gồm cả: các thanh trượt của trục X, động cơ và

cơ cấu truyền động của trục X.

trong khi của phương án phôi di chuyển bao gồm:

+ Bộ phận trượt trục Z, bao gồm cả cơ cấu bắt động cơ chạy mũi khoan.

+ Bộ phận trượt truc X bao gồm cả thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền

động của trục Z.

+ Bộ phận trượt trục Y, không có các thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền

động của trục X.

- Điều nổi bật ở đây là trong phương án phôi cố định, bộ phận trượt trục X

trượt trên trục Y vì vậy bộ phận Y có kết cấu rất to, cồng kềnh khối lượng lớn, lại

cộng thêm khôi lượng của thanh trượt, động cơ và cơ cấu truyền động của trục X,

từ đó dẫn đến tổng khối lượng của phần di động trong phương án này lớn hơn

trong phương án phôi di động tới 2 lần.

- Mặt khác, trong việc thiết kế máy CNC, một tỉ số rất quan trọng đó là tỉ số

giữa khối lượng phần di chuyển và khối lượng phần cố định phải đủ thấp để đảm

109


bảo trong quá trình vận hành máy không bị rung, ảnh hưởng lớn tới các kết cấu, và

độ chính xác của quá trình gia công. Như vậy trong phương án phôi cố định , vì

khối lượng phần di chuyển lớn, tỉ số này tăng cao, nên rất dễ bị rung khi làm việc.

Từ đó người đưa ra giải pháp là tăng khối lượng phần bệ đỡ làm tỉ số giảm xuống

mức độ chấp nhận được, đủ để máy hoạt động bình thường. Tuy nhiên điều này sẽ

làm tăng khống lượng của toàn máy lên cao, đó là lý do mà hầu hết các mẫu máy

hiện nay thiết kế theo phương án này đều có cái bệ đỡ rất to, đôi khi trong một số

ứng dụng cần sự linh hoạt hay vận chuyển nhiều sẽ gặp khó khăn.

Trong 2 phương án di chuyển phôi, thì phương án phôi di chuyển thep hai

phương trục X và trục Y là cho kết cấu máy nhỏ gọn và mang tính công nghệ cao

hơn so với phương án phôi di chuyển theo một phương. Tuy phuơng án này có thể

gặp khó khăn trong khâu chế tạo vì kết cấu khá phức tạp nhưng nó đảm bảo được

tính công nghệ, vấn đề về trọng tâm của máy cũng như đưa mô hình đến gần với

máy CNC trong công nghiệp hơn .

Vì vậy chúng em quyết định chọn kết cấu máy CNC theo phương án phôi

di chuyển theo hai phương của trục X và trục Y

II. Lựa chọn cơ cấu truyền động.

Có 2 phương án chính là dùng vít me đai ốc và dùng đai:

2.1. Vít me đai ốc thường

+ Vít me được gắn đồng trục với động cơ, khi động cơ quay, vít me quay,

động cơ và vit me gắn cố định, làm cho đai ốc sẽ di chuyển dọc theo trục

vít me. Đai ốc thì được gắn chặt vào bộ phận cần chuyển động( trục X, Y,

Z). Từ đó làm cho bộ phận đó chuyển động so với hệ thống thanh trượt,

động cơ và cơ cấu tuyền động.

+ Tốc độ di chuyển được phụ thuộc vào tốc độ động cơ và bước ren của

trục vít, thường thì bước ren rất nhỏ cỡ 1 đến 2 mm, một vòng quay của

trục động cơ sẽ làm đai ốc di chuyển một đoạn bằng bước ren của trục vít,

vì vậy tốc độ di chuyển của bộ phận trượt ở phương pháp này là chậm

110


nhưng lại có độ chính xác khi chuyển động khá cao. Dùng động cơ bước có

bước góc càng nhỏ và trục ren có bước ren nhỏ thì độ chính xác di chuyển

càng cao. Ví dụ nếu dùng động cơ bước với bước góc 1.8 độ làm và trục

ren đường kính 6mm ( bước ren 1mm ) thì độ chính xác di chuyển có thể

đạt được là 0.005mm

+ Một ưu điểm khác là tạo ra lực đẩy lớn khi gia công mẫu vật.

+ Phương án này thường được dùng trong các máy CNC công nghiệp, gia

công các loại vật liệu cứng, kính thước lớn…

2.2. Vit me đai ốc bi

Trong máy công cụ điều khiển số công nghiệp, người ta thường sử dụng 2

dạng vít me – đai ốc đó là vít me – đai ốc với mặt tiếp xúc còn được gọi là

vít me đai ốc thường (như đã giới thiệu ở trên) và một dạng nữa đó là vít

me – đai ốc bi. (hình vẽ). Đây là dạng vit me – đai ốc thay vì ma sát trượt

H2.4 - Truyền động Vít me – Đai ốc

111


thông thường, tiếp xúc giữa vít em và đai ốc thông qua các viên bi được

chuyển thành mà sát lăn. Điều này đem đến một ưu điểm: chỉ cần một lực

quay rất nhỏ đã có thể làm cho đai ốc chuyển động .

Hình 2.5 : Bộ truyền vít me – đai ốc bi có rãnh hồi bi dạng ống

Trên đây là kết câu bộ truyền vit me – đai ốc bi. Tuy có kết cấu đa dạng

nhưng các thành phần chủ yếu của bộ truyền bao gồm: vít me 1, đai ốc 2,

các viên bi 3 và rãnh hồi bi 4.

Vấn đề quan tâm trong bộ truyền vít me – đai ốc bi đó là dạng profin

răng vit me và đai ốc. Frofin răng vit me dạng chữ nhật và hình thang là chế

tạo dễ dang hơn cả cong khả năng chịu tải kém. Để tăng khả năng chịu tải,

người ta tăng bề mặt làm việc của bộ truyền bằng cách chế tạo frofin dạng

tròn .

Một vấn đề cũng rất quan trọng trong kết cấu của bộ truyền dó là kết

cấu của rãnh hồi bi: rãnh hồi bi có thể là dạng ống, hoặc dạng theo lỗ khoan

trong đai ốc hoặc là dạng rãnh hồi bi gữa hai vòng ren kế tiếp .

-Rãnh hồi bi dạng ống có nhược điểm là tăng kích thước bộ truyền,

độ bền mòn của đầu ống thấp, kẹp chặt ống có độ tin cậy không cao .

- Rãnh hồi bi theo lỗi khoan trên đai ốc có ueue điểm là kết cấu gọn

và tính công nghệ tốt song khả năng tách thành nhiều nhóm hồi bị khó

khăn.

112


- Rãnh hồi bi giữa hai vòng ren kế tiếp: là dạng hồi bi được dùng

nhiều hơn cả do có kích thước gọn nhất, không bị mòn nhanh, độ tin cậy

cao và chiều dài rãnh hồi bi lớn.

Hình 2.6 : Bộ truyền vit me – đai ốc bi với rãnh hồi bi theo lỗ khoan trên

đai ốc và rãnh hồi bi giữa 2 vòng ren kế tiếp

2.3. Phương án dùng đai.

+ Sử dụng một vòng đai cao su khép kín với các răng cưa ở mặt trong. Hai

đầu của đai được đặt vừa vào 2 cái lô có cùng kính thước răng cưa với đai. Một cái

lô bắt chặt vào trục động cơ, còn cái lô kia được gắn vào một trục quay ở phía bên

kia của khu vực chuyển động sao cho lô có thể qua tự do tại chỗ. Một đoạn của đai

được gắn với bộ phận cần trượt. Khi động cơ quay, toàn bộ đai dịch chuyển và kéo

theo bộ phận đó di chuyển.

+ Tốc độ di chuyển phụ thuộc vào tốc độ động cơ và đường kính của lỗ. Một

vòng của trục động cơ sẽ làm bộ phận trượt di chuyển một đoạn bằng với chu vi

của lô (thường là cỡ 20-30 mm). Rõ ràng phương án này có tốc độ di chuyển

nhanh hơn rất nhiều

+ Nhưng đổi lại, độ chính xác di chuyển sẽ thấp có thể dẫn đến những sai lệch

khi gia công. Và lực đẩy nhỏ nên khi gặp tải lớn sẽ bị trượt bước (khi dùng động

cơ bước).

113


+ Phương án này thường được sử dụng trong các loại máy cần tốc độ di chuyển

nhanh mà không cần công suất lớn, như máy in, máy photocopy, máy cắt đề can…

III. Lựa chọn loại khoan.

Hiện nay trên thị trường tồn tại 3 loại :

c) Máy khoan tay, máy mài thông thường dùng điện 220V.

Các máy này có đặc điểm:

+ Công suất lớn, tốc độ cao.

+ Kích thước, khối lượng lớn.

+ Giá vừa phải.

H2.5 - Truyền động bằng Đai

114


b) Dùng các động cơ một chiều có tốc độ cao.

Đặc điểm :

+ Tốc độ tối đa khoảng 6000 vòng/phút. Dùng điện một chiều

24VDC

+ Kích thước vừa phải, khối lượng nhỏ, dễ gá đặt. Giá thành hạ

+ Tuy nhiên, gặp khó khăn trong việc xử lý đồng tâm giữa đầu

khoan và trục động cơ

H2.6 - Các loại máy khoan/ mài tay

H2.7 - Động cơ một chiều

115


c) Dùng máy khoan trục mềm.

Cấu tạo gồm 4 phần:+ Động cơ quay mũi phay: Đây là một động cơ dùng điện 220V, tốc độ lên đến

22000 vòng/phút, công suất lớn ( 230W).

+ Bộ phận kẹp mũi khoan: Tách rời khỏi động cơ quay mũi khoan, có kích

thước khối lượng rất nhỏ.

+ Bộ phận truyền động mềm bằng lò so: Một loại lò so đặc biệt có độ cứng

nhỏ, nhưng độ đàn hồi lớn. Một đầu gắn vào trục động cơ, một đầu gắn vào trục

kẹp mũi phay. Khi động cơ quay, làm lo so xoắn lại, do độ đàn hồi tốt, nó sẽ kéo

H2.8: Khoan trục mềm

116


theo trục kẹp mũi khoan quay với tốc độ bằng với tốc độ của động cơ (ở trạng thái

ổn định).

+ Bàn đạp điều khiển tốc độ: làm thay đổi biến trở, tăng giảm dòng qua động

cơ, làm thay đổi tốc độ phay.

- Giá thành của loại này chỉ nhỉnh hơn giá của máy khoan tay một chút.

d) Vậy lựa chọn khoan trục mềm làm động cơ khoan vì :

- Dễ dàng trong việc gá động cơ với phần đầu gá dụng cụ

- Khi sản phẩm ở tính chất mô hình , chỉ yêu cầu gia công những viật liệu

mềm (nhựa), lực cắt không cần lớn thì khoan trục mềm là đảm bảo có thể gia công

được

- Đảm bảo độ đồng tâm giữa mũi khoan và măng ranh

IV. Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng các trục :

Có khá nhiều phương án để dẫn hướng các trục của máy CNC. Ở đây, chúng

em xin đề cập đến 2 cách dẫn hướng phổ biến nhất: đó là dẫn hướng bằng cặp trục

trơn và dẫn hướng bằng sống trượt dạng mang cá :

b) Dẫn hướng bằng cặp trục trơn :

Theo phương án này, Trục vít me được bố trí cố định với khung máy ở

giữa hai trục trơn. Khi động cơ quay vít me, đai ốc gắn cố định trên bàn máy hoặc

117


đầu gá dụng cụ sẽ di chuyển kéo theo bàn máy hoặc đầu gá dụng vụ di chuyển

theo. Cả cơ cấu sẽ trượt trên cặp trục trơn như hình vẽ.

Ưu điểm của phương án này đó là dễ chế tạo các trục trơn và cớ cấu gá các

trục trơn lên khung máy. Song nhược điểm chính là độ không song song giữa hai

trục có thể khiến cho cơ cấu di chuyển bị kẹt. Khi đó sẽ phải cạo sửa các trục trơn

và các lỗ cho trục trơn đi qua trên cơ cấu khá mất thời gian. Mặt khác, việc đảm

bảo độ nhẵn bóng của trục trơn và lỗ để có thể di động một cách dễ dàng ( tiếp xúc

mặt) là khá khó khăn.

b) Dẫn hướng bằng sống trượt dạng mang cá.

Theo phương án này m trục vít me được nối với động cơ được gắn chặt vào

phần cố định của mang cá 1. Đai ốc được gắn chặt vào rãnh mang cá 2. Khi động

cơ quay trục vít me, đai ốc sẽ kéo rãnh mang cá 2 trượt tịnh tiến theo mang cá 1

(hình vẽ).

Ưu điểm của phương án này là kết cấu máy sẽ rất gọn nhẹ và mang tính

công nghệ cao và có kết cấu gần giống với máy CNC trong công nghiệp.

118

Tiếp xúc dạng mang cá

12


Nhược điểm: Việc gia công sống trượt mang cá phức tạp hơn việc gia công

các trục trơn (có thể mua sẵn). Tuy vậy, với khả năng công nghệ, có sẵn thiết bị gia

công (các máy vạn năng: bào, phay) thì hoàn toàn có thể thực hiện được việc gia

công sống trượt và rãnh mang cá với độ chính xác có thể chấp nhận được

V. Kết luận.

- Với mục tiêu chế tạo một máy CNC dùng cho phòng thí nghiệm, với các tiêu

chí gọn nhẹ, tốc độ di chuyển vừa phải, để khi cần có thể dùng làm thiết bị thí

nghiệm, hoạt động ổn định, không rung khi chạy ở tốc độ cao, thì chúng em đã

chọn phương án thiết kế như sau:

+ Dùng phương án phôi di động theo hai phương trục X và trục Y để đạt được

tiêu chí gọn nhẹ, giảm rung khi hoạt động.

+ Kết hợp với phương án truyền động bằng trục vít để đạt được độ chính xác

di chuyển và và từ đó dẫn đến đạt được độ chính xác gia công cao hơn.

+ Sử dụng khoan trục mềm làm động cơ khoan/phay có thể đảm bảo được tốc

độ và lực cắt yêu cầu khi gia công vật liệu mềm (nhựa, nhôm , xốp, gỗ), đảm bảo

độ đồng tâm giữa đầu gá dụng cụ với đường tâm dụng cụ.

+ Lựa chọn sử dụng động cơ bước loại có bước dịch chuyển nhỏ 1.8 độ/1 bước

để làm tăng độ chính xác trong di chuyển.

*Ghi chú: thông thường, máy CNC thường dùng động cơ servo, có thêm bộ

phận phản hồi bù sai số, nhưng do hiếm thấy ở Việt Nam và giá thành rất cao nên

chúng em quyết định sử dụng động cơ bước, tuy không có phản hồi nhưng khả

năng điều khiển chính xác là có thể chấp nhận được với mục đích làm mô hình cho

phòng thí nghiệm.

+ Lựa chọn cơ cấu dẫn hướng là sống trượt dạng mang cá để nhằm đạt mục

đích giảm kích thước của máy và tránh được khó khăn khi phải lắp ráp chính xác

các trục trơn. Trên thực tế, việc gia công chính xác các rãnh mang cá với điều kiện

cơ khí ở Việt Nam là không dễ dàng, nên có thể khi chế tạo sẽ tách rãnh mang cá

ra làm nhiều chi tiết nhỏ và tiến hành ghép lại

119


C - KẾT CẤU CƠ KHÍ CHÍNH CỦA MÁY CNC VÀ QUY TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH.

I. Kết cấu chung của máy CNC.

120


Kết cấu cơ khí máy CNC được chia ra làm 4 bộ phận chính :

121

1

2

3

4

Y


1.1. Phần cố định.

Phần cố định bao gồm: đế, Ụ sau, Mang cá trục Y, mang ca trục Z và hai cơ

cấu truyền động: động cơ bước - trục vít

1.2. Phần di chuyển dọc theo trục Z.

Phần di chuyển dọc trục Z bao gồm: Rãnh mang cá trục Z, động cơ quay

đầu gá dụng cụ, đầu gá dụng cụ gia công và con chạy ( đai ốc ). Hình vẽ :

122


1.3. Phần di chuyển dọc theo trục X.

Phần di chuyển dọc theo trục X bao gồm: Rãnh mang cá trục X (chính là

bàn máy), Cụm cơ cấu truyền động: động cơ bước – trục vít và êtô kẹp phôi.

1.4. Phần di chuyển dọc theo trục Y.

Đây là một bộ phận có kết cấu tương đối phức tạp: nửa trên là mang các

trượt với rãnh mang cá trục X, nửa dưới là Rãnh mang cá trượt với mang cá trục Y.

123


II.Các chi tiết chính trong máy CNC

Do kết cấu cơ khí các thành phần chính của máy CNC chủ yếu là các mang

cá và rãnh mang cá tương đối phức tạp nên với điều kiện nhà xưởng cơ khí hiện

có, chúng em xin đề ra các phương án tách các bộ phận chính ra làm nhiều chi tiết

nhỏ để thuận tiện cho việc gia công như sau.

2.1.Chi tiết Đế mang cá.

Chi tiết bao gồm có đế của máy và phần mang cá làm nhiệm vụ dẫn hướng

cho phần trung gian có thể trượt dọc theo trục Y. Nếu giữ nguyên kết cấu thì khi

gia công sẽ mất nhiều thời gian và khó đạt độ chính xác, chúng em đề ra phương

án tách riêng phần đế và phần mang cá dẫn hướng sau đó ghép lại bằng các ốc

124


Như vậy sẽ tiết kiệm được phôi liệu và thuận tiện chi việc gia công hơn. Yêu cầu

kỹ thuật khi lắp ráp hai chi tiết này với nhau là phải đảm bảo độ song song giữa

mặt bên của đế với đường sinh của mang cá

2.2. Chi tiết dẫn hướng trung gian.

Đây là bộ phận rất quan trọng trong kết cấu máy CNC , bởi nó bao gồm 1

rãnh trượt mang cá theo phương Y và một sống trượt mang cá theo phương X. Nó

phải đảm bảo được độ vuộng góc giữa đường sinh của rãnh mang cá ở dưới với

đường sinh của sống trượt mang cá ở trên. Do sự phức tạp trong kết cấu, phươn án

được tách ra làm nhiều phần nhỏ như sau:

125


Chi tiết lớn được tách thành 4 chi tiết nhỏ như hình vẽ: Hai chi tiết có mặt

cắt hình thang, trong đó một chi tiết có chiều rộng lơn hơn sẽ được gắn chặt vào

thân của bộ phận dẫn hướng, chi tiết dạng thang còn lại để điều chỉnh khe hở với

sống trượt dẫn hướng theo phương Y của đế mang cá. Chi tiết sống trượt dẫn

hướng mang cá theo phương X được gia công riêng, sau khi ghép lại bằng các ốc

với đem khoan lỗ để lắp đai ốc.

Với việc chia ra nhiều chi tiết chỏ như vậy thuận tiện cho gia công. Yêu cầu

kỹ thuật khi lắp ráp là phải đảm bảo độ vuông góc giữa 2 lỗ lắp cá bạc ren (đai ốc)

và độ vuông góc giữa đường sinh rãnh mang theo phương Y cá với đường sinh

sống trượt theo phương X.

2.3. Chi tiết sống trượt mang cá trục Z.

Đây là một chi tiết khá đơn giản nhưng nó cũng là một chi tiêt quan trọng, đòi hỏi

sự lắp ráp chính xác. Yêu cầu kỹ thuật khi lắp ráp chi tiết này chính là việc đảm

bảo độ vuông góc đường sinh mang cá so với mặt phẳng xOy. (mặt phẳng ngang).

Muốn vậy, các lỗ bắt ốc phải được gia công với độ chuẩn xác cao.

126


2.4. Chi tiết rãnh trượt mang cá trục Z.

Tương tự như chi tiết dẫn hướng trung gian, chi tiết này chúng em cũng chia ra

làm 3 chi tiết nhỏ để thuận tiện cho việc gia công .

2.5. Chi tiết bàn máy.

Bàn máy thực chất cũng là một rãnh mang cá, nó di chuyển dọc theo

phương X nhờ lực đẩy của truc vít. Đối với chi tiết này, để có thể khử được khe hở

giữa rãnh mang cá của bàn máy với sống trượt mang cá của dẫn hướng trung gian

là điều không dễ, đòi hỏi phải có công nghệ gia công chêm côn khá phức tạp . Vì

vậy chúng em lựa chọn giải pháp cố định cả hai bên rãnh mang cá và tính toán

127


chính xác kích thước sao khe hở giữa sống trượt và rãnh là 0.05mm để tránh tình

trạng kẹt

2.6. Chi tiết Etô kẹp phôi.

Việc chế tạo êtô khá là phức tạp vì phải đúc phôi, Vì vậy chúng em chọn

mua những êtô có sẵn và gia công lại cho phù hợp với mục đích của đồ án

III.Quy trình công nghệ gia công các chi tiết điển hình :

3.1 Thiết kế quy trình công nghệ gia công gá động cơ.

3.1.1. Xác định đường lối công nghệ.

Do dạng sản xuất là đơn chiếc và điều kiện gia công phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam,chủ yếu là dùng các máy công cụ vạn năng.Do kết cấu của gá động cơ không quá phức tạp,độ cứng vững không cao.Vì vậy ta chọn phương án phân tán nguyên công, qui trình công nghệ được chia thành các nguyên công đơn giản để sử dụng máy vạn năng. Mỗi máy thực hiện một nguyên công nhất định,đồ gá sử dụng là đồ gá chuyên dùng. Để tận dụng được điều kiện máy móc ở Việt Nam và thuê lao động rẻ nhằm nâng cao tính hiệu quả của chi tiết.

3.1.2. Lập qui trình công nghệ.

Gá động cơ là một chi tiết dạng bạc vì vậy nó tuân theo qui trình công nghệ gia công chi tiết dạng bạc,nó bao gồm các giai đoạn chính sau:

- Gia công mặt phẳng chuẩn

128


- Dùng mặt phẳng làm chuẩn tinh để lần lượt gia công các mặt còn lại như: + Gia công mặt trụ tròn ngoài.+ Gia công các trụ trong.+ Gia công các mặt bích+ Gia công các lỗ bắt động cơ và lỗ bắt vào thân máy.

- Dựa trên qui trình công nghệ điển hình như đã trình bày ở trên và điều kiện cụ thể kết cấu của êtô được trình tự các nguyên công như sau:

+ Nguyên công 1: Tiện mặt đầu làm mặt phẳng chuẩn tinh thống nhất, tiện trụ tròn ngoài , tiện mặt đầu bích và khoan lỗ Ø10 để tiện trong.

+ Nguyên công 2: Tiện trụ tròn trong, tiện mặt ngoài và mặt đầu bích.+ Nguyên công 3: Tiện lỗ lắp ổ bi Ø16+ Nguyên công 4: Khoan 4 lỗ Ø5 ( lỗ xỏ bulông bắt động cơ )+ Nguyên công 5: Khoan 2 lỗ Ø5 xỏ vít cấy bắt lên thân máy.+ Nguyên công 6: Phay vát các cạnh của gá động cơ.

3.1.3. Thiết kế nguyên công.

Nguyên tắc chung khi thiết kế nguyên công là đảm bảo được độ chính xác và năng suất yêu cầu. Năng suất và độ chính xác phụ thuộc vào chế độ cắt,lượng dư,số bước và thứ tự các bước công nghệ… Vì vậy khi thiết kế nguyên công phải dựa vào dạng sản xuất,phương pháp phân tán nguyên công để chọn sơ đồ nguyên công hợp lý.

Lập sơ đồ gá đặt theo quy ước mặt định vị được vẽ bằng màu xanh và vẽ các ký hiệu định vị(√) với số bậc tự do được khống chế bằng số định vị. Lực kẹp được ký hiệu bằng mũi tên(↓). Bề mặt gia công được vẽ bằng màu đỏ.

a) Nguyên công 1: Tiện mặt đầu làm mặt phẳng chuẩn tinh thống nhất, tiện trụ tròn ngoài , tiện mặt đầu bích và khoan lỗ Ø10 để tiện trong.- Sơ đồ định vị:

129


+ Mâm cặp 3 chấu định vị mặt đầu 3 bậc tự do và mặt trụ 2 bậc tự do.+ Lực kẹp do mâm cặp ba chấu kẹp

- Chọn máy tiện:

Thực hiện trên máy tiện vạn năng T620 ; công suất N = 7 (Kw).

- Chọn dao :

Sủ dụng dao có gắn mảnh hợp kim cứng T15K6 (15%TiTan,6%Coban).(Tra bảng

4-3-trang 298 Sổ tay công nghệ chế tạo máy I).

- Chọn loại dao:

+ Cho bề mặt B : sủ dụng dao tiện ngoài thân cong có gắn mảnh hợp kim

cứng

Có các thông số sau :

H = 20 (mm), B = 16 (mm), L = 120 (mm), m = 8(mm), a = 14 (mm),

r = 1 (mm).

b) Nguyên công 2: Tiện trụ tròn trong, tiện mặt ngoài và mặt đầu bích.

- Sơ đồ định vị:

130


+ Mâm cặp ba chấu định vị mặt đầu ba bậc tự do , mặt trụ của bích 2 bậc tự do+ Lực kẹp do mâm cặp ba chấu kẹp.


Thực hiện trên máy tiện vạn năng T620; công suất N = 7 (Kw).

- Chọn dao :

Sủ dụng dao có gắn mảnh hợp kim cứng T15K6 (15%TiTan,6%Coban).

(Tra bảng 4-3-trang 298 Sổ tay công nghệ chế tạo máy I).

- Chọn loại dao :

Cho bề mặt A : Sủ dụng dao tiện ngoài thân cong có gắn mảnh hợp kim cứng

Các thông số của dao: H = 20 (mm), B = 16 (mm), L = 120 (mm), m = 8(mm),

a = 14 (mm), r = 1 (mm).

Cho bề mặt E:

Sủ dụng dao tiện ngoài thân cong có gắn mảnh hợp kim cứng .Các thông số của dao: H = 20 (mm), B = 16 (mm), L = 120 (mm), m = 8(mm), a = 15 (mm), r = 1 (mm)

c) Nguyên công 3: Tiện lỗ lắp ổ bi Ø16- Sơ đồ định vị:

131


+ Mâm cặp ba chấu định vị mặt đầu bích 3 bậc tự do , mặt trụ ngoài bich 2 bậc tự do

+ Lực kẹp do mâm cặp 3 chấu kẹp.


Thực hiện trên máy tiện vạn năng T620 ; công suất N = 7 (Kw).

- Chọn dao :

Sủ dụng dao có gắn mảnh hợp kim cứng T15K6 (15%TiTan,6%Coban).

(Tra bảng 4-3-trang 298 Sổ tay công nghệ chế tạo máy I).

- Chọn loại dao:

Cho bề mặt lỗ trong B : sủ dụng dao tiện lỗ có gắn mảnh hợp kim cứng góc

nghiêng chính ϕ = 600. Bảng 4- 13 trang 301 STCNCTM tập I

+ Các thông số của dao tiện trong

chiều cao của cán dao : h = 20 (mm)

chiều rộng của cán dao: b = 20 (mm)

chiều dài của dao: L = 140 (mm)

n = 5,5 (mm).

d) Nguyên công 4: Khoan 4 lỗ Ø5 ( lỗ xỏ bulông bắt động cơ ).- Sơ đồ định vị:

132


W W

+Dùng phiến tỳ định vị mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Chốt trụ ngắn định vị mặt trong lỗ 2 bậc tự do.+ Lực kẹp từ trên xuống thực hiện bằng bulông.

- Chọn máy khoan:

Thực hiện trên máy khoan đứng vạn năng kiểu máy Việt Nam K125; công suất N

= 2,8 (Kw).tra trong bảng 7-23 trang 469 Sổ tay CNCTM - 2000.

- Chọn dao :

Tra theo bảng 4-40 trang 319 Sổ tay CNCTM Tập I.

Sủ dụng mũi khoan ruột gà bẵng thép gió với các thông số :

Đường kính mũi khoan d = 5 (mm).

Chiều dài mũi khoan L = 70 (mm).

133


Chiều dài phần làm việc l = 40 (mm).

e) Nguyên công 5: Khoan 2 lỗ Ø5 xỏ vít cấy bắt lên thân máy- Sơ đồ định vị:

+ Dùng phiến tỳ định vị mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Chốt trụ ngắn định vị mặt bên lỗ 2 bậc tự do.+ Một chốt định vị lỗ Ø5 hạn chế một bậc tự do (chống xoay)+ Lực kẹp hướng từ trên xuống và thực hiện bằng xiết bulong.

- Chọn máy khoan:

Thực hiện trên máy khoan đứng vạn năng kiểu máy Việt Nam K125; công suất N

= 2,8 (Kw).tra trong bảng 7-23 trang 469 Sổ tay CNCTM - 2000.

- Chọn dao :

134


Tra theo bảng 4-40 trang 319 Sổ tay CNCTM Tập I.

Sủ dụng mũi khoan ruột gà bẵng thép gió với các thông số :

Đường kính mũi khoan d = 5 (mm).

Chiều dài mũi khoan L = 70 (mm).

Chiều dài phần làm việc l = 40 (mm).

f) Nguyên công 6: Phay vát các cạnh của gá động cơ - Sơ đồ định vị được thể hiện như hình vẽ:

+ Dùng phiến tỳ định vị mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Chốt trụ ngắn định vị mặt bên lỗ 2 bậc tự do.+ Một chốt định vị lỗ Ø5 hạn chế một bậc tự do (chống xoay)+ Lực kẹp hướng từ trên xuống và thực hiện bằng xiết bulong.

135


- Chọn máy: Chọn máy phay đứng vạn năng 6H12 với các thong số máy như sau:+ Công suất động cơ: N=10 (kw).+ Kích thước bàn máy: 400x1600 (mm).+ Hiệu suất máy: η=0,75.+ Giới hạn vòng quay: 30÷1500 (vòng/phút).+ Số cấp tốc độ: 18.

- Chọn dao :

Chọn dao phay ngón chuôi trụ.

Các thông số của dao :

Đường kính của dao : d = 20 (mm).

Chiều dài làm việc của dao : d = 30 (mm).

Chiều dài của dao : L = 40 (mm).

Số rãng của dao loại 1 : Z = 5 (mm).

3.2 Thiết kế quy trình công nghệ gia công sống trượt.

3.2.1. Xác định đường lối công nghệ.

Do dạng sản xuất là hàng loạt và điều kiện gia công phù hợp với điều kiện thực tế ở Việt Nam,chủ yếu là dùng các máy công cụ vạn năng.Do kết cấu của sống trượt không quá phức tạp,độ cứng vững không cao.Vì vậy ta chọn phương án phân tán nguyên công,qui trình công nghệ được chia thành các nguyên công đơn giản để sử dụng máy vạn năng. Mỗi máy thực hiện một nguyên công nhất định,đồ gá sử dụng là đồ gá chuyên dùng.Để tận dụng được điều kiện máy móc ở Việt Nam và thuê lao động rẻ nhằm nâng cao tính hiệu quả của chi tiết.

3.2.2. Lập qui trình công nghệ.

Sống trượt là một chi tiết dạng hộp vì vậy nó tuân theo qui trình công nghệ gia công chi tiết dạng hộp,nó bao gồm các giai đoạn chính sau:

- Gia công mặt phẳng chuẩn- Dùng mặt phẳng làm chuẩn tinh để lần lượt gia công các mặt còn lại như:

+ Gia công các mặt phẳng còn lại.+ Gia công các lỗ để gá đặt sống trượt lên bàn máy và điều chỉnh.+ Gia công chính xác các rãnh mang cá. + Kiểm tra.

136


- Dựa trên qui trình công nghệ điển hình như đã trình bày ở trên và điều kiện cụ thể kết cấu của chi tiết được trình tự của các nguyên công như sau:

+ Nguyên công 1: Đúc phôi ( phôi đúc đã có sẵn nên nguyên công này được bỏ qua).+ Nguyên công 2: Phay thô hai mặt đáy. + Nguyên công 3,4: Phay hai mặt côn.+ Nguyên công 5: Phay hai mặt đầu của sống trượt.+ Nguyên công 6: Khoan bốn lỗ bậc Ø6/Ø12+ Nguyên công 7: Mài tinh mặt trượt.+ Nguyên công 8: Đánh bóng và sửa nguội hai mặt côn.+ Nguyên công 9: Kiểm tra độ không song song của hai mặt phẳng.

3.3.3. Thiết kế nguyên công

Nguyên tắc chung khi thiết kế nguyên công là đảm bảo được độ chính xác và năng suất yêu cầu.Năng suất và độ chính xác phụ thuộc vào chế độ cắt,lượng dư,số bước và thứ tự các bước công nghệ… Vì vậy khi thiết kế nguyên công phải dựa vào dạng sản xuất,phương pháp phân tán nguyên công để chọn sơ đồ nguyên công hợp lý.

Lập sơ đồ gá đặt theo quy ước mặt định vị được vẽ bằng màu xanh và vẽ các ký hiệu định vị(√) với số bậc tự do được khống chế bằng số định vị.Lực kẹp được ký hiệu bằng mũi tên(↓).Bề mặt gia công được vẽ bằng màu đỏ.a) Nguyên công 1: Cắt phôi (Bỏ qua).b) Nguyên công 2: Phay hai mặt đáy.

- Sơ đồ định vị như hình vẽ:

+ Dùng phiến tì mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Ma tĩnh êtô hạn chế 2 bậc tự do.+ Lực kẹp thực hiện bằng lực kẹp của êtô.

137


- Chọn máy: Chọn máy phay đứng vạn năng 6H12.+ Công suất động cơ N=7kW, hiệu suất 0,75.+ Số vòng quay trục chính (vòng/phút): 30; 37,5; 47,5; 60; 75; 95; 118;

150; 190; 235; 300; 375; 475; 600; 750; 950; 1180; 1500.+ Lượng chạy dao dọc và ngang (mm/phút): 19; 23,5; 30; 37,5; 47,5; 60;

75; 95; 118; 150; 190; 235; 300; 375; 475; 600; 750; 900.+ Lực cắt chiều trục lớn nhất cho phép tác dụng lên bàn máy:

Pxmax = 19650 [N] (2000kg).- Chọn dao: Chọn dao phay mặt đầu răng chắp mảnh hợp kim cứng BK6 với

các thông số: D(mm) B(mm) d(H7) Số răng Z 100 50 32 12

c) Nguyên công 3,4: Phay hai rãnh trượt.- Sơ đồ định vị:

W

W

+ Dùng phiến tì mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Má tĩnh của êtô hạn chế 2 bậc tự do.+ Lực kẹp thực hiện bằng lực kẹp của êtô.

- Chọn máy: Chọn máy phay nằm vạn năng 6H82.- Chọn dao: Tra bảng 4.95 TI.

D(mm) B(mm) d(H7) Số răng Z

138


100 50 32 8

d) Nguyên công 5:Phay hai mặt đầu của sống trượt.- Sơ đồ định vị:

Rà gá.

+ Dùng phiến tì định vị mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Lực kẹp hướng vào phiến tì, thực hiện bằng đòn kẹp.

- Chọn máy: Chọn máy phay ngang vạn năng 6H12.- Chọn dao: Dao phay góc có các thông số sau:

+ Đường kính của dao: D=50mm.+ Ciều cao của phần cắt: D=16mm.+ Đường kính của trục gá dao: d=16mm.+ Góc nghiêng của dao là φ =60.+ Góc lượn ở mũi dao là 1.

e) Nguyên công 6: Khoan theo dấu 4 lỗ bậc Ø6/Ø12 - Sơ đồ định vị như hình vẽ:

139


+ Dùng phiến tì định vị mặt đáy hạn chế ba bậc tự do.+ Lực kẹp hướng vào phiến tì thực hiện bằng đòn kẹp.

- Chọn máy: Chọn máy khoan cần 2H53 có các thông số sau:+ Đường kính khoan lớn nhất là :35mm. + Dịch chuyển khoan lớn nhất của đầu khoan là: 900mm.+ Công suất động cơ chính : 2,8kW.+ Công suất động cơ nâng cần là : 1,7kW.+ Khối lượng máy :là 2900kg.

- Chọn dụng cụ cắt: Mũi khoan ruột gà đuôi côn kiểu II: D= 6mm; D=12mm. chiều dài của mũi khoan là L=144mm, l=63mm.

f) Nguyên công 7: Mài tinh hai mặt đáy.- Sơ đồ định vị:

W W

+ Chi tiết được kẹp chặt trên bàn từ, trong đó có sử dụng miếng đệm để cố định chi tiết trên bàn từ.

+ Chuyển động của đá là quay tròn tại chỗ và tịnh tiến vuông góc với bàn máy, còn bàn máy mang chi tiết chuyển động qua lại để mài hết chiều dài chi tiết.

- Chọn máy: Chọn máy mài phẳng của Nga kí hiệu là 3II732. Các thông số cơ bản của máy là:

+ Công suất động cơ truyền dẫn chính: 22kW.

140


+ Tốc độ quay của trục chính đá mài là: 1500vòng/phút.+ Tốc độ dịch chuyển dọc của bàn (điều chỉnh vô cấp): 3-35m/phút.+ Khối lượng máy: 7730kg.

g) Ngyên công 8: Sửa nguội và đánh bóng hai mặt côn.- Sơ đồ định vị như hình vẽ:

W

+Nguyên công này được thực hiện thủ công bằng giấy ráp , có kiểm tra kích thước bằng thước kẹp. Chi tiết được kẹp trên êtô .

h) Ngyên công 9: Kiểm tra độ không song song của hai mặt phẳng.- Sơ đồ kiểm tra như hình vẽ:

B1

+ Kiểm tra các kích thước + Đo độ không song song giữa hai bề mặt

141


D - NGUYÊN LÝ ĐIỀU KHIỂN MÁY CNC.

I. Sơ đồ khối của hệ thống điều khiển

Nhiệm vụ của các khối như sau :

1.1. Khối nguồn.

Bộ nguồn lấy điện 220V-AC và cho ra nguồn điều khiển công suất 12V. Để

ổn định nguồn cho mạch điều khiển , chúng em lấy nguồn 5V thông qua cổng

USB của máy tính

1.2. Khối máy tính.

Máy tính có vai trò mô phỏng, giao diện và truyền mã G-code xuống cho

bộ điều khiển thông qua cổng COM (giao tiếp với cổng COM máy tính qua IC

RS232).Giao tiếp RS232 là giao tiếp chuẩn với máy tính của họ vi điều khiển do

hãng ATMEL chế tạo , dữ liệu được truyền nối tiếp qua cổng COM ( nếu dùng

cổng LPT thì dữ liệu truyền song song )

142


1.3. Khối Vi điều khiển.

Khi vi điều khiển nhận được mã lệnh do máy tính đưa xuống sẽ phân tích

lệnh để phân biệt đâu là lệnh điều khiển động cơ bước, động cơ khoan, đâu là lệnh

dừng hay reset ..v..v.. Phân tích mã lệnh xong, vi điều khiển sẽ đưa ra các tín hiệu

xung để điều khiển. Các xung này được đưa vào mạch công suất hoặc đóng điện

cho Role để chạy động cơ khoan

1.4. Khối cách ly quang.

Giữa mạch công suất và khối vi điều khiển có khối cách ly quang. Nhiệm

vụ chính của khối này đó là cách lý hẳn khối vi điều khiển dùng điện áp nhỏ (5V)

Với khối mạch công suất dùng điện áp lớn hơn ( 12V ) để tránh hiện tượng xung

ngược làm treo vi điều khiển

1.5. Khối mạch công suất và Role đóng điện động cơ khoan.

Mạch công suất hay cong gọi là mạch điều khiển động cơ bước . Về nguyên

lý nó gồm các tranzito được lập trình ( bởi vi điều khiển ) để đóng mở các tranzito

trường (MOSFET ) có nhiệm vụ cấp điện cho động cơ buớc chạy hoặc ngắt điện

động cơ bước để nó dừng đúng vị trí yêu câu

Role xoay chiều được đóng ngắt bởi một MOSFET và MOSFET được đóng

ngắt bởi một cách lý quang (opto) . Việc đóng ngắt cách lý quang này là do khối vi

điều khiển quy định . Như vậy động cơ khoan sẽ chạy khi có lệnh đóng cách lý

quang từ vi điều khiển

1.6. Khối cơ cấu chấp hành.

Khối cơ cấu chấp hành bao gồm các động cơ bước,trục vít và động cơ

khoan

Thông thường , máy CNC trong công nghiệp sử dụng các động cơ servo để

dẫn động các trục . Động cơ servo có ưu điểm có thể điều khiển vô cấp , giải tốc

độ cao hơn động cơ bước rất nhiều và đặc biật , nó có bộ phận bù sai số . Nguyên

tắc làm việc của bộ phận này đó là mỗi khi thực hiện xong lệnh từ hệ điều khiển ,

nó gửi về hệ thống điều khiển kết quả của việc thực hiện lệnh đó thông qua một

mạch phải hồi . Hệ điều khiển thực hiện so sánh kết quả gửi về với thống số truyền

143


đi ( thông qua điện áp hoặc một đại lượng nào đó ) , tính toán ra sai số và gửi đi

một lệnh bù lại sai số đó . Nhờ đó , các máy CNC có thể di chuyển chính xác gần

như tuyệt đối .

Động cơ bước không có bộ phận phản hồi , có thể coi là một dạng điều

khiển hở , không thể bù được sai số . Vì vậy , sự chính xác khi dịch chuyển là thấp

hơn động cơ servo rất nhiều . Tuy vậy , với mục đích xây dựng mô hình cho phòng

thí nghiệm , không phải là để chế tạo thực sự thì động cơ bước hoàn toàn có khả

năng đáp ứng được yêu cầu về độ chính xác dịch chuyển . Việc chọn động cơ bước

với bước góc nhỏ (1,8 độ ) góp phần làm giảm phần nào sai số dịch khi dịch

chuyển nhưng quãng đường ngắn

Trục vít : việc chọn trục vít với bước ren nhỏ 1mm để làm cơ cấu dịch

chuyển bàn máy tuy tốc độ chậm nhưng bù lại , đạt được độ phân giải khi dịch

chuyển là khá tốt ( cỡ 0.005mm)

Động cơ khoan : Như đã nói ở trên , việc chọn động cơ khoan trục mềm

đảm bảo độ đồng tâm của dụng cụ với đầu gá dụng cụ. cho phép hạn chế sai số gia

công

II.Các phương pháp điều khiển gia công (các phương pháp nội suy ):

Trong quá trình gia công, mỗi trục được điều khiển để chuyển động theo một tốc độ riêng, cho đến khi đạt đến vị trí yêu cầu. Tất cả các trục cùng chuyển động một lúc nhưng nếu không có phép nội suy thì điểm đến lại khác nhau tuỳ theo đường đi.

Phép nội suy phối hợp chuyển động của các trục theo một cách nào đó để quỹ đạo từ điểm đầu đến điểm cuối là cố định. Có một vài phép nội suy cơ bản sau:

a) Nội suy tuyến tính (Nội suy đường thẳng).Với phép nội suy tuyến tính, trục xoay chuyển động thẳng từ điểm đầu đến

điểm cuối . Đôi khi người ta chia nhỏ các đường cong thành nhiều đoạn thẳng, theo đó máy CNC có thể dùng phép nội suy đường thẳng để gia công một đường cong . Về mặt lý thuyết, nội suy tuyến tính có thể thực hiện với một số lượng bất kì trục chuyển động. Với máy công cụ có thể nội suy tới 5 trục (X, Y, Z) để xác định vị trí của điểm trong không gian và 2 chuyển động quay). Điều khiển được số lượng 5 trục thì có thể gia công bất kì hình dạng nào của chi tiết.

144


- Nội suy tuyến tính. Xấp xỉ đường cong.

Khi độ chính xác của đường cong được đặt ra, một số lượng lớn các điểm trong không gian được xác định, tạo thành một khối lượng dữ liệu lớn, và khi nó được đưa ra 3 trục hay nhiều hơn thì khối lượng tính toán trở nên qúa đồ sộ. Về lý thuyết mọi đường cong có thể thực hiện bằng việc xấp xỉ các đường thẳng, nhưng với phép nội suy đường tròn, nội suy parabol và nội suy đường cong bất kì cho kết quả với số lượng tính toán nhỏ hơn nhiều và cách lập trình cũng trở nên đơn giản, dễ làm.

b) Nội suy đường tròn.Kiểu nội suy này chỉ giới hạn trên mặt chính của máy. Kể cả trục xoay cũng

không thể thực hiện. Để nội suy không gian cần chuyển động riêng rẽ của 3 hay nhiều trục, nội suy đường tròn không được sử dụng.

Nếu một cung tròn trên mặt XY, XZ, YZ cần gia công, chỉ có điểm cuối và tâm của cung tròn cần được xác định. Tất cả các điểm trung gian được tính toán bằng phép nội suy đường tròn

145


H1.8 - Nội suy đường tròn.c) Nội suy cung parabol.Một đường parabol trong không gian được xác định bởi 3 điểm. Điểm P2 là

trung điểm của P4, P5, và P5 là trung điểm của P1 và P3. P1 là điểm cho trước. P2 và P3 được đưa vào kế tiếp.

Nội suy parabol cơ bản chỉ thích hợp với máy 3, 4 trục, lượng tính toán chỉ giảm đáng kể so với nội suy tuyến tính khi nó có hình dáng phức tạp cao.

146


H1.9 - Nội suy parabol.

d) Nội suy đường cong bất kì.Kết hợp của nhiều đường cong cơ bản (tròn, parabol) tạo thành đường cong

kín. Sự di chuyển theo đưởng cong này được xác định bằng các tiếp tuyến. Với phép nội suy này, những hình phức tạpc ó thể được lập trình với lượng tính toán nhỏ hơn so với phương pháp nội suy tuyến tính, nhưng những công thức sẽ trở nên rất phức tạp.

147


CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ ROBOT CHO HỆ THỐNG.

A - KHÁI NIỆM VÀ PHÂN LOẠI ROBOT.

I. Khái niệm về Robot.

1.1. Robot và Robotics.

Sơ lượt quá trình phát triển của robot công nghiệp (IR : Industrial Robot) : Thuật ngữ “Robot” xuất phát từ tiếng Sec (Czech) “Robota” 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 ta 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 các hoạt động cơ bắp của con người.

Vào những năm 40 nhà viết văn viễn tưởng người Nga Issac Asimov mô tả Robot là một chiếc máy tự động, mang diện mạo của con người, được điều khiển bằng một hệ thần kinh khả trình Pisitron, do chính con người lập trình. Asimov đặt tên cho ngành khoa học nghiên cứu về Robot là Robotics, trong đó có 3 nguyên tắc cơ bản sau:

- Robot không được xúc phạm con người và không gây tổn hại cho con người.

- Hoạt động của robot phải tuân theo các nguyên tắc do con người đặt ra. Các nguyên tắc này không được vi phạm nguyên tắc thứ nhất.

- Một robot cần phải bảo vệ sự sống của mình và không được vi phạm hai nguyên tắc trước.

Các nguyên tắc này đã trở thành nền tảng cho việc thiết kế robot sau này.Đầu thập kỷ 60, công ty Mỹ AMF ( American Machine and Foundry

Company ) 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 robot công nghiệp 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 của người thao tác; nó gồm có một bộ kẹp ở bên trong (tớ) và hai tay cầm ở bên ngoài (chủ). Cả hai, tay cầm và bộ kẹp, được nối với nhau bằng một cơ cấu sáu bậc tự do để tạo ra các vị trí và hướng tuỳ

148


ý của tay cầm và bộ kẹp. Cơ cấu dùng để điều khiển bộ kẹp theo chuyển động của tay cầm.

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 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.

Dưới đây chúng ta sẽ điểm qua một số thời điểm lịch sử phát triển của người máy công nghiệp. Một trong những robot công nghiệp đầu tiên được chế tạo là robot Versatran của công ty AMF, Mỹ. Cũng vào khoảng thời gian này ở Mỹ xuất hiện loại robot Unimate -1900 được dùng đầu tiên trong kỹ nghệ ôtô.

Tiếp theo Mỹ, các nước khác bắt đầu sản xuất robot công nghiệp : Anh -1967, Thuỵ Điển và Nhật -1968 theo bản quyền của Mỹ; CHLB Đức -1971; Pháp - 1972; ở Ý - 1973. . .

Tính năng làm việc của robot ngày càng được nâng cao, nhất là khả năng nhận biết và xử lý. Năm 1967 ở trường Đại học tổng hợp Stanford (Mỹ) đã chế tạo ra mẫu robot hoạt động theo mô hình “mắt-tay”, có khả năng nhận biết và định hướng bàn kẹp theo vị trí vật kẹp nhờ các cảm biến. Năm 1974 Công ty Mỹ Cincinnati đưa ra loại robot được điều khiển bằng máy vi tính, gọi là robot T3 (The Tomorrow Tool : Công cụ của tương lai). Robot nầy có thể nâng được vật có khối lượng đến 40 KG.

Có thể nói, 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 ...

Trong những năm sau nầy, việc nâng cao tính năng hoạt động của robot không ngừng phát triển. Các robot được trang bị thêm các loại cảm biến khác nhau để nhận biết môi trường xung quanh, cùng với những thành tựu to lớn trong lĩnh vực Tin học - Điện tử đã tạo ra các thế hệ robot với nhiều tính năng đăc biệt. Số lượng robot ngày càng gia tăng, giá thành ngày càng giảm. Nhờ vậy, robot công nghiệp đã có vị trí quan trọng trong các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Một vài số liệu về số lượng robot được sản xuất ở một vài nước công nghiệp phát triển như sau :

Nước SX Năm 1990 Năm 1994 Năm 1998

(Dự tính) Nhật 60.118 29.756 67.000 Mỹ 4.327 7.634 11.100 Đức 5.845 5.125 8.600 Ý 2.500 2.408 4.000

Pháp 1.488 1.197 2.000 Anh 510 1.086 1.500 Hàn quốc 1.000 1.200

149


Ngày nay, Robot đã được giới kỹ thuật hình dung như những chiếc máy đặc biệt, được con người phỏng tác theo cấu tạo và hoạt động của chính mình, dùng để thay thế mình trong một số công việc xác định. Ngày nay, Robot được dùng hầu hết trong các ngành trong công nghiệp, đặc biệt trong những ngành có môi trường làm việc độc hại thì việc dùng robot thay thế con người là cực kì cần thiết.

Để hoàn thành những nhiệm vụ trên thì Robot cần có khả năng cảm nhận các thông số trạng thái của môi trường và tiến hành các hoạt động tương tự con người:

- Khả năng hoạt động của Robot được đảm bảo bởi hệ thống cơ khí gồm cơ cấu vận động để đi lại và cơ cấu hành động để có thể làm việc. Việc thiết kế và chế tạo hệ thống này thuộc lĩnh vực khoa học về cơ cấu truyền động, chấp hành và vật liệu cơ khí.

- Chức năng cảm nhận của Robot gồm thu nhận tín hiệu về trạng thái môi trường và trạng thái của bản thân hệ thống, do các cảm biến ( sensor ) và các thiết bị khác đảm nhiệm. Hệ thống này gọi là hệ thống thu nhận và xử lý số liệu hay hệ thống cảm biến.

- Muốn phối hợp hoạt động của hai hệ thống trên và Robot hoạt động theo đúng chức năng mong muốn của con người thì robot phải có hệ thống điều khiển.

Như vậy, Robotics có thể hiểu là một ngành khoa học, có nhiệm vụ nghiên cứu về thiết kế, chế tạo các robot và ứng dụng chúng trong các lĩnh vực hoạt động khác nhau của xã hội loài người, như nghiên cứu khoa học - kỹ thuật, kinh tế, quốc phòng và dân sinh.

Từ chức năng và kết cấu của robot thì robot là một sản phẩm của ngành cơ điện tử ( Mechatronics ).

Robot được sử dụng để thay thế con người trong những công việc như:- Các công việc lặp đi lặp lại, nhàm chán, nặng nhọc: vận chuyển nguyên

vật liệu, lắp ráp, lau cọ nhà,...- Trong môi trường khắc nghiệt hoặc nguy hiểm: ngoài khoảng không vũ

trụ, trên chiến trường, dưới nước sâu, trong lòng đất, nơi có phóng xạ, nhiệt độ cao,...

- Những việc đòi hỏi độ chính xác cao: lắp ráp các cấu tử trong các vi mạch,...

1.2. Robot công nghiệp.

Ngày nay, hầu hết các robot đều được dùng trong công nghiệp. Chúng có đặc điểm riêng về kết cấu, chức năng, đã được thống nhất hoá và thương mại hoá rộng rãi. Và được gọi là Robot công nghiệp ( Industrial Robot - IR ).

Robot công nghiệp có 2 đặc trưng cơ bản:- Là thiết bị vạn năng được tự động hoá theo chương trình và có thể lập

trình lại để đáp ứng một cách linh hoạt, khéo léo các nhiệm vụ tiếp theo.- Được ứng dụng trong các trong những trường hợp mang tính công nghiệp

đặc trưng như vận chuyển, xếp dỡ nguyên vật liệu, lắp ráp, đo lường,...

150


Dựa theo 2 đặc trưng cơ bản trên mà hiện nay RBCN được định nghĩa như sau:

RBCN là tay máy vạn năng, hoạt động theo chương trình và có thể lập trình lại để hoàn thành và nâng cao hiệu quả hoàn thành các nhiệm vụ khác nhau trong công nghiệp, như vận chuyển nguyên vật liệu, chi tiết, dụng cụ và các thiết bị chuyên dùng khác.

Ngoài ra, định nghĩa trong IOCT 25686-85 còn bổ xung cho RBCN chức năng điều khiển trong quá trình sản xuất:

RBCN là máy tự động được đặt cố định hay di động, bao gồm thiết bị thừa hành dạng tay máy có một số bậc tự do hoạt động và thiết bị điều khiển theo chương trình, có thể tái lập trình để hoàn thánh các chức năng vận động và điều khiển trong quá trình sản xuất.

1.3. Bậc tự do của Robot ( DOF: Degrees of Freedom ).

Bậc tự do 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 robỏ phải đạt được một số bậc tự do. Nói chung, cơ hệ của robot là một cơ cấu hở, do đó bậc tự do của nó có thể tính theo công thức:

∑=

−=5

1

6i

iipnw

Trong đó: n: số khâu động.pi: số khớp loại i ( i = 1,2,3,4,5: 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 số bậc tự do của các khớp động.

Để định vị và định hướng khâu chấp hành cuối một cách tuỳ ý trong không gian ba chiều thì robot cần 6 bậc tự do, trong đó 3 bậc tự do để định vị và 3 bậc tự do để định hướng. Một sô công việc đơn giản như nâng hạ, sắp xếp... có thể yêu cầu số bậc tự do ít hơn. Các 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 hoá quỹ đạo.... người ta dùng robot với số bậc tự do lớn hơn 6.

1.4. Hệ toạ độ ( coordinate frames ).

Mỗi 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 đó gọi là hệ toạ độ cơ bản ( hay hệ toạ độ chuẩn ). Các hệ toạ độ trung gian khác gắn với các khâu động gọi là hệ toạ độ suy rộng. Trong từng thời điểm hoạt động, các toạ độ suy rộng xác định cấu hình của robot bằng các chuyển dịch dài hoặc các chuyển dịch góc của các khớp tịnh tiến hoặc khớp quay. Các toạ độ suy rộng còn được gọi là biến khớp.

151


Các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot phải tuân theo qui tắc bàn tay phải: Dùng tay phải, nắm hai ngón tay út và áp út vào lòng bàn tay, xoè 3 ngón: ngón cái, trỏ và giữa theo 3 phương vuông góc nhau, nếu chọn ngón cái là phương và chiều của trục Z thì ngón trỏ chỉ phương, chiều của trục X còn ngón giữa chỉ phương và chiều của trục Y.

Trong robot ta thường dùng chữ O và chỉ số n để chỉ hệ toạ độ gắn trên khâu thứ n. Như vậy hệ toạ độ cơ bản ( hệ toạ độ gắn với khâu cố định ) sẽ được ký hiệu là O0; hệ toạ độ gắn trên các khâu trung gian tương ứng sẽ là O1,O2,...On-1. Hệ toạ độ gắn trên khâu chấp hành cuối ký hiệu là On.

1.5. Trường công tác của robot ( Workspace or range of motion ).

Trường công tác ( hay vùng làm việc, không gian công tác ) của robot là toàn bộ thể tích được quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể. Trường công tác bị ràng buộc bởi các thông số hình học của robot cũng như các ràng buộc cơ học của các khớp. Ví dụ, một khớp quay có chuyển động nhỏ hơn một góc 3600. Người ta thường dùng hai hình chiếu để mô tả trường công tác của một robot.

152


1.6. Kêt cấu chung của Robot công nghiệp.

Một RBCN được cấu thành từ các hệ thống sau:- Tay máy ( Manipulator ): là cơ cấu cơ khí gồm các khâu, khớp. Chúng

hình thành cánh tay để thực hiện các chuyển động cơ bản, cổ tay tạo nên sự khéo léo, linh hoạt và bàn tay ( End Effector ) để hoàn thành các thao tác trên đối tượng.

- Cơ cấu chấp hành: tạo chuyển động cho các khâu của tay máy. Nguồn động lực của các cơ cấu chấp hành là động cơ các loại: điện, thuỷ lực, khí nén,...

- Hệ thống cảm biến: gồm cá sensor và các thiết bị chuyển đổi tín hiệu khác. Các robot cần hệ thống cảm biến để nhận biết trạng thái của môi trường ( sensor ngoài ) và trạng thái của bản thân các cơ cấu của robot ( sensor trong ).

- Hệ thống điều khiển ( controller ): máy tính để giám sát và điều khiển hoạt động của robot.* Kết cấu của tay máy.

Tay máy là phần cơ sở quyết định khả năng làm việc của Robot công nghiệp. Đó là thiết bị cơ khí đảm bảo cho robot khả năng chuyển động trong không gian và khả năng làm việc như nâng hạ vật, lắp ráp,... Tay máy không nhất thiết phải được thiết kế và chế tạo phỏng theo chức năng của tay người. Ngày nay, tay máy rất đa dạng và có nhiều loại khác xa tay người. Trong kỹ thuật người ta dùng các thuật ngữ như vai ( shoulder ), cánh tay ( arm ), bàn tay ( hanhd ), các khớp ( articulations ),...để chỉ tay máy và các bộ phận của nó.

Khi thiết kế và sử dụng tay máy người ta quan tâm đến các thông số có ảnh hưởng lớn đến khả năng làm việc của chúng như:

- Sức nâng, độ cứng vững, lực kẹp của chúng,...- Tầm với hay vùng làm việc: kích thước và hình dáng vùng mà phần công

tác có thể với tới.- Sự khéo léo, nghĩa là khả năng định vị và định hướng phần công tác trong

vùng làm việc. Thông số này liên quan đến số bậc tự do của phần công tác.Các tay máy có đặc điểm chung về kết cấu là gồm có các khâu được nối với

nhau bằng các khớp để hình thành một chuỗi động học hở, tính từ thân đến phần công tác. Các khớp được dùng phổ biến là khớp trượt và khớp quay. Tuỳ theo số

153


lượng và cách bố trí các khớp mà có thể tạo ra tay máy kiểu toạ độ Đêcác, toạ độ trụ, toạ độ cầu, SCARA, kiểu tay người:

- Tay máy kiểu toạ độ Đêcác: dùng 3 khớp trượt, cho phép phần công tác thực hiện một cách độc lập các chuyển động thẳng, song song với 3 trục. Vùng làm việc của tay máy có dạng hình chữ nhật. Kết cấu tay máy đơn giản nên có độ cứng vững cao, độ chính xác được đảm bảo đồng đều trong toàn bộ vùng làm việc, nhưng ít khéo léo. Tay máy kiểu này dùng để vận chuyển và lắp ráp.

- Tay máy kiểu toạ độ trụ: dùng 1 khớp quay và 2 khớp trượt. Vùng làm việc của nó có dạng hình trụ rỗng. Khớp trượt nằm ngang cho phép tay máy " thò " được vào khoang rỗng nằm ngang. Độ cứng vững cơ học của tay máy trụ tốt, thích hợp với tải nặng nhưng độ chính xác định vị góc trong mặt phẳng nằm ngang giảm khi tầm với tăng.

- Tay máy kiểu toạ độ cầu: dùng 2 khớp cầu và 1 khớp trượt. Vùng làm việc của nó là khối cầu rỗng. Độ chính xác định vị phụ thuộc vào tầm với.

154


- SCARA: đây là kiểu tay máy có cấu tạo đặc biệt, gồm 2 khớp quay và 1 khớp trượt nhưng cả ba khớp đều có trục song song với nhau. Tên gọi SCARA là viết tắt của " Selective Compliant Articulated Robot Arm ": tay máy mềm dẻo tuỳ ý. Loại tay máy này thường dùng trong công việc lắp ráp.

- Tay máy kiểu tay người: cả 3 khớp đều là khớp quay, trong đó trục thứ nhất vuông góc với hai trục kia.

II. Phân loại Robot.

2.1. Phân loại theo kết cấu.

Theo kết cấu người ta phân robot thành các loại: đề các, trụ, cầu, kiểu tay người...

2.2. Phân loại theo kiểu điều khiển.

Điều khiển hở: dùng truyền động bước ( động cơ điện hoặc động cơ thuỷ lực, khí nén,...) mà quãng đường và góc dịch tỷ lệ với số xung điều khiển. Kiều điều khiển này đơn giản nhưng đạt độ chính xác thấp.

Điều khiển kín ( điều khiển servo ): sử dụng tín hiệu phản hồi vị trí để tăng độ chính xác điều khiển. Có 2 kiểu điều khiển servo: điều khiển điểm - điểm, điều khiển theo đường ( contour ).

- Với kiều điều khiển điểm - điểm, phần công tác dịch chuyển từ điểm này đến điểm kia theo đường thẳng với tốc độ cao, nó chỉ làm việc tại các điểm dừng.

- Với kiểu điều khiển contour đảm bảo cho phần công tác dịch chuyển theo quỹ đạo bất kỳ, với tốc độ có thể điều khiển được.

2.3. Phân loại theo hệ thống truyền động.

Có các dạng truyền động phổ biến là:+ Hệ truyên động điện: thường dùng các loại động cơ 1 chiều ( DC: Direct

Current ) hoặc các loại động cơ bước ( step motor ). Loại truyền động này dễ điều khiển, kết cấu nhỏ gọn.

+ Hệ truyền động thuỷ lực: có thể đạt được công suất cao, đáp ứng những điều kiện làm việc nặng. Tuy nhiên, hệ thông thuỷ lực thường có kết cấu cồng kềnh, tồn tại độ phi tuyến lớn nên khó xử lý khi điều khiển.

155


+ Hệ tuyền động khí nén: có kết cấu gọn nhẹ hơn do không cần dẫn ngược nhưng lại 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 phù hợp với các robot hoạt động theo chương trình định sẵn với các thao tác đơn giản " nhấc lên - hạ xuống " ( Pick and Place or PTP: Point to point ).

2.4. Phân loại robot theo ứng dụng.

Cách phân loại này dựa vào ứng dụng của robot như: robot công nghiệp, robot dùng trong nghiên cứu khoa học, robot dùng trong quân sự,...

III. Vai trò của robot trong hệ thống MiniCIM.

3.1. Yêu cầu đối với robot công nghiệp.

Robot công nghiệp là một thiết bị vạn năng để tự động hóa quá trình sản xuất nhiều chủng loại chi tiết và thường xuyên thay đổi đối tượng gia công. Robot công nghiệp có thể thực hiện được nguyên công chính và các nguyên công phụ.

Robot tự động là một máy tự động lập trình nhắc lại, có khả năng thay thế con người thực hiện các chức năng di chuyển đối tượng sản xuất hoặc các thiết bị công nghệ. Robot công nghiệp khác với thiết bị tự động hóa ở tính vạn năng và khả năng thay đổi, điều chỉnh để thực hiện nguyên công mới. Robot công nghiệp có khả năng thay thế nhiều thiết bị khác nhau trong hệ thống.

Do tính chất công việc như vậy, robot công nghiệp cần đáp ứng các yêu cầu sau:

- Thực hiện công việc một cách tự động trong các nguyên công chính cũng như các nguyên công phụ.

- Tự động điều chỉnh khi thay đổi đối tượng sản xuất.- Có khả năng thực hiện các tác động điều khiển tới các thiết bị công nghệ

chính của hệ thống để thực hiện các nguyên công theo trình tự đã được lập trình.

- Đảm bảo độ ổn định làm việc trong hệ thống.- Có khả năng trang bị thiết bị kiểm tra tự động chất lượng gia công.-

3.2. Đặc tính công nghệ của robot công nghiệp.

Các robot công nghiệp có kết cấu và đặc tính kỹ thuật khác nhau. Từ đó xác định khả năng công nghệ và phạm vi sử dụng của robot. Để hệ thống hóa các dữ liệu cần thiết khi lựa chọn robot công nghiệp cho hệ thống người ta đưa ra phương pháp phân loại robot công nghiệp theo dấu hiệu công nghệ. Cơ sở của sự phân loại đó là chia các robot công nghiệp ra các loại theo chức năng, theo đặc điểm của các bộ phận và theo nhóm robot.

Đặc điểm phân loại được xác định kết cấu, tính di động và điều khiển robot. Kết cấu chung được xác định dựa theo sự di động của thân robot, tải trọng của robot, số lượng tay máy, hệ tọa độ, dạng truyền động, kiểu cấu tạo, độ chính xác

156


định vị và tính vạn năng. Tính di động của robot công nghiệp được đặc trưng bằng mức độ di động, bước di chuyển của tay máy và tính tác động nhanh. Điều khiển robot công nghiệp được đặc trưng bằng dạng điều khiển, phương pháp lập trình, khối lượng bộ nhớ của bộ điều khiển robot.

- Tính di động của thân robot: Robot công nghiệp được chia làm hai loại là loại cố định và loại di động.

+ Loại cố định: Loại này được sử dụng cho các máy để thực hiện các nguyên công chính. Chúng được lắp trên nền xưởng gần máy mà nó phục vụ. Các robot và các máy móc được phối hợp với nhau rất nhịp nhàng, chính xác nhưng khả năng công nghệ của chúng bị hạn chế bới phạm vi vùng làm việc.

+ Loại di động: Robot di động trong quá trình làm việc, di chuyển dọc theo máy trên các thanh ray hoặc các giá treo tự động. Như vậy robot di động có thể phục vụ nhiều máy dọc đường di chuyển. Do đó khả năng công nghệ được mở rộng, tuy nhiên điều kiện vận hành phức tạp hơn.

- Trọng tải của robot: Là khả năng cầm, giữ, vận chuyển đối tượng với một khối lượng quy định. Đối với các robot có nhiều tay máy thì đặc tính trọng tải của robot được xác định bằng trọng tải của tay máy lớn nhất.

+ Các robot siêu nhẹ có trọng tải nhỏ hơn 1Kg, được dùng nhiều trong nguyên công dập và lắp ghép.+ Các robot nhẹ với trọng tải nhỏ hơn 10Kg thường có tốc độ trung bình, được

trang bị nhiều loại truyền động và cơ cấu điều khiển khác nhau.+ Các robot trung bình có trọng tải nhỏ hơn 100Kg là các robot chuyên dùng.

Cơ cấu trong đó được truyền lực bằng thủy lực. Robot này tác động chậm.- Số lượng tay máy: Thông số này ảnh hưởng đến năng suất của robot. + Các robot một tay máy được sử dụng rộng rãi như vận chuyển và gá đặt các

chi tiết có khối lướng nhỏ hơn 0,5Kg. Các robot này yêu cầu di chuyển nhanh và đủ độ cứng vứng trong điều kiện làm việc với tải trọng quán tính lớn.

Ưu điêm của robot một tay: Kết cấu của hệ thống điều khiển đơn giản.Nhược điểm: Khả năng công nghệ bị hạn chế trong điều kiện thời gian máy

nhỏ, cấp gá phôi có thời gian ngắn do đó không sử dụng hết công suất của robot.+ Các robot hai tay máy với truyền động dùng để cầm, vận chuyển, cấp và

tháo phôi có khối lượng từ 0,1 đến 5Kg. Ưu điểm: Chu kỳ làm việc ngắn, hai cánh tay robot phối hợp nhịp nhàng để

cấp và tháo phôi do đó giảm được thời gian của quy trình công nghệ. Các robot loại này hai tay máy có thể có cơ cấu truyền động chung hoặc riêng.

Truyền động và điều khiển chung có kết cấu đơn giản nhưng lại hạn chế khả năng công nghệ của robot. Các robot như vậy có thể thay thế bằng robot một tay có bộ phận tóm. Các robot hai tay máy với truyền động và điều khiển riêng biệt cho phép phục vụ các thiết bị công nghệ một cách linh hoạt hơn. Nhược điểm của các loại này là sơ đồ động và cơ cấu điều khiển phức tạp, do đó lập trình phức tạp.

Các robot hai tay máy thường là các robot chuyên dùng vì nó thích hợp với biện pháp công nghệ tập trung nguyên công cao vì nó có khả năng phục vụ nhiều máy.

157


- Hệ tọa độ của robot: Hệ tọa độ của robot có ảnh hưởng rất nhiều đến khả năng công nghệ. Các loại hệ tọa độ trong robot:

+ Hệ tọa độ hình chữ nhật.+ Hệ tọa độ trụ.+ Hệ tọa độ cầu.- Dạng truyền động của robot: Cơ cấu truyền động đảm bảo cho tay máy của

robot di chuyển theo hướng xác định. Các hệ thống truyền động ảnh hưởng rất lớn đến khả năng công nghệ của robot.

+ Hệ truyền động khí nén được sử dụng rộng rãi trong các robot chuyên dụng và đôi khi trong robot vạn năng có trọng tải nhỏ hơn 10Kg. Với hệ thống truyền động khí nén thì kết cấu đơn giản, an toàn, vệ sinh và giá thành chế tạo thấp. Tuy nhiên khả năng công nghệ bị hạn chế vì hệ này chỉ di chuyển cơ cấu chấp hành từ cữ chặn đến cữ chặn. Vị trí dừng trung gian chỉ có thể thực hiện được nhờ các cơ cấu phức tạp. Ngoài ra nó không điều khiển được tốc độ khi di chuyển.

+ Hệ truyền động thủy lực: Trên cơ sở xy lanh thủy lực được sử dụng rộng rãi trong các robot có trọng tải trên 5Kg.

Ưu điểm: Kết cấu nhỏ gọn, tạo ra áp lớn, cho phép điều chỉnh lực và tốc độ di chuyển của cơ cấu chấp hành. Khả năng công nghệ của robot dùng thủy lực cao hơn so với robot dùng khí nén.

Nhược điểm: Di chuyển chậm, độ nhớt của dầu phụ thuộc vào nhiệt độ. Áp suất, áp lực dầu không ổn đinh vì có sự thất thoát.

+ Hệ truyền động điện: Trong các robot công nghiệp chưa được sử dụng rộng rãi lắm vì còn thiếu những động cơ có những đặc tính yêu cầu kỹ thuật cao. Nếu được thì hệ thống này có rất nhiều ưu điểm. Trong các hệ thống truyền động điện người ta sử dụng các động cơ điện một chiều, xoay chiều và động cơ bước. Hệ truyền động điện được sử dụng trong các robot vạn năng có tải trọng khác nhau với các loại điều khiển theo vị trí, theo đường viền và theo chu kỳ.

Ưu điểm: Các robot trong truyền điện có tính linh hoạt cao, đơn giản cho sử dụng và an toàn cho hệ thống sản xuất.Các robot này tiếp xúc rất nhẹ nhàng với các thiết bị công nghệ.

Nhược điểm: Phạm vi khối lượng chưa cao vì còn thiều các hệ truyền động chuyên dùng.

- Kiểu cấu tạo của robot: Phụ thuộc vào điều kiện sản xuất và vận hành robot như môi trường nhiều bụi, thừa khí nén, nhiệt độ, độ ẩm, nguy cơ cháy nổ, các tác động điện từ, cơ khí… Các robot có kiểu cấu tạo chuẩn được sử dụng trong điều kiện bình thường. Khi điều kiện khác nhau thì dùng các kiểu robot khác nhau như robot chịu được bụi… Khi dùng trong trường hợp dễ cháy nổ thì vận tốc robot bị hạn chế, thường không vượt quá 0,5m/s.

- Độ chính xác định vị của robot: Là độ chính xác khi cánh tay robot di chuyển đến một điểm nào đó và độ chính xác lặp lại quỹ đạo đã định. Độ chính xác vị trí phải rất cao để robot có thể cầm chi tiết từ ổ tích trữ và chuyển nó đến vùng gia công. Độ chính xác định vị của robot phải phù hợp với các yêu cầu kỹ thuật khi

158


gia công hoặc lắp ráp sản phẩm. Để nâng cao độ chính xác cần giảm tốc độ, điều này sẽ làm giảm năng suất:

+ Các robot có độ chính xác thấp với độ chính xác định vị lớn hơn 1mm được sử dụng để vận chuyển trong các nguyên công sơn, hàn.

+ Các robot có độ chính xác trung bình, độ chính xác định vị từ 0,1 đến 1mm được sử dụng rộng rãi hơn. Có thể đạt được độ chính xác này bằng hệ thống điều khiển theo chu kỳ, theo vị trí và theo đường viền với tốc độ di chuyển trong phạm vi từ 0,1 đến 1m/s. Các robot này đáp ứng được nhiều yêu cầu phục vụ khác nhau.

+ Các robot có độ chính xác định vị cao với sai số định vị nhỏ hơn 0,1mnm được sử dụng trong lắp ráp với hệ thống điều khiển theo vị trí.

- Tính vạn năng của robot: Thông số này được xác đinh theo độ phù hợp giữa robot công nghiệp với quá trình thực hiện gia công. Các robot chuyên dùng đêu đáp ứng được yêu cầu đó, vì vậy chúng đơn giản hơn, kinh tế hơn và thuận tiện hơn trong quá trình sử dụng. Các robot công nghiệp chuyên dùng có khả năng thực hiện các nguyên công cùng loại và trong phạm vi của nguyên công này có tính linh hoạt cần thiết. Khả năng công nghệ của các robot chuyên dùng được mở rộng nhờ thay đổi kết cấu của robot cho phù hợp với điều kiện sản xuất. Các robot vạn năng có khả năng thực hiện nhiều nguyên công khác nhau đối với nhiều chủng loại chi tiết. Các robot này từ năm bậc tự do trở lên, chúng có khả năng được chuyển đổi sang công việc khác và có khả năng lập trình lại nhanh chóng tuy nhiên giá thành các loại robot này cao hơn các robot công nghiệp chuyên dùng và sử dụng cũng phức tạp hơn.

- Bậc tự do của robot. Đặc tính này để thực hiện các chuyển động phức tạp. Bậc tự do được chia ra bậc tự do di chuyển và bậc tự do định hướng. Bậc tự do di chuyển thực hiện các chuyển động vận chuyển bằng tay máy còn bậc tự do định hướng thực hiện gá đặt phôi. Tính vạn năng của robot công nghiệp được xác định bằng số bậc tự do của nó. Số bậc tự do ≤ 3 đặc trưng cho robot chuyên dùng, số bậc tự do trung bình ≤ 6 được dùng cho các robot vạn năng và chuyên dùng. Số bậc tự do >6 được dùng rất ít vì nó làm cho kết cấu và việc lập trình rất phức tạp. Từ đó ta thấy robot 5 ÷ 6 bậc tự do cho phép phối hợp tối ưu các dịnh chuyển cần thiết cho các thiết bị công nghệ.

- Bước di chuyển của cánh tay robot là đại lượng dịch chuyển của nó khi phục vụ thiết bị công nghệ hoặc khi thực hiện các nguyên công chính. Bước di chuyển xác định khả năng chuyển đối tượng vào vùng gia công hoặc lắp ráp và nó là thông số chính khi chọn robot để phục vụ thiết bị công nghệ.

Các tay máy có bước di chuyển ≤ 300mm được dùng cho các robot chuyên dùng cỡ nhỏ. Bước di chuyển trung bình <1000mm được dùng cho các robot trọng tải và tính vạn năng khác nhau với các hệ tọa độ chữ nhật, hình trụ đôi khi cả hình cầu. Bước di chuyển >1000mm được dùng cho các robot chuyên dùng và vạn năng tải trọng trung bình và lớn với hệ tọa độ cầu. Nếu bước di chuyển của robot tăng thì tính công nghệ của robot cũng tăng.

- Tính tác động nhanh của robot là tốc độ di chuyển trung bình của các đối tượng khi được vận chuyển. Một robot muốn hoạt động nhanh phải có tính tác

159


động nhanh. Tính tác động nhanh được xác định bằng tốc độ di chuyển theo các bậc tự do khác nhau, tốc độ này phụ thuộc vào khối lượng di chuyển, bước di chuyển, độ phức tạp của quỹ đạo di chuyển…Tính tác động nhanh của robot chia ra các loại sau:

+ Thấp: Tốc độ di chuyển nhỏ hơn 0,5m/s. Các robot thuộc nhóm này có trọng tải vừa và lớn, phục vụ thiết bị với chu kỳ lớn.

+ Trung bình: Tốc độ di chuyển nhỏ hơn 1m/s. Các robot này có trọng tải nhỏ và trung bình với các hệ truyền động và mức độ vạn năng hóa khác nhau. Tốc độ di chuyển này tương ứng với tốc độ chuyển động của cánh tay con người. Loại robot này được sử dụng rộng rãi.

+ Cao: Tốc độ di chuyển >1m/s. Các robot này hiện nay còn sử dụng hạn chế do thiết kết, chế tạo, vận hành phức tạp.

- Dạng điều khiển:+ Điều khiển theo chương trình đơn giản nhất là điều khiển theo chu kỳ. Nó

đảm bảo vị trí hai điểm theo các bậc tự do riêng biệt. Lập trình thông thường bằng các cữ chặn cơ khí. Hệ thống điều khiển theo chu kỳ là hệ thống đơn giản, rẻ tiền. Các hệ thống này chủ yếu dùng trong các robot chuyên dùng để thực hiện các nguyên công với số vị trí điểm nhỏ nhất theo từng bậc tự do. Tuy nhiên điều khiển theo loại này tính vạn năng kém. Khi thay đổi công việc rất khó điều chỉnh robot do tính linh hoạt thấp.

+ Điều khiển theo vị trí có thể có từ 10 đến 100 điểm lập trình theo từng bậc tự do. Điều khiển theo vị trí tính vạn năng được tăng lên nhưng loại này không điều chỉnh được quỹ đạo chuyển động giữa các điểm cho trước và rất khó đạt được độ đồng đều của quỹ đạo chuyển động.

+ Điều khiển theo contour đảm bảo dịch chuyển của tay máy theo những quỹ đạo liên tục với một tốc độ chuyển động được lập trình liên tục. Hệ thống điều khiển được thiết lập trên nguyên tắc điều khiển liên tục và điều khiển số. Điều khiển cho phép nâng cao độ chính xác định vị và rất thuận tiện cho việc nối kết với các thiết bị công nghệ và máy tính. Tính vạn năng của điều khiển contour cao nhưng giá thành cũng cao.

+ Điều khiển theo tổ hợp là sự kết hợp các ưu điểm của các loại điều khiển theo chu kỳ, vị trí và contour.

+ Điều khiển thích nghi cho phép xác định vị trí, hình dạng và các đặc điểm khác của đối tượng thao tác. Hệ thống này cho phép tự động thay đổi chương trình điều khiển tương ứng với các tín hiệu nhận được. Điều khiển thích nghi cho phép hạn chế các đồ gá phức tạp để dịnh hướng và định vị chi tiết, do đó giảm được thời gian điều chỉnh robot khi chuyển sang nguyên công mới.

- Phương pháp lập trình là viết và nạp chương trình điều khiển với mục đích điều khiển robot. Khi lập trình nhất thiết phải viết dưới dạng chương trình các dạng thông tin sau đây:

+ Thứ tự thực hiện các thành phần của chuyển động.+ Vị trí các cơ cấu của cánh tay robot.+ Cơ cấu dịch chuyển thân robot.

160


+ Thời gian thực hiện các thành phần chuyển động.Ngoài ra có lúc cần phải ghi cả tốc độ dịch chuyển của các cơ cấu của cánh tay

robot, lực tác động, các lệnh điều khiển công việc. Tất cả các lệnh và thông tin được chuyển đến máy tính để điều khiển robot. Tùy thuộc vào phương pháp nạp thông tin vào cơ cấu điều khiển của robot người ta phân biệt các phương pháp lập trình sau:

+ Lập trình bằng tay là phương pháp lập trình đơn giản nhất, nó được sử dụng nhiều, thực hiện bằng sự tham gia trực tiếp của cán bộ phục vụ. Phương pháp này sử dụng cho các robot với hệ thống điều khiển theo chu kỳ, vị trí và contour.

+ Lập trình tự động là phương pháp lập trình có sự trợ giúp của các hệ thống tự động hóa và được sử dụng cho các robot với hệ thống điều khiển theo vị trí và contour.

+ Tự lập trình được ứng dụng trong các robot công nghiệp với các cơ cấu cảm biến hiện đại và điều khiển thích nghi.

- Khối lượng bộ nhớ của cơ cấu điều khiển robot.Đặc trưng cho cơ cấu điều khiển của robot là khối lượng bộ nhớ xác định

lượng thông tin này thường được nạp dưới dạng các lệnh. Lệnh mà phần tử riêng biệt của chương trình được cấu tạo từ nhóm lệnh xác định địa chỉ mà trong đó các lệnh được thực hiện và đảm bảo quá trình kiểm tra và việc thực hiện các lệnh. Khối lượng bộ nhớ nhỏ từ 10 đến 100 lệnh được đặc trưng cho các robot với hệ điều khiển theo chu kỳ, vị trí, contour. Khối lượng bộ nhớ lớn hơn 600 lệnh đặc trưng cho các robot điều khiển theo contour và điều khiển thích nghi.

161


B - TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ ROBOT.

I. Các thông số kỹ thuật của Robot.

RBCN rất đa dạng về kết cấu và tính năng, được đánh giá bằng các thông số kỹ thuật rất khác nhau.

Robot được thiết kế và chế tạo trong hệ thống này là tay máy kiểu toạ độ trụ vì kết cấu robot kiều này khá đơn giản, dễ chế tạo, có thể đáp ứng được những yêu cầu của hệ thống,...

Vì Robot trong hệ thống chỉ dùng để vẩn chuyển phôi và chi tiết đã gia công xong trên máy CNC nên chỉ cần 3 bậc tự do là đủ. Nhưng robot này còn dùng để lắp ráp và phục vụ máy công cụ ( máy CNC ) nên nó đòi hỏi độ chính xác định vị cao.

Một số thông số kỹ thuật của robot:+ Sức nâng của tay máy: là khối lượng lớn nhất của vật mà robot có thể

nâng được trong điều kiện nhất định ( như khi tốc độ dịch chuyển cao nhất hoặc khi tay với dài nhất ). Do đây chỉ là mô hình thí nghiệm nên trọng lượng của chi tiết mà robot cần phải nâng nhỏ ( khoảng 0,2 kg ) nên ta dùng truyền động khí nén để nâng vật.

+ Số bậc tự do: đây là robot 3 bậc tự do( chuyển động quay xung quanh trục Z, chuyển động tịnh tiến theo trục Z, chuyển động tịnh tiến theo trục X hoặc Y ).

+ Vùng công tác: vùng công tác của robot có dạng hình trụ rỗng, với thể tích khoảng 0,005 m3. Tầm với của robot là 25( cm ).

+ Độ chính xác định vị: thể hiện khả năng đối tượng đi đạt được chính xác tới điểm đích. Robot trong hệ thống yêu cầu phải đạt độ chính xác định vị ±1mm. Với việc có thể được trang bị một số cảm biến vị trí có độ tin cậy cao và điều khiển robot bằng vi điều khiển ta có thể đạt độ chính xác định vị ±1mm.

+ Tốc độ dịch chuyển của robot khoảng 100 mm/s ( 6m/phút ).+ Đặc tính của hệ điều khiển:- Kiểu điều khiển: Có hai kiểu điền khiển hay dùng cho robot đó là điều

khiển điểm - điểm và điều khiển contour. Điều khiển điểm - điểm được dùng cho các robot hàn điểm, vận chuyển,...Điều khiển contour vạn năng hơn nhưng trước đây được dùng ít hơn vì phải sử dụng hệ thống điều khiển phức tạp và đắt tiền. Vì robot của ta chỉ có nhiệm vụ vận chuyển là chính nên dùng kiểu điều khiển điểm - điểm ( point to point ). Các điểm mà robot cần tới được đặt cố định và được xác định bằng cảm biến đặt tại điểm đó. Khi cảm biến báo robot đã tới điểm cần tới thì hệ điều khiển sẽ hoạt động thực hiện công việc đã được lập trình tại điểm đó.

- Giao diện với thiết bị ngoại vi: Robot có nhiệm vụ cung cấp phôi phục vụ một máy khoan phay CNC của hệ thống CIM. Hệ điều khiển của máy tính được ghép nối với máy tính qua cổng RS-485 ( mạng truyền thông được sử dụng rất phổ biến trong công nghiêp ) và có phần mềm điều khiển hoạt động của nó.

162


- Các tiện ích: trên phần mềm điều khiển robot ta có thể chọn các chế độ điều khiển robot khác nhau như chế độ chạy tự động ( Autorun mode ) hay chế độ điều khiển bằng tay ( manual control mode ).

- Robot sẽ được điều khiển bằng vi điều khiển.

II. Động học cho robot.

2.1. Các phép biến đổi thuần nhất.

Khi xem xét, nghiên cứu mối quan hệ giữa robot vμ vật thể ta không những cần quan tâm đến vị trí (Position) tuyệt đối của điểm, đường, mặt của vật thể so với điểm tác động cuối (End effector) của robot mà còn cần quan tâm đến vấn đề định hướng (Orientation) của khâu chấp hành cuối khi vận động hoặc định vị tại một vị trí.

Để mô tả quan hệ về vị trí và hướng giữa robot và vật thể ta phải dùng đến các phép biến đổi thuần nhất.

Dựa vào các phép biến đổi thuần nhất cho ta cơ sở để tính toán động học và động lực học robot.

2.2. Hệ tọa độ thuần nhất.

Để biểu diễn một điểm trong không gian ba chiều, người ta dùng Vectơ điểm (Point vector). Vectơ điểm thường được ký hiệu bằng các chữ viết thường như u, v, x1 . . . để mô tả vị trí của điểm U, V, X1 ,. . .

Tùy thuộc vào hệ qui chiếu được chọn, trong không gian 3 chiều, một điểm V có thể được biểu diễn bằng nhiều vectơ điểm khác nhau :

vE và vF là hai vectơ khác nhau mặc dù cả hai vectơ cùng mô tả điểm V. Nếu i, j, k là các vec tơ đơn vị của một hệ toạ độ nào đó, chẳng hạn trong E, ta có :

với a, b, c là toạ độ vị trí của điểm V trong hệ đó. Nếu quan tâm đồng thời vấn đề định vị và định hướng, ta phải biểu diễn

vectơ v trong không gian bốn chiều với suất vectơ là một ma trận cột :

163


với w là một hằng số thực nào đó. w còn được gọi là hệ số tỉ lệ, biểu thị cho chiều thứ tư ngầm định, Nếu w = 1 dễ thấy :

Trong trường hợp này thì các toạ độ biểu diễn bằng với toạ độ vật lý của điểm trong không gian 3 chiều, hệ toạ độ sử dụng w=1 được gọi lμ hệ toạ độ thuần nhất.

Giới hạn ∞ thể hiện hướng của các trục toạ độ. Nếu w là một hằng số nào đó ≠ 0 và 1 thì việc biểu diễn điểm trong không

gian tương ứng với hệ số tỉ lệ w.

2.3. Các phép biến đổi

Cho u là vectơ điểm biểu diễn điểm cần biến đổi, h là vectơ dẫn được biểu diễn bằng một ma trận H gọi là ma trận chuyển đổi . Ta có :

v = H.uv là vectơ biểu diễn điểm sau khi đã biến đổi.

2.3.1. Phép biến đổi tịnh tiến (Translation).

Giả sử cần tịnh tiến một điểm hoặc một vật thể theo vectơ dẫn kcjbiah

... ++= . Trước hết ta có định nghĩa của ma trận chuyển đổi H :

Gọi u là vecto biểu diễn điểm cần tịnh tiến: [ ]Twzyxu =

Thì v là vectơ biểu diễn điểm đã biến đổi tịnh tiến được xác định bởi:

164


Như vậy bản chất của phép biến đổi tịnh tiến là phép cộng vecto giữa vecto biển diễn cần chuyển đổi và vecto dẫn.

2.3.2. Phép quay (Rotation) quanh các trục toạ độ.

Giả sử ta cần quay một điểm hoặc một vật thể xung quanh trục toạ độ nào đó với góc quay θo, ta lần lượt có các ma trận chuyển đổi như sau :

2.3.3. Phép quay tổng quát.

Trong mục trên, ta vừa nghiên cứu các phép quay cơ bản xung quanh các trục toạ độ x,y,z của hệ toạ độ chuẩn O(x,y,z). Trong phần này, ta nghiên cứu phép quay quanh một vectơ k bất kỳ một góc θ. Ràng buộc duy nhất là vectơ k phải trùng với gốc của một hệ toạ độ xác định trước.

Ta hãy khảo sát một hệ toạ độ C, gắn lên điểm tác động cuối ( bàn tay ) của robot, hệ C được biểu diễn bởi :

165


Khi gắn hệ toạ độ này lên bàn tay robot ( hình 2.7 ), các vectơ đơn vị được biểu thị như sau :

a : là vectơ có hướng tiếp cận với đối tượng ( approach ). O: là vectơ có hướng mà theo đó các ngón tay nắm vào khi cầm nắm đối

tượng ( Occupation ). n : Vectơ pháp tuyến với ( O,a ) ( Normal ). Bây giờ ta hãy coi vectơ bất kỳ k ( mà ta cần thực hiện phép quay quanh nó

một góc θ ) là một trong các vectơ đơn vị của hệ C. Chẳng hạn: kajaiak zyx

... ++=

Lúc đó, phép quay Rot(k,θ) sẽ trở thành phép quay Rot(Cz,θ). Nếu ta có T mô tả trong hệ gốc trong đó k là vectơ bất kỳ, thì ta có X mô tả

trong hệ C với k là một trong các vectơ đơn vị. Từ điều kiện biến đổi thuần nhất, T và X có liên hệ :

T = C.Xhay X = C -1.TLúc đó các phép quay dưới đây là đồng nhất :

Rot( k,θ ) = Rot( Cz,θ ) hay là Rot(k,θ).T = C.Rot(z,θ).X = C.Rot(z,θ).C -1.T Vậy Rot(k,θ) = C.Rot(z,θ).C -1 (2.6) Trong đó Rot(z,θ) là phép quay cơ bản quanh trục z một góc θ, có thể sử

dụng công thức ( 2.5 ) như đã trình bày. C-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận C. Ta có :

Thay các ma trận vào vế phải của phương trình ( 2.6 ):

166


Nhân ba ma trận này với nhau ta được:

Để đơn giản cách biểu thị ma trận, ta xét các mối quan hệ sau : - Tích vô hướng của bất kỳ hàng hay cột nào của C với bất kỳ hàng hay cột

nào khác đều bằng 0 vì các vectơ là trực giao. - Tích vô hướng của bất kỳ hàng hay cột nào của C với chính nó đều bằng 1

vì là vectơ đơn vị. - Vectơ đơn vị z bằng tích vectơ của x và y, hay là : Ona

×=Trong đó :

ax = nyOz - nzOy

ay = nxOz - nzOx

ax = nxOy - nyOx

Khi cho k trùng với một trong số các vectơ đơn vị của C ta đã chọn : kz = ax ; ky = ay ; kz = az

Ta ký hiệu Versθ = 1 - cosθ (Versin θ). Biểu thức (2.6) được rút gọn thành :

167


Đây là biểu thức của phép quay tổng quát quanh một vectơ bất kỳ k. Từ phép quay tổng quát có thể suy ra các phép quay cơ bản quanh các trục toạ độ.

2.3.4. Bài toán ngược : tìm góc quay và trục quay tương đương.

Trên đây ta đã nghiên cứu các bài toán thuận, nghĩa là chỉ định trục quay và góc quay trước - xem xét kết quả biến đổi theo các phép quay đã chỉ định.

Ngược lại với bài toán trên, giả sử ta đã biết kết quả của một phép biến đổi nào đó, ta phải đi tìm trục quay k và góc quay θ tương ứng. Giả sử kết quả của phép biến đổi thuần nhất R=Rot(k, θ), xác định bởi :

Ta cần xác định trục quay k và góc quay θ. Ta đã biết Rot( k, θ ) được định nghĩa bởi ma trận (2.6) , nên :

Bước 1 : Xác định góc quay θ. * Cộng đường chéo của hai ma trận ở hai vế ta có :

( ) ( )( )

2

1cos

cos1.21cos.3cos11

1cos.3.cos11

1cos.cos.cos.1222

222

−++=⇒

+=++−=+++

++++−=+++

++++++=+++

zyx

zyx

zyxzyx

zyxzyx

aOn

aOn

kkkaOn

verskverskverskaOn

θ

θθθθθ

θθθθθθ

* Tính hiệu các phần tử tương đương của hai ma trận, chẳng hạn : Oz- ay = 2kxsinθ ax - nz = 2kysinθ (2.10) ny - Ox = 2kzsinθ

Bình phương hai vế của các phương trình trên rồi cộng lại ta có : ( ) ( ) ( ) θ2sin4222 =−+−+− xyzxyz OnnaaO

( ) ( ) ( ) 222.2

1sin xyzxyz OnnaaO −+−+−±=⇒ θ

( ) ( ) ( )1

:1800

222

0

−++

−+−+−=≤≤

zyx

xyzxyz

aOn

OnnaaOtgθθ

168


Và trục k được định nghĩa bởi :

;sin.2

;sin.2

;sin.2 θθθ

zyz

zxy

yzx

Onk

nak

aOk

−=

−=

−=

Để ý rằng với các công thức (2.8) : - Nếu θ = 00 thì kx, ky, kz có dạng 0/0. Lúc này phải chuẩn hoá k sao cho

1=k

- Nếu θ = 1800 thì kx, ky, kz có dạng 0

0≠a. Lúc này k không xác định được,

ta phải dùng cách tính khác cho trường hợp này : Xét các phần tử tương đương của hai ma trận (2.9) :

θθ

θθθθ

cos.

cos.

cos.

2

2

2

+=

+=

+=

verska

verskO

verskn

zz

yy

xx

Từ đây ta suy ra :

Trong khoảng 900 ≤ θ ≤ 1800 sinθ luôn luôn dương Dựa vào hệ phương trình ( 2.10 ) ta thấy kx, ky, kz luôn có cùng dấu với vế

trái. Ta dùng hàm Sgn(x) để biểu diễn quan hệ “cùng dấu với x”, như vậy :

Hệ phương trình ( 2.12 ) chỉ dùng để xác định xem trong các kx, ky, kz thành phần nào có giá trị lớn nhất. Các thành phần còn lại nên tính theo thành phần có giá trị lớn nhất để xác định k được thuận tiện. Lúc đó dùng phương pháp cộng các cặp còn lại của các phần tử đối xứng qua đường chéo ma trận chuyển đổi (2.9) :

ny + Ox = 2kxkyversθ = 2kxky(1 - cosθ) Oz + ay = 2kykzversθ = 2kykz(1 - cosθ) (2.13) ax + nz = 2kzkxversθ = 2kzkx(1 - cosθ)

169


Giả sử theo hệ ( 2.12 ) ta có kx là lớn nhất, lúc đó ky, kz sẽ tính theo kx bằng hệ (2.13); cụ thể là :

2.3.5. Phép quay Euler.

Trên thực tế, việc định hướng thường là kết quả của phép quay xung quanh các trục x, y, z . Phép quay Euler mô tả khả năng định hướng bằng cách :

- Quay một góc Φ xung quanh trục z.- Quay tiếp một góc θ xung quanh trục y mới, đó là y’. - Cuối cùng quay một góc ψ quanh trục z mới, đó là z’’ (Hình 2.9).

Ta biểu diễn phép quay Euler bằng cách nhân ba ma trận quay với nhau : Euler (Φ,θ,ψ) = Rot(z, Φ) Rot(y, θ) Rot(z, ψ) (2.14)

Nói chung, kết quả của phép quay phụ thuộc chặt chẽ vào thứ tự quay. Tuy nhiên, ở phép quay Euler, nếu thực hiện theo thứ tự ngược lại, nghĩa là quay góc ψ quanh z rồi tiếp đến quay góc θ quanh y vμ cuối cùng quay góc Φ quanh z cũng đưa đến kết quả tương tự (Xét trong cùng hệ qui chiếu).

170


1.2.6. Phép quay Roll-Pitch-Yaw : Một phép quay định hướng khác cũng thường được sử dụng là phép quay

Roll-Pitch và Yaw. Ta tưởng tượng, gắn hệ toạ độ xyz lên thân một con tàu. Dọc theo thân tàu

là trục z, Roll là chuyển động lắc của thân tàu, tưng đương với việc quay thân tàu một góc Φ quanh trục z. Pitch là sự bồng bềnh, tương đương với quay một góc θ xung quanh trục y và Yaw là sự lệch hướng, tương đương với phép quay một góc ψ xung quanh trục x (Hình 2.10).

Các phép quay áp dụng cho khâu chấp hành cuối của robot như hình 2.11. Ta xác định thứ tự quay và biểu diễn phép quay như sau :

RPY(Φ,θ,ψ)=Rot(z,Φ)Rot(y,θ)Rot(x, ψ) (2.16) nghĩa là, quay một góc ψ quanh trục x, tiếp theo là quay một góc θ quanh

trục y và sau đó quay một góc Φ quanh trục z.

171


Thực hiện phép nhân các ma trận quay, các chuyển vị Poll, Pitch và Yaw được biểu thị như sau:

2.4. Phương trình động học robot.

Bất kỳ một robot nào cũng có thể coi là một tập hợp các khâu (links) gắn liền với các khớp (joints). Ta hãy đặt trên mỗi khâu của robot một hệ toạ độ. Sử dụng các phép biến đổi thuần nhất có thể mô tả vị trí tương đối và hướng giữa các hệ toạ độ này. Denavit. J. đã gọi biến đổi thuần nhất mô tả quan hệ giữa một khâu và một khâu kế tiếp là một ma trận A. Nói đơn giản hơn, một ma trận A là một mô tả biến đổi thuần nhất bởi phép quay và phép tịnh tiến tương đối giữa hệ toạ độ của hai khâu liền nhau. A1 mô tả vị trí và hướng của khâu đầu tiên; A2 mô tả vị trí và hướng của khâu thứ hai so với khâu thứ nhất. Như vậy vị trí và hướng của khâu thứ hai so với hệ toạ độ gốc được biểu diễn bởi ma trận :

T2 = A1.A2

Cũng như vậy, A3 mô tả khâu thứ ba so với khâu thứ hai và : T3 = A1.A2.A3 ; v.v...

172


Cũng theo Denavit, tích của các ma trận A được gọi là ma trận T, thường có hai chỉ số: trên và dưới. Chỉ số trên chỉ hệ toạ độ tham chiếu tới, bỏ qua chỉ số trên nếu chỉ số đó bằng 0. Chỉ số dưới thường dùng để chỉ khâu chấp hành cuối. Nếu một robot có 6 khâu ta có :

T6 = A1.A2.A3.A4.A5.A6 (3.1)T6 mô tả mối quan hệ về hướng và vị trí của khâu chấp hành cuối đối với hệ

toạ độ gốc. Một robot 6 khâu có thể có 6 bậc tự do và có thể được định vị trí và định hướng trong trường vận động của nó ( range of motion ). Ba bậc tự do xác định vị trí thuần tuý và ba bậc tự do khác xác định hướng mong muốn. T6 sẽ là ma trận trình bày cả hướng và vị trí của robot. Hình 3.1 mô tả quan hệ đó với bàn tay máy. Ta đặt gốc toạ độ của hệ mô tả tại điểm giữa của các ngón tay. Gốc toạ độ nầy được mô tả bởi vectơ p (xác định vị trí của bàn tay). Ba vectơ đơn vị mô tả hướng của bàn tay được xác định như sau :

∗ Vectơ có hướng mà theo đó bàn tay sẽ tiếp cận đến đối tượng, gọi là vectơ a ( approach ).

∗ Vectơ có hướng mà theo đó các ngón tay của bàn tay nắm vào nhau khi cầm nắm đối tượng, gọi là vectơ o ( Occupation ).

∗ Vectơ cuối cùng là vectơ pháp tuyến n ( normal ), do vậy ta có : aon ×=

Chuyển vị T6 như vậy sẽ bao gồm các phần tử :

Tổng quát, ma trận T6 có thể biểu diễn gọn hơn như sau:

173


Ma trận R có kích thước 3x3, là ma trận trực giao biểu diễn hướng của bàn kẹp ( khâu chấp hành cuối ) đối với hệ toạ độ cơ bản. Việc xác định hướng của khâu chấp hành cuối còn có thể thực hiện theo phép quay Euler hay phép quay Roll, Pitch, Yaw.

Vectơ điểm p

có kích thước 3x1, biểu diễn mối quan hệ tọa độ vị trí của của gốc hệ tọa độ gắn trên khâu chấp hành cuối đối với hệ toạ độ cơ bản.

2.4.1. Bộ thông số Denavit-Hartenberg (DH).

Một robot nhiều khâu cấu thành từ các khâu nối tiếp nhau thông qua các khớp động. Gốc chuẩn (Base) của một robot là khâu số 0 và không tính vào số các khâu. Khâu 1 nối với khâu chuẩn bởi khớp 1 và không có khớp ở đầu mút của khâu cuối cùng. Bất kỳ khâu nào cũng được đặc trưng bởi hai kích thước :

- Độ dài pháp tuyến chung : an . - Góc giữa các trục trong mặt phẳng vuông góc với an : αn.

Thông thường, người ta gọi an là chiều dài và αn là góc xoắn của khâu (Hình 3.5). Phổ biến là hai khâu liên kết với nhau ở chính trục của khớp (Hình 3.6).

174


Mỗi trục sẽ có hai pháp tuyến với nó, mỗi pháp tuyến dùng cho mỗi khâu (trước và sau một khớp). Vị trí tương đối của hai khâu liên kết như thế được xác định bởi dn là khoảng cách giữa các pháp tuyến đo dọc theo trục khớp n và θn là góc giữa các pháp tuyến đo trong mặt phẳng vuông góc với trục.

dn và θn thường được gọi là khoảng cách và góc giữa các khâu. Để mô tả mối quan hệ giữa các khâu ta gắn vào mỗi khâu một hệ toạ độ. Nguyên tắc chung để gắn hệ tọa độ lên các khâu như sau :

+ Gốc của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt tại giao điểm của pháp tuyến an

với trục khớp thứ n+1. Trường hợp hai trục khớp cắt nhau, gốc toạ độ sẽ đặt tại chính điểm cắt đó. Nếu các trục khớp song song với nhau, gốc toạ độ được chọn trên trục khớp của khâu kế tiếp, tại điểm thích hợp.

+ Trục z của hệ toạ độ gắn lên khâu thứ n đặt dọc theo trục khớp thứ n+1. + Trục x thường được đặt dọc theo pháp tuyến chung và hướng từ khớp n

đến n+1. Trong trường hợp các trục khớp cắt nhau thì trục x chọn theo tích vectơ

nZ

và 1−nZ

.Trường hợp khớp quay thì θn là các biến khớp, trong trường hợp khớp tịnh

tiến thì dn là biến khớp và an bằng 0. Các thông số an, αn, dn và θn được gọi là bộ thông số DH.

2.4.2. Đặc trưng của các ma trận A :

Trên cơ sở các hệ toạ độ đã ấn định cho tất cả các khâu liên kết của robot, ta có thể thiết lập mối quan hệ giữa các hệ toạ độ nối tiếp nhau (n-1), ( n ) bởi các phép quay và tịnh tiến sau đây :

175


- Quay quanh zn-1 một góc θn

- Tịnh tiến dọc theo zn-1 một khoảng dn

- Tịnh tiến dọc theo xn-1 = xn một đoạn an

- Quay quanh xn một góc xoắn αn

Bốn phép biến đổi thuần nhất này thể hiện quan hệ của hệ toạ độ thuộc khâu thứ n so với hệ toạ độ thuộc khâu thứ n-1 và tích của chúng được gọi là ma trận A :

An = Rot(z,θ) Trans(0,0,d) Trans(a,0,0) Rot(x,α) (3.4)

Đối với khớp tịnh tiến ( a =0 và θi = 0 ) thì ma trận A có dạng:

Đối với một khâu đi theo một khớp quay thì d, a và α là hằng số. Như vậy, ma trận A của khớp quay là một hàm số của biến khớp θ.

Đối với một khâu đi theo một khớp tịnh tiến thì θ, α là hằng số. Ma trận A của khớp tịnh tiến là một hàm số của biến số d.

Nếu các biến số được xác định thì giá trị của các ma trận A theo đó cũng được xác định.

2.4.3. Xác định T6 theo các ma trận An :

Ta đã biết :T6 = A1 A2 A3 A4 A5 A6

Trong đó T6 được miêu tả trong hệ toạ độ gốc ( hệ toạ độ gắn với khâu cơ bản cố định của robot ).

Nếu mô tả T6 theo các hệ toạ độ trung gian thứ n-1 thì : ∏=

− =6

61

nii

n AT

Trong trường hợp tổng quát, khi xét quan hệ của robot với các thiết bị khác, nếu hệ toạ độ cơ bản của robot có liên hệ với một hệ toạ độ nào đó bởi phép biến đổi Z. Khâu chấp hành cuối lại có gắn một công cụ, có quan hệ với vật thể

176


bởi phép biến đổi E (hình 3.9) thì vị trí và hướng của điểm cuối của công cụ, khảo sát ở hệ toạ độ tham chiếu mô tả bởi X sẽ được xác định bởi :

ETZX .. 6=

Quan hệ này được thể hiện trên toán đồ sau:

Từ toán đồ này ta có thể rút ra : T6 = Z-1 X E-1 (Z-1 và E-1 là các ma trận nghịch đảo).

2.4.4. Trình tự thiết lập hệ phương trình động học của robot :

Để thiết lập hệ phương trình động học của robot, ta tiến hành theo các bước sau:

1. Chọn hệ toạ độ cơ sở, gắn các hệ toạ độ mở rộng lên các khâu. Việc gắn hệ toạ độ lên các khâu đóng vai trò rất quan trọng khi xác lập hệ

phương trình động học của robot, thông thường đây cũng là bước khó nhất. Nguyên tắc gắn hệ toạ độ lên các khâu đã được trình bày một cách tổng quát trong phần 3.5. Trong thực tế, các trục khớp của robot thường song song hoặc

177


vuông góc với nhau, đồng thời thông qua các phép biến đổi của ma trận A ta có thể xác định các hệ toạ độ gắn trên các khâu của robot theo trình tự sau :

+ Giả định một vị trí ban đầu (Home Position) của robot. + Chọn gốc toạ độ O0, O1, ... + Các trục zn phải chọn cùng phương với trục khớp thứ n+1. + Chọn trục xn là trục quay của zn thành zn+1 và góc của zn với zn+1 chính là

αn+1. Nếu zn và zn+1 song song hoặc trùng nhau thì ta có thể căn cứ nguyên tắc chung hay chọn xn theo xn+1.

+ Các hệ toạ độ Oxyz phải tuân theo qui tắc bàn tay phải. + Khi gắn hệ toạ độ lên các khâu, phải tuân theo các phép biến đổi của ma

trận An. Đó là bốn phép biến đổi : An = Rot(z,θ).Trans(0,0,d).Trans(a,0,0).Rot(x,α).

Nghĩa là ta coi hệ toạ độ thứ n+1 là biến đổi của hệ toạ độ thứ n; các phép quay và tịnh tiến của biến đổi này phải là một trong các phép biến đổi của An, các thông số DH cũng được xác định dựa vào các phép biến đổi này. Trong quá trình gắn hệ tọa độ lên các khâu, nếu xuất hiện phép quay của trục zn đối với zn-1 quanh trục yn-1 thì vị trí ban đầu của robot đã giả định là không đúng, ta cần chọn lại vị trí ban đầu khác cho robot.

2. Lập bảng thông số DH (Denavit Hartenberg). 3. Dựa vào các thông số DH xác định các ma trận An. 4. Tính các ma trận T và viết các phương trình động học của robot.

2.4.5. Thiết lập phương trình động học của robot.

X0

Z0

d3

Z1

Y1

X1

00

01 02 Z2

Y2

X2

03

Y3

Z3

X3

d2

d1

+ Gắn hệ toạ độ lên các khâu: Hệ toạ độ được gắn lên các khâu như hình vẽ.+ Bảng thông số Denavit - Hartenberg ( DH ):

Khâu θi αi ai di

1 *1θ 0 0 0

2 0 900 0 *1d

178


3 0 00 a3*2d

4 0 0 0 *3d

+ Xác định các ma trận A.Ma trân An có dạng:

−

−

=

1000

cossin0

sin.sin.coscos.cossin

cos.sin.sincos.sincos

d

a

a

An ααθαθαθθθαθαθθ

Ta có các ma trận An:

−

=

1000

0100

00cossin

00sincos

11

11

1

θθθθ

A ;

−−

=

1000

100

0100

0001

12 d

A

=

1000

100

0010

001

2

3

3 d

a

A ;

=

1000

100

0010

0001

34 d

A

+ Tính các ma trận biến đổi thuần nhất.- Ma trận: 44

3 AT =- Ma trận: 4

334

2 . TAT =

+=

=

1000

100

0010

001

1000

100

0010

0001

.

1000

100

0010

001

32

3

32

3

42

dd

a

dd

a

T

- Ma trận: 42

241 . TAT =

−−−

=

+

−

=

1000

010

100

001

1000

100

0010

001

.

1000

010

0100

0001

1

32

3

32

3

14

1

d

dd

a

dd

a

dT

- Ma trận: 41

14 . TAT =

179


+−−++

=

−−−

−

=

1000

010

)(cossincos0sin

)(sincossin0cos

1000

010

100

001

.

1000

0100

00cossin

00sincos

1

2311311

3211311

4

1

23

3

11

11

4

d

dda

dda

T

d

dd

a

T

θθθθθθθθ

θθθθ

Mà chuyển vị T4 có dạng:

=

1000

4zzzz

yyyy

xxxx

paOn

paOn

paOn

T

Vậy hệ phương trình động học của robot:1cosθ=xn 0=xO 1sinθ=xa )(sincos 32113 ddapx ++= θθ

1sinθ=yn 0=yO 1cosθ−=ya )(cossin 23113 ddap y +−= θθ0=zn 1=ZO 0=za 1dpZ =

2.4.6. Giải hệ phương trình động học của robot.

Từ hệ phương trình động học của robot đã được thiết lập ta có:43214 ... AAAAT = ( 2-1 )

Liên tục nhân phương trình ( 2-1 ) với các ma trận nghịch đảo ta được:

41

41

1 . TTA =− ( 2-2 )

42

41

11

2 . TTAA =−− ( 2-3 )

43

41

11

21

3 ... TTAAA =−−− ( 2-4 )Ta có:

−

=−

1000

0100

00cossin

00sincos

11

11

11

θθθθ

A

180


−−

=−

1000

0010

100

0001

112

dA ;

−

−

=−

1000

100

0010

001

2

3

13 d

a

A

Đặt: C1 = cosθ1

S1 = sinθ1

Từ phương trình ( 2-2 ) ta có:

−−−−

=

+−+−+−+−

++++

=

−

=−

1000

010

100

001

1000

........

........

1000

.

1000

0100

00cossin

00sincos

.

1

23

3

11111111

11111111

11

11

41

1

d

dd

a

paOn

pCpSaCaSOCOSnCnS

pSpCaSaCOSOCnSnC

paOn

paOn

paOn

TA

zzzz

yxyxyxyx

yxyxyxyx

zzzz

yyyy

xxxx

θθθθ

Ta cân bằng phương trình ở hàng thứ 1 và cột 4 ta có:311 .. apSpC yx =+

Để giài phương trình này ta thay thế bởi các hàm lượng giác:px = r.cosΦpy = r.sinΦ

trong đó: 22yx ppr +±= và ( )xy pparctg ,2=φ ( arctg2(y,x) là hàm arctang hai

biến. Hàm arctg2 nhằm mục đích xác định được góc thực - duy nhất khi xét dấu của hai biến y và x. Hàm số trả về giá trị góc trong khoảng -π < θ < π ).

Ta có:ra /sin.sincos.cos 311 =+ φθφθ với 0 < a3/r < 1

( ) ra /cos 31 =−θφ với 0 < Φ - θ < π

( ) ( ) 231 /1sin ra−±=−⇒ θφ

Trong đó: dấu trừ phù hợp với hình thể vai trái của robot và dấu cộng phù hợp với hình thể vai phải của robot.

( ) ( )ra

ratg

/

/1

3

2

31

−±=−⇒ θφ

( )

−±=−⇒ raraarctg /,/12 32

31θφ

181


( )

( ) ( ) )5.2(/,/12,2

/,/12

32

31

32

31

−±−=⇒

−±−=⇒

raraarctgpparctg

raraarctg

xyθ

φθ

Cân bằng các phần tử ở hàng 2 cột 4 ta có:

)7.2(

)6.2(..

1

2311

z

yx

pd

ddpCpS

=

−−=+−

Từ phương trình ( 2-3 ) và ( 2-4 ) ta có:

43

421

341

11

21

3 .... TTATAAA == −−−−

−+−+−+−+−+−

−++++

=

−+−+−+−−++++

−

−

⇒

1000

........

........

1000

........

........

.

1000

100

0010

001

211111111

1

311111111

11111111

1

11111111

2

3

dpCpSaCaSOCOSnCnS

pdaOn

apSpCaSaCOSOCnSnC

pCpSaCaSOCOSnCnS

dpaon

pSpCaSaCOSOCnSnC

d

a

yxyxyxyx

zzzz

yxyxyxyx

yxyxyxyx

zzzz

yxyxyxyx

Mà:

=

1000

100

0010

0001

34

3

dT

=

−+−+−+−+−+−

−++++

⇒

1000

100

0010

0001

1000

........

........

3211111111

1

311111111

ddpCpSaCaSOCOSnCnS

pdaOn

apSpCaSaCOSOCnSnC

yxyxyxyx

zzzz

yxyxyxyx

Cân bằng hàng 3 cột 4 ta có:

)7.2(..

..

1123

3211

yx

yx

pCpSdd

ddpCpS

+−=+⇒

=−+−

Kết hợp (2.6) và (2.7), ta có: 032 =+ dd

III. Trình bày nguyên lý hoạt động của robot.

Khi trạm cấp phôi của robot báo đã có phôi đến robot sẽ tự động chạy đến vị trí gắp phôi. Robot tiến hành gắp phôi rồi di chuyển đưa phôi đến máy CNC để tiến hành cấp phôi cho máy CNC.

Chuyển động quay của robot được phát động nhờ động cơ một chiều có giảm tốc thông qua nối trục 2. Trục của thân robot quay quanh trục Z nhờ được lắp

182


chặt với ổ bi gắn trong bạc bậc 3. Chuyển động tịnh tiến của robot theo trục Z được thực hiện bởi xilanh khí nén lắp trên trục Z. Chuyển động tịnh tiến theo trục X cũng được thực hiện bằng xilanh. Tay kẹp được thiết kế dưới dạng hai khối V để thuận lợi cho việc định vị cũng như kẹp chặt chi tiết khi di chuyển. Lực kẹp của tay kẹp được thực hiện nhờ xilanh. Thông số cụ thể của các xilanh nói trên được trình bày ở mục 4.

Toàn bộ thân của robot được đặt trên một bàn trượt được điều khiển bằng động cơ bước. Khi dùng động cơ bước ta có thể điều khiển chính xác vị trí cần đến và có thể xử lý vấn đề trượt bước của động cơ bằng phương pháp điện nên ở đây ta không cần phải dùng bộ giảm tốc

IV. Tính toán, thiết kế một số chi tiết điển hình của robot.

4.1. Một số chi tiết điển hình của robot.

- Xilanh thực hiện chuyển động tịnh tiến theo trục Z, tay kẹp:

- Xilanh dùng để thực hiện chuyển động dọc trục X.

Bore size

(mm)

A AL B1 B2 D E F G H H1 H2 I K

183


20 18 15.5 13 26 8 20 13 8 41 5 8 28 5

MM N NA NN P S ZZM8x1.25 15 24 M20x1.5 1/8 62 116

Bore( mm )

Stroke( mm )

Ba e f h l zz

20 50 30 36 17 68 12,5 143

- Gối trượt:

- Khối V (má kẹp):

184


- Khối định vị sống trượt trên dưới:

4.2. Thiết kế quy trình công nghệ gia công một số chi tiết của robot.

4.2.1. Quy trình công nghệ gia công khối V ( cơ cấu tay kẹp ).

a) Phân tích chức năng và điều kiện làm việc của chi tiết.- Giá đỡ V cần được gia công là chi tiết dạng hộp.- Chi tiết dạng hộp là loại chi tiết cơ sở quan trọng của một sản phẩm.Chi

tiết dạng hộp gồm những chi tiết có hình khối rỗng ( xung quanh có thành vách ) thường làm nhiệm vụ của chi tiết cơ sở để lắp các đơn vị lắp ( nhóm,cụm, bộ phận ) của những chi tiết khác lên nó tạo thành một bộ phận máy hay có nhiệm vụ đỡ chi tiết khác.

- Chi tiết gia công có :+ Những bề mặt chính: Mặt đáy A có độ nhẵn bóng yêu cầu Ra=2,5; bề mặt

2 lỗ có Ra=1,25; mặt đáy A và 2 lỗ được chọn làm chuẩn tinh thống nhất trong quá trình gia công chi tiết. Bề mặt làm việc hình chữ V là bề mặt làm việc quan trọng nhất của chi tiết cần gia công có Ra= 1.25 và '0 1090 ±=α là góc làm việc chính.

+ Những bề mặt làm việc phụ: 2 mặt trên B,C; 2 rãnh D,E song song; 2 cạnh song song trước sau; 2 bề mặt bên song song.

b) Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của giá đỡ V.Trên cơ sở phân tích kết cấu của chi tiết ta thấy:- Kết cấu bề mặt chữ V cho phép khi gia công thoát dao dễ dàng.- Có thể đưa dao vào gia công dễ dàng.

185


- Trên chi tiết cần gia công 2 lỗ 20φ , do đường kính lỗ nhỏ khó đúc do vậykhông thể đúc sẵn lỗ.

- Chi tiết có đủ độ cứng vững cho quá trình gia công và quá trình làm việc.- Bề mặt được chọn làm chuẩn: (bề mặt A và 2 lỗ) có đủ diện tích.

c) Lập tiến trình công nghệ gia công.Thứ tự các nguyên công:

Nguyên công I: Phay mặt phẳng chuẩn đáy A

Nguyên công II: Phay mặt bên.

Nguyên công III: Phay mặt bên còn lại.

Nguyên công IV: Phay hai mặt trước và sau.

Nguyên công V: Phay hai mặt trên và một mặt trứơc rãnh V.

Nguyên công VI: Khoan-khoét-doa hai lỗ 20φ .

Nguyên côngVII: Phay rãnh phía trên hai lỗ

Nguyên công VIII: phay rãnh thoát dao.

Nguyên công IX: Phay rãnh chữ V

Nguyên công X: Tổng kiểm tra.

Thiết kế nguyên công.Nguyên công I: Phay mặt đáy A.Định vị và kẹp chặt.

Định vị: Để gia công mặt đáy ta định vị 5 bậc tự do. Do các bề mặt là thô ta định vị ở mặt dưới đối diện mặt A định vị 3 bặc tự do bằng phiến tỳ có khía nhám và ở mặt bên hai bậc tự do nhờ hai chốt tỳ có khía nhám.

Kẹp chặt: Dùng cơ cấu kẹp ren vít, lực kẹp có chiều hướng từ phải sang trái vuông góc với bề mặt định vị bên.

Sơ đồ định vị và kẹp chặt:

A

186


n

W

S

Rz20

Chọn máy và chọn dao.Chọn máy: Máy phay đứng 6H12 có công suất Nm = 7Kw.Chọn dao: Sử dụng dao phay mặt đầu có gắn mảnh hợp kim cứng BK8,

D = 63mm, L = 197mm, Z = 5.Lượng dư gia công Zb = 3 mm.

Tính toán chế độ cắt.Để đạt được độ nhẵn bóng Ra = 2,5 ta phay mặt đáy 2 bước:+ Bước 1: Phay thô.- Lượng dư gia công là Zb = 2,5 mm.- Chiều sâu cắt t = Zb = 2,5 mm.- Lượng chạy dao rằng Sz = 0,3 mm/răng.- Tốc độ cắt: Tra bảng ta có Vb = 158Các hệ số điều chỉnh:

Hệ số điều chỉnh phụ thuọc vào độ cứng của gang k1 = 1 Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ bền của dao k2 = 0,88 Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào tiùnh trạng của bề mặt gia công k3 = 0,8. Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chiều rộng phay k4 = 0,89. Hệ số điều chỉnh phụ thuộc góc nghiêng chính k5 = 1.

Vậy vận tốc tính toán là vt = 99 (m/ph).- Số vòng quay trục chính theo tính toán là :

nt = 45,50063.14,3

99.1000 = (vòng/ph)

chọn theo máy: nm = 475 (vòng/ph)

Tốc độ cắt thực tế: vtt = )/(941000

475.63.14,3phm=

187


Lượng chạy dao phút: sp = sz.z.n = 0,3.5.475 = 721,5(mm/ph)Lượng chạy dao phút theo máy: sm = 750(mm/ph)+ Bước 2: Phay tinh.- Lượng dư gia công zb=0,5mm.- Chiều sâu cắt t=zb=0,5mm.- Lượng chạy dao vòng: s0=0,5(mm/vòng)- Tốc độ cắt vb=188(m/ph)Sau hiệu chỉnh tốc độ cắt tính toán là vt=118(m/ph)- Số vòng quay theo tính toán là:

nt = 59663.14,3

118.1000 = (vòng/ph)

Số vòng quay theo máy nm=600(v/ph) Tốc độ cắt thực tế: vtt=119(m/ph) Lượng chạy dao phút: sp=s0.n=0,5.600=300(mm/ph) Lượng chạy dao phút theo máy: sm=300(mm/ph)

Nguyên công II: Phay mặt bên.Định vị và kẹp chặt.

- Định vị: Để phay mặt bên ta định vị 5 bậc tự do. Dùng mặt bên còn lại làm chuẩn thô, định vị mặt này hai bậc tự do nhờ 2 chốt tỳ có khía nhám, định vị mặt A 3 bậc tự do nhờ phiến tỳ phẳng.

- Kẹp chặt: để kẹp chặt chi tiết ta dung cơ cấu kẹp ren vít, lực kẹp hướng từ phải qua trái vuông góc với mặt định vị A.

- Sơ đồ định vị như hình vẽ sau:

n

S

Rz20

Chọn máy và chọn dao.

188


- Chọn máy: Dùng máy phay đứng 6H12 có công suất Nm = 7Kw.- Chọn dao: Dùng dao phay mặt đầu có gắn mảnh hợp kim cứng BK8 có

D = 63mm, L = 197mm, Z = 5.- Lượng dư gia công zb = 2,5mm.

Tính toán chế độ cắt.Thực hiện phay làm 2 bước:+ Bước 1: phay thô.- Lượng dư gia công: Zb = 2mm.- Chiều sâu cắt t = 2mm.- Lượng chạy dao răng sz = 0,3mm/răng.- Tốc độ cắt:Tra bảng ta có Vb = 158m/phCác hệ số điều chỉ:Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào độ cứng của gang k1 = 1Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ bền của dao k2 = 0,88Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào tình trạng của bề mặt gia công k3 = 0,8. Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chiều rộng phay k4 = 0,89.Hệ số điều chỉnh phụ thuộc góc nghiêng chính k5 = 1.

Vậy vận tốc tính toán là vt = 99 (m/ph).Số vòng quay trục chính theo tính toán là :

nt = 50063.14,3

99.1000 = (vòng/ph)

Chọn theo máy: nm = 475 (vòng/ph)Tốc độ cắt thực tế:

vtt = )/(2,741000

475.50.14,3phm=

Lượng chạy dao phút: sp = sz.z.n = 0,3.5.475 = 712 ( mm/ph )Lượng chạy dao phút theo máy: sm = 750 ( mm/ph )+ Bước 2: Phay tinh.- Lượng dư gia công zb = 0,5 mm.- Chiều sâu cắt t = zb = 0,5 mm.- Lượng chạy dao vòng: s0 = 0,65( mm/vòng )- Tốc độ cắt vb = 190(m/ph)Sau hiệu chỉnh tốc độ cắt tính toán là vt = 120( m/ph )- Số vòng quay theo tính toán là:

nt = 6,60663.14,3

120.1000 = ( vòng/ph )

Số vòng quay theo máy nm = 600 ( v/ph )Tốc độ cắt thực tế: vtt = 118 ( m/ph )Lượng chạy dao phút: sp = s0.n= 0,65.600 = 390( mm/ph )Lượng chạy dao phút theo máy: sm = 375( mm/ph )

189


Nguyên công III: Phay mặt bên còn lại (Tương tự nguyên công 2)Định vị và kẹp chặt.

- Định vị: Để phay mặt bên ta định vị 5 bậc tự do. Dùng mặt bên còn lại làm chuẩn thô, định vị mặt này hai bậc tự do nhờ 2 chốt tỳ có khía nhám, định vị mặt A 3 bậc tự do nhờ phiến tỳ phẳng.

- Kẹp chặt: để kẹp chặt chi tiết ta dung cơ cấu kẹp ren vít, lực kẹp hướng từ phải qua trái vuông góc với mặt định vị A.

- Sơ đồ định vị như hình vẽ sau:

n

S

Rz20

Chọn máy và chọn dao. - Chọn máy: Dùng máy phay đứng 6H12 có công suất Nm = 7Kw.- Chọn dao: Dùng dao phay mặt đầu có gắn mảnh hợp kim cứng BK8 có

D = 63mm, L = 197mm, Z = 5.- Lượng dư gia công zb = 2,5mm.

Tính chế độ cắt.Thực hiện phay làm 2 bước:+ Bước 1: phay thô.- Lượng dư gia công: Zb = 2mm- Chiều sâu cắt t = 2 mm.- Lượng chạy dao răng sz = 0,3 mm/răng.- Tốc độ cắt:Tra bảng ta có Vb = 158 m/phCác hệ số điều chỉnh:Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào độ cứng của gang k1 = 1Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chu kỳ bền của dao k2 = 0,88Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào tình trạng của bề mặt gia công k3 = 0,8.Hệ số điều chỉnh phụ thuộc vào chiều rộng phay k4 = 0,89.

190


Hệ số điều chỉnh phụ thuộc góc nghiêng chính k5 = 1.Vậy vận tốc tính toán là vt = 99 (m/ph).- Số vòng quay trục chính theo tính toán là :

nt = 50063.14,3

99.1000 = ( vòng/ph )

Chọn theo máy: nm = 475 (vòng/ph)Tốc độ cắt thực tế:

vtt = )/(2,741000

475.50.14,3phm=

Lượng chạy dao phút: sp = sz.z.n = 0,3.5.475 = 712 ( mm/ph )Lượng chạy dao phút theo máy: sm = 750 ( mm/ph ) + Bước 2: Phay tinh.- Lượng dư gia công zb = 0,5 mm.- Chiều sâu cắt t=zb=0,5 mm.- Lượng chạy dao vòng: s0 = 0,65 ( mm/vòng )- Tốc độ cắt vb = 190 ( m/ph )

Sau hiệu chỉnh tốc độ cắt tính toán là vt = 120 ( m/ph )- Số vòng quay theo tính toán là:

nt = 6,60663.14,3

120.1000 = ( vòng/ph )

- Số vòng quay theo máy nm=600(v/ph)- Tốc độ cắt thực tế: vtt=118 (m/ph)- Lượng chạy dao phút: sp=s0.n=0,65.600=390(mm/ph)- Lượng chạy dao phút theo máy: sm =3 75( mm/ph )

Nguyên công IV: Phay hai mặt trước và sau.Định vị và kẹp chặt.

191


n

S

Rz20

Rz20

- Định vị: Để phay 2 mặt trước và sau đảm bảo yêu cầu về độ chính xác và độ nhẵn bong ta định vị 6 bậc tự do. Định vị mặt đáy A 3 bậc tự do nhờ 2 phiến tỳ phẳng, định vị 3 bậc tự do còn lại nhờ 2 chốt tỳ ở mặt bên và một chốt tỳ có khía nhám ở mặt trước rãnh V.

- Kẹp chặt: Ta dùng cơ cấu kẹp liên động, lực kẹp hướng từ trên xuống vuông góc với mặt đáy A.Chọn máy và chọn dao.

- Chọn máy: máy phay ngang 6H82 công suất P = 7kw.- Chọn dao: chọn 2 dao phay đĩa 2 mặt răng gắn mảnh hợp kim cứngBK8,

D = 200mm, B = 20 mm, d = 50 mm, Z = 18- Lượng dư gia công: lượng dư gia công zb = 2,5mm

Tính chế độ cắt. + Bước 1: phay thô.

- Lượng dư gia công: Z = 2mm- Chiều sâu cắt: t = 60 mm- Lưọng chạy dao răng: Sz = 0,24 mm/răngTốc độ cắt:

192


- Tốc độ cắt ttheo bảng: Vb = 17m/phVậy tốc độ cắt tính toán là : Vt = 17m/phSố vòng quay trục chính:

n = 27200.14,3

17.1000.1000 ==D

V

π (v/p)

chọn theo máy: nm = 30 (v/p)

⇒ ==1000

DnVtt

π18,84(m/p)

Lượng chạy dao phút: Sp = Sz.Z.n = 0,24.18.30 = 129,6 (mm/p)Lưọng chạy dao phút theo máy: Sm= 150 (mm/p)+ Bước 2: phay tinh.- Lượng dư gia công: Z = 0,5mm- Chiều sâu cắt: t = 60mm- Lưọng chạy dao răng: Sz = 0,1 mm/răng- Tốc độ cắt: Tốc độ cắt theo bảng: Vb = 24,5Vậy tốc độ cắt tính toán là : Vt = 24,5- Số vòng quay trục chính:

n = 39200.14,3

5,24.1000.1000 ==D

V

π (v/p)

Chọn theo máy: nm = 37,5 (v/p)

⇒ 55,231000

5,37.200.14,3

1000=== Dn

Vtt

π (v/p)

- Lượng chạy dao phút: Sp = Sz.Z.n = 0,1.18.37,5 = 67,5 (mm/p) Lượng chạy dao chọn theo máy: Sm = 70 (mm/p)

Nguyên công V: Phay 2 mặt trên và mặt trước rãnh V.Định vị và kẹp chặt.

- Định vị: Để gia công 2 mặt trên và mặt trước rãnh V ta định vị 6 bậc tự do. Định vị 3 bậc tự do ở mặt đáy A nhờ 2 phiến tỳ phẳng, 3 bậc tự do còn lại được định vị nhờ 2 chốt tỳ ở mặt bên và một chốt tỳ ở mặt sau.

- Kẹp chặt: Dùng cơ cấu kẹp ren vít có chiều hướng vuông góc với mặt phẳng định vị bên.

- Sơ đồ định vị như sau:

193


nRz2

0

Rz20

Rz20

S

Chọn máy và chọn dao.- Chọn máy: Máy phay ngang 6H82 có công suất máy 7kw- Chọn dao: Chọn 3 dao:

. Dao phay trụ lớn:Dùng dao phay trụ chắp răng BK8 có: D = 150 mm, L = 75 mm , d = 60 mm, Z = 12.

. Dao phay trụ nhỏ: chế tạo dao phay trụ chắp răng BK8 : D = 68 mm, L = 35 mm, d = 60 mm, Z =8.

. Dao phay đĩa:chế tạo dao phay đĩa 3 mặt gắn mảnh BK8: D = 150 mm, B= 15 mm, d = 60 mm, Z =14.

- Lưọng dư gia công: Z = 2,5mm.Tính chế độ cắt.

- Chế độ cắt: Tính cho dao phay trụ có đường kính lớn.+ Bước 1: phay thô.- Lượng dư gia công: Z = 2 mm- Chiều sâu cắt: t = 2 mm- Lượng chạy dao răng: Sz = 0,3mm/răng.- Tốc độ cắt theo bảng: Vb = 40(m/p).- Tốc độ cắt sau điều chỉnh vt = 40.0,75.0,9 = 27m/ph- Số vòng quay trục chính:

150.14,3

27.1000.1000 ==D

Vn

π = 57,32(v/p)

chọn theo máy: nm= 60(v/p) ⇒ vận tốc cắt thực tế của máy:Vtt = 28,26(m/p)

- Lượng chạy dao phút : Sp = Sz.Z.n = 216(mm/p)

194


- Lượng chạy dao chọn theo máy: Sm = 235(mm/p)+ Bước 2: phay tinh.- Lượng dư gia công: Z = 0,5mm- Chiều sâu cắt: t = 0,5mm- Lượng chạy dao răng: Sz = 0,2mm/răng.- Tốc độ cắt theo bảng: Vb = 56(m/p).Tốc độ cắt sau điều chỉnh vt = 37,8m/p- Số vòng quay trục chính:

150.14,3

8,37.1000.1000 ==D

Vn

π =80 (v/p)

Chọn theo máy: nm = 75(v/p)⇒ vận tốc cắt thực tế của máy: Vtt = 35,32 (m/p)- Lượng chạy dao phút : Sp = Sz.Z.n = 180(m/p)Lượng chạy dao chọn theo máy: Sm= 190(mm/p)

Nguyên công VI: Khoan- khoét- doa 2 lỗ φ 20.

S

n

W

W

W

1,25

195


Định vị và kẹp chặt.- Định vị: Để gia công 2 lỗ φ 20 đạt độ chính xác như yêu cầu ta định vị 6

bậc tự do: định vị mặt đáy A 3 bậc tự do nhờ 2 phiến tỳ phẳng, định vị mặt bên 2 bậc tự do nhờ 2 chốt tỳ, bậc tự do còn lại được hạn chế khi định vị mặt trước bằng 1 chốt tỳ.

- Kẹp chặt: Dùng cơ cấu kẹp liên động, lực kẹp có chiều vuông góc với mặt đáy.

Chọn máy và chọn dao. - Chọn máy: Chọn máy khoan đứng K135 có công suất máy

Nm = 6 Kw- Chọn dao: Chọn 3 dao

. Dao khoan:chọn mũi khoan hợp kim cứng P6M5 có D = 16mm . Dao khoét:dao khoét thép gió P6M5 có D = 19,6mm . Dao doa: dao doa có gắn mảnh hợp kim cứng BK8 có:

D = 20mm, L = 60mm, l = 30mm- Lượng dư trong quá trình gia công: zb = 10

- Tính chế độ cắt.+ Bước 1: Khoan- Lượng dư gia công: Z = 8 mm - Chiều sâu cắt: t = 8 mm- Lượng chạy dao: s0 = 0,6 mm/v- Tốc độ cắt: vb = 24 mm/phTốc độ cắt sau hiệu chỉnh vt = 24.1,09 = 26,16 m/phSố vòng quay trục chính:

===16.14,3

16,26.1000.1000

D

vn

π 520(v/ph)

Số vòng quay trục chính chọn theo máy nm = 540 v/phTốc độ cắt thực tế:

vtt = 2,271000

16.540.14,3

1000

.. ==Dnπ(m/p)

- Mô men xoắn Mx(Nm)và lực chiều trục P0(N) :Mx = 10.CM.Dq.Sy.kp

Po = 10.CP.Dq.Sy.kp

Trong đó: Các số mũ dùng cho khoan q =0,25 ; y = 0,55 ; CM = 0,021 và Cp = 43,3

kp = kMP = 1 – Hệ số tính đến các yếu tố gia công thực tếVậy :

Mx = 10.0,021.160,25.0,60,55.1 = 0,317 ( Nm ) = 317 ( Nmm )

Po = 10.CP.Dq.Sy.kp = 10.43,3.160,25.0,60,55.1 = 653 (N)

196


+ Bước 2: Khoét- Lượng dư gia công: Z = 1,8mm- Chiều sâu cắt t =1,8 mm- Lượng chạy dao: s0 = 0,49mm/v- Tốc độ cắt: vb = 31m/ph Tốc độ cắt sau hiệu chỉnh vt = 31.1,09.1 = 33,8(m/ph)Số vòng quay trục chính:

n = ==6,19.14.3

8,33.1000

.

.1000

D

v

π 549 (v/ph)

Số vòng quay trục chính chọn theo máy nm = 540 v/phTốc độ cắt thực tế:

vtt = ==1000

6,19.668.14,3

1000

.. Dnπ39 (m/ph)

Mômen xoắn Mx và lực chiều trục P0:Mx = 10.CM.tx.Dq.Sy.kp

P0 = 10.Cp.tx.Dq.Sy.kp

Trong đó: q = 0,2; y = 0,4; x = 0,1 và CM = 0,085; Cp = 23,5; kp = 0

Vậy Mx = 1,23 Nm = 1230N.mm + Bước 3: Doa- Chiều sâu cắt:t= 0,2mm- Lượng chạy dao:s0= 0,25mm/v- Tốc độ cắt: tra bảng vb=8Tốc độ cắt sau hiệu chỉnh vt=6,5.1= 8m/phSố vòng quay trục chính:

12820.14,3

8.1000.1000 ===D

vn

π v/ph

Số vòng quay trục chính chọn theo máy nm=135v/phTốc độ cắt thực tế:

vtt= 5,81000

20.135.14,3

1000

.. ==Dnπm/ph

- Mômen xoắn Mx:

Mx=100.2

.... ZDStC yz

xp

Trong đó: Cp=23,5; x=0,1; y=0,5; Z=10

Thay số ta có: Mx= 3,16 (N.m)= 3160 (N.mm)

Nguyên công VII: Phay rãnh phía trên 2 lỗ ( không trình bày trong bản vẽ nguyên công).Định vị và kẹp chặt.

197


- Định vị: Để gia công rãnh đạt yêu cầu ta định vị 6 bậc tự do: hạn chế 3 bậc tự do ở mặt đáy nhờ phiến 2 phiến tỳ phẳng, chốt trụ hạn chế 2 bậc tự do và chốt trám hạn chế 1 bậc tự do còn lại. - Kẹp chặt: Dùng cơ cấu kẹp liên động có lực kẹp vuông góc với mặt đáy A

- Sơ đồ định vị và kẹp chặt:

W W

Rz20

n

S

WW

Chọn máy và chọn dao.

- Chọn máy: Chọn máy phay đứng 6H12 có công suất Nm=7Kw- Chọn dao: Chọn dao phay ngón BK8 , D=32, Z=6- Lượng dư gia công: zb=8mm

Tính chế độ cắt.Chế độ cắt:- Lượng dư gia công:Z= 32mm- Chiều sâu cắt: t=32mm- Lượng chạy dao: sr=0,07mm/răng- Tốc độ cắt theo bảng: vb=20m/ph

198


Tốc độ cắt tính toán: vt=18m/phSố vòng quay trục chính:

14,17932.14,3

18.1000.1000 ===D

vn

π (v/ph)

Số vòng quay trục chính chọn theo máy là: nm=190v/phTốc độ cắt thực tế:

vtt

1,191000

32.190.14,3

1000

.. === Dnπ(m/ph)

- Lượng chạy dao phút: sp= n.z.sz=79,8

- Lượng chạy dao phút chọn theo máy: sm= 75mm/ph.

Nguyên công VIII: Phay rãnh thoát dao.Định vị và kẹp chặt.

- Định vị: Ta định vị 6 bậc tự do: hạn chế 3 bậc tự do ở mặt đáy nhờ phiến 2 phiến tỳ phẳng, chốt trụ hạn chế 2 bậc tự do và chốt trám hạn chế 1 bậc tự do còn lại.

- Kẹp chặt: Dùng cơ cấu kẹp liên động có lực kẹp vuông góc với mặt đáy A - Sơ đồ định vị và kẹp chặt:

S

W W

n

199


Chọn dao và chọn máy.- Chọn máy: Chọn máy phay ngang 6H82 có công suất Nm=7Kw- Chọn dao: Chọn dao phay đĩa 3 mặt BK8 có D=60mm, B=4mm, Z=16.

Tính chế độ cắt.Chế độ cắt: - Chiều sâu cắt: t = 7,5mm- Lượng chạy dao: sz = 0,08mm/răng- Tốc độ cắt tra theo bảng vb = 50m/phTốc độ cắt tính toán vt = 46m/phSố vòng quay trục chính tính toán:

nt = ==60.14,3

46.1000

.

.1000

D

v

π 244(v/ph)

Số vòng quay trục chính chọn theo máy:nm = 300v/phTốc độ cắt thực tế:

vtt = 52,561000

60.300.14,3

1000

.. ==Dnπ(v/ph)

Lượng chạy dao phút: sp = n.z.sz = 384(mm/ph)

Lượng chạy dao phút chọn theo máy: sm = 375mm/ph

Nguyên công IX : Phay rãnh chữ VĐịnh vị và kẹp chặt.

- Định vị: Ta định vị 6 bậc tự do: hạn chế 3 bậc tự do ở mặt đáy nhờ phiến 2 phiến tỳ phẳng, chốt trụ hạn chế 2 bậc tự do và chốt trám hạn chế 1 bậc tự do còn lại.

- Kẹp chặt: Dùng cơ cấu kẹp liên động có lực kẹp vuông góc với mặt đáy AChọn dao và chọn máy.

- Chọn máy: Chọn máy phay ngang 6H82 có công suất Nm = 7Kw- Chọn dao: ghép 2 dao định hình BK8 có D = 60, B = 20, Z = 16, 045=ϕ- Lượng dư gia công: zb = 2,5mm.

Tính chế độ cắt. + Bước 1: phay thô.- Lượng dư gia công: z = 2mm- Chiều sâu cắt: t = 13,7mm- Lượng chạy dao: sz = 0,12mm/răng- Tốc độ cắt tra theo bảng vb = 38m/phTốc độ cắt tính toán vt = 34,96m/phSố vòng quay trục chính tính toán:

nt = ==60.14,3

96,34.1000

.

.1000

D

v

π 185,56(v/ph)

Số vòng quay trục chính chọn theo máy:nm = 190 v/phTốc độ cắt thực tế:

200


vtt = ==1000

60.190.14,3

1000

.. Dnπ36(m/ph)

Lượng chạy dao phút: sp = n.z.sz = 364,8 (mm/ph)

Lượng chạy dao phút chọn theo máy: sm = 375 mm/ph

S

WW

n

1,25

+ Bước 2: phay tinh.- Lượng dư gia công: Z = 0,5mm- Chiều sâu cắt: t = 14mm- Lượng chạy dao: sz = 0,05mm/răng- Tốc độ cắt tra theo bảng vb = 48,5m/phTốc độ cắt tính toán vt = 43,65 m/phSố vòng quay trục chính tính toán:

nt = ==60.14,3

65,43.1000

.

.1000

D

v

π 231,69 (v/ph)

Số vòng quay trục chính chọn theo máy:nm = 235 v/ph

201


Tốc độ cắt thực tế:

vtt = ==1000

60.235.14,3

1000

.. Dnπ42,27(m/ph)

Lượng chạy dao phút: sp = n.z.sz = 188 (mm/ph)

Lượng chạy dao phút chọn theo máy: sm=190

Nguyên công X: Tổng kiểm tra.Kiểm tra độ không song song của rãnh phía trên 2 lỗ với mặt đáyKiểm tra độ không vuông góc của tâm 2 lỗ với mặt đáy.

Trên thực tế gia công chi tiết chũ V làm má kẹp đơn giản như sau:Định vị kẹp chặt bằng etô.Phay lần lượt các mặt để được khối hình hộp có kích thước bao đạt yêu cầu.Phay rãnh:

n

Phay 2 mặt chữ V:

n

202


n

4.2.2. Quy trình công nghệ gia công gối trượt.

- Định vị kẹp chặt bằng êtô.- Gia công trên máy phay đứng vạn năng 6H12 và máy khoan cần 2H53

Trình tự gia công:Lần lượt phay khối hình hộp có kich thước bao bằng kích thước yêu cầuPhay bậc 2 bên:

nn

Phay rãnh trượt (gối lên trục φ 12):

n

Khoan 4 lỗ φ 4.5 (bằng phương pháp lấy dấu)

203


V. Cơ cấu tay kẹp của robot.

5.1. Khái niệm và phân loại tay kẹp.

Phần công tác của robot rất đa dạng. Trên các robot chuyên dụng thì phần công tác cũng là thiết bị chuyên dụng như phần công tác trên robot phun sơn là súng phun sơn,...Trên một loạt các robot vạn năng, thường là robot vận chuyển, lắp ráp, xếp dỡ,... thì phần công tác có chức năng nắm, giữ và thực hiện các thao tác khác nhau của đối tượng ( xoay, lựa, đặt,...). Bỏ qua sự khác biệt về kết cấu, căn cứ vào chức năng chính của cơ cấu chúng ta gọi là tay kẹp.

Các đối tượng mà robot phải xử lý rất khác nhau về kích thước, hình dáng và tính chất vật lý nên tay kẹp cũng hết sức đa dạng. Yêu cầu cơ bản đối với tay kẹp là làm việc tin cậy: bắt đúng đối tượng, giữ chắc... nhưng không làm hỏng đối tượng. Ngoài ra, nó cần gọn nhẹ, tác động nhanh. Tính vạn năng và sự gọn nhẹ luôn luôn mâu thuẫn với nhau. Một mặt người ta cố gắng mở rộng phạm vi hoạt động của tay kẹp. Mặt khác người ta tạo ra bộ các tay kẹp có tính năng khác nhau để người dùng có thể chọn tay kẹp phù hợp nhất cho từng việc cụ thể.

Tay kẹp được phân loại theo nhiều đặc trưng khác nhau như theo công dụng, theo phương pháp giữ vật, theo tính vạn năng...Chúng ta quan tâm đến các đặc trưng liên quan trực tiếp đến kết cấu, như sau:

204


- Theo nguyên lý tác động: có tay kẹp cơ khí, chân không, từ trường, tĩnh điện...

- Theo khả năng điều khiển: có tay kẹp không có điều khiển, điều khiển cứng, điều khiển thích nghi.

- Theo nguồn năng lượng có các loại tay kẹp có dẫn động và không có dẫn động.5.2. Kết cấu của tay kẹp.

5.2.1. Tay kẹp cơ khí.

Đó là loại tay kẹp để giữ, di chuyển đối tượng bằng các mỏ kẹp, móc, càng, tấm đỡ...

Tay kẹp không có điều khiển dùng các loại mỏ, nhíp, chấu... để kẹp vật nhờ tác dụng của lò xo hoặc nhờ lực đàn hồi của chính các chi tiết trong hệ thống. Kết cấu của các tay kẹp kiểu này rất đơn giản. Chúng không có nguồn dẫn động riêng, không có cơ cấu hãm nên lực kẹp dao động theo kích thước đối tượng. Vì vậy, chúng thuộc loại tay kẹp chuyên dùng, được thiết kế cho từng loại đối tượng cụ thể, với phạm vi thay đổi kích thước hẹp. Do các đặc điểm trên chúng được dụng chủ yếu trong sản xuất hàng khối.

Để đảm bảo sự làm việc tin cậy và ổn định ngay cả khi có biến động kích thích của đối tượng, tay kẹp được bổ xung cơ cấu hãm như hình 5.19 sau:

205


Nhờ cơ cấu hãm mà tay kẹp làm việc với hành trình kẹp, nhả một cách rành mạch hơn mặc dù vẫn không có nguồn dẫn động riêng.

Để tăng độ tin cậy khi kẹp và nhả, có lực kẹp lớn, phạm vi công tác rộng, người ta dùng tay kẹp có dẫn động. Nguồn động lực thường là động cơ thuỷ lực hoặc khí nén.

206


Hình 5.20a là hai tay kẹp, dùng chung cụm cơ sở là xilanh thuỷ lực và hai càng dẫn động. Mỏ kẹp có thể thay đổi được, vì vậy có thể dùng để kẹp vào mặt trong hoặc mặt ngoài chi tiết. Kết cấu tay kẹp như trên hình 5.20b cho phép điều chỉnh khoảng cách giữa 2 mỏ kẹp.

Sơ đồ kết cấu các tay kẹp với truyền động khí nén:

Các tay kẹp kiểu a và b có mỏ kẹp thay đổi được để dụng với các bề mặt khác nhau về hình dáng và kích thước. Tay kẹp kiểu c sử dụng cơ cấu bình hành, duy trì được độ song song giữa hai mỏ kẹp cả khi độ mở thay đổi trong phạm vi rộng.

Thay cho cơ cấu truyền động bằng càng, tay đòn... trên nhiều tay kẹp người ta dùng cơ cấu thanh răng, trong đó đuôi các mỏ kẹp có dạng quạt răng như hình vẽ sau:

207


Ưu điểm chính của cơ cấu này là gọn, làm việc tin cậy. Các sơ đồ trên hình vẽ cũng biều diễn các dạng mỏ kẹp tự định tâm. Chúng có thể làm việc ở hai vị trí, ví dụ vị trí kẹp phôi và vị trí đưa phôi vào mâm cặp của máy tiện ( b ). Kết cấu (c) cho phép định vị chi tiết tại 3 điểm. Sự kết hợp giữa truyền động thanh răng với đòn cũng gặp trên nhiều kiều tay kẹp. Khi đã có nguồn dẫn động riêng, các tay kẹp có thể điều khiển từ chương trình, bằng các lệnh nhả - kẹp đơn giản hoặc các chu trình điều khiển phức tạp hơn như thay đổi khoảng công tác, làm việc nhiều vị trí,...

5.2.2. Tay kẹp chân không và điện - từ.

Kết cấu của tay kẹp điện từ và chân không:

208


Các tay kẹp kiểu này dùng lực hút ( chân không hoặc từ lực ) để nhấc và di chuyển đối tượng. Trong một vài trường hợp người ta còn dùng cả lực hút tĩnh điện. Ưu điểm chính của loại tay kẹp này là có kết cấu đơn giản, có thể dùng với các bề mặt hay vật liệu mà tay kẹp cơ khí khó đáp ứng như chi tiết phẳng rộng nhưng mỏng như tấm tôn hoặc giấy mỏng, hình dạng chi tiết phức tạp, vị trí của chi tiết thay đổi ngẫu nhiên,...

5.2.3. Tay kẹp dùng buồng đàn hồi.

Buồng đàn hồi thường được làm bằng cao su, chất dẻo. Lực kẹp sinh ra do sự biến dạng của buồng dàn hồi dưới tác dụng của khí nén hoặc thuỷ lực. Sơ đồ các tay kẹp dùng buồng đàn hồi do hãng Simrit ( Pháp ) chế tạo:

Chi tiết có thể được địnhvị và kẹp tại mặt trụ trong, mặt trụ ngoài nhờ buồng đàn hồi hình trụ (a) hoặc định vị nhờ khối V và kẹp nhờ vòng ôm đàn hồi.

209


5.2.4. Tay kẹp thích nghi.

Trên các tay kẹp kiều này, người ta đặt các sensor để thu nhận thông tin về sự tồn tại, vị trí, hình dạng, kích thước, khối lượng, trạng thái bề mặt, màu sắc,...của đối tượng để robot tự động tìm cách xử lý thích hợp như nhận hay không nhận, thay đổi nơi chuyển đến, vị trí và lực kẹp...Sau đây là sơ đồ tay kẹp kiều Anthropomorphic ( tay người ):

Tay kẹp có 3 ngón. Các đốt nối với nhau và nối với bàn tay bằng chốt và có

thể chuyển quay tương đối với nhau ±450 nhờ các động cơ điện một chiều. Toàn bộ các ngón có 11 bậc tự do và có phạm vi hoạt động lớn hơn tay người cùng kích thước. Chuyển động quay quanh các khớp được giám sát nhờ các sensor chuyển vị. Lực kẹp được giám sát và điều chỉnh theo thông tin từ các sensor áp lực. Bàn tay có khối lượng 240g, sức nâng 0,5Kg. Bàn tay trên hình 5.25b có 6 sensor xúc giác 3, kiểu microswitch để nhận biết đối tượng khi chạm vào nó. Phía trong, trên đầu các ngón tay và trên càng 1 giữa các ngón có 17 sensor áp lực 2, 4, 6 kiểu biến trở. Hai photodiode 5 trên đầu các ngón tay dùng để định vị đối tượng và " dẫn đường " cho bàn tay tiếp cận tới nó. Tay kẹp trên hình 5.25c có khả năng tìm, định tâm, và kẹp chặt chi tiết trụ dạng bạc. Nó có sensor lực 2 lắp trên đầu dò 3. Trên đầu các ngón có các sensor đo xa quang học 5. Đầu dò 3, sau khi chạm vàođối tượng sẽ di chuyển để tiếp xúc với mặt trụ của đối tượng, xác định tâm và chuyển động đến tâm của nó. Sau đó, nhờ các sensor 5, mỏ kẹp sẽ được đưa tới tiếp xúc với bề mặt kẹp chi tiết.

5.3. Tính toán tay kẹp robot.

Khi tính toán tay kẹp cần phải tính lực kẹp cần thiết để nhấc và di chuyển đối tượng, tính lực hoặc công suất của cơ cấu dẫn động, kiểm nghiệm các chi tiết của cơ cấu theo điều kiện bền, kiểm nghiệm khả năng phá hỏng bề mặt của đối

210


tượng do tác dụng của lực kẹp,...Trong một số trường hợp, phải tính toán hình học để đảm bảo độ chính xác định vị.

Do phôi của chúng ta có dạng khối trụ tròn nên ta chọn tay kẹp có hai má kẹp bằng khối V để thuận lợi cho việc định vị phôi, lực kẹp thực hiện bằng khí nén để kết cấu tay kẹp đơn giản, dể điều khiển.

Sơ đồ tay kẹp như hình vẽ:

5.3.1. Tính lực tiếp xúc.

Lực tác dụng tại điểm tiếp xúc giữa mỏ kẹp và đối tượng được xác định với hai mục đích: đảm bảo đủ lực kẹp đồng thời không làm hỏng bề mặt đối tượng.

Ta có các lực tiếp xúc Ni lên má kẹp có hướng như hình vẽ. Phản lực trên mỏ kẹp thứ n là Rn có phương vuông góc với lực Ni ( vuông góc với mặt phẳng tờ giấy ). Nên θ = 00.

Góc giữa hình chiếu của lực Rn lên mặt phẳng và lực Ni: φi = 900.Từ những phân tích trên ta có: Ni = - Rn/µ ( với µ là hệ số ma sát ).

5.3.2. Tính lực dẫn động.

Lực dẫn động do cơ cấu dẫn động sinh ra, đặt lên đầu vào của tay kẹp.Để vật không bị rơi thì nms RQF +>∑Ta có: Fms = µ. Rn

1.4

..4

−≥⇒

+≥⇒

µ

µQ

R

RQR

n

nn

Mà: P = ( N1 + N2 ).sin450 = 2.N1.sin450

211


µµ

µµ

µ

).41(

.2

142

.

2

21

−≤⇒

−≥−=⇒=−⇒

=⇒

QP

QPR

PR

PN

nn

Gọi p là áp suất cần đưa vào xilanh S là diện tích của pittong.

( ) ( ) S

Qp

QSp

SpP

..41

.2

.41

.2.

.

µµµµ −≤⇒

−≤⇒

=⇒

5.3.3. Tính ứng suất tiếp xúc.

Khi kẹp nhờ lực ma sát thì ứng suất tiếp xúc khá lớn. Điều đó có thể dẫn đến hư hỏng bề mặt mỏ kẹp hoặc đối tượng, nhất là các chi tiết máy đã được gia công tinh. Vì vậy, úng suất tiếp xúc thực tế phải nhỏ hơn giá trị cho phép.

Tham khảo sách " kỹ thuật robot " của tác giả PGS.TS Đào Văn Hiệp ta có ứng suất tiếp xúc được tính theo công thức:

−=

r

l

dl

EN q 2.

..418,0σ

d: đ ường kính của vật (cm).l: bề rộng của mỏ kẹp (cm).r: bán kính đầu mỏ kẹp (cm)

212


C - HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN CỦA ROBOT.

Phần này chúng ta sẽ đề cập đến hệ thống điều khiển cho robot, không có nó thì robot không thể hoạt động được.

Muốn điều khiển được robot thì phải có 4 yếu tố:- Hệ thống phát động ( Actuators ) và chấp hành ( Drivers, motors ).- Hệ thống cảm biến ( sensors ).- Bộ điều khiển ( controller ) gồm phần cứng và phần mềm hệ thống.- Chương trình điều khiển.

I. Hệ thống chấp hành.

Chuyển động của robot được thực hiện bởi hệ thống chấp hành. Nó gồm các bộ phận sau:

- Nguồn điện cấp- Khuyếch đại công suất- Động cơ- Xilanh khí nén- Truyền động cơ khí

1.1. Nguồn điện cấp.

Nhiệm vụ của nguồn điện chính là cung cấp năng lượng tới đầu vào của bộ biến đổi. Vì các động cơ và van khí nén đều dùng nguồn một chiều nên nguồn cấp cho robot là nguồn 24VDC.1.2. Khuyếch đại công suất.

Bộ khuyếch đại công suất có nhiệm vụ biến đổi trạng thái năng lượng của nguồn cung cấp sao cho phù hợp với yêu cầu của tải. Công suất cung cấp tỷ lệ với tín hiệu điều khiển và thường lớn hơn công suất điều khiển nên bộ biến đổi này gọi là bộ khuyếch đại công suất.

Vì ta động cơ của ta là động cơ một chiều và công suất ra không lớn lắm nên ta dùng tầng khuyếch đại đẩy kéo như sơ đồ:

G N DG N D

2 4 V OU

T_1

EN

G N DG N DG N D

V C C

D C 1 _ E N

R 4 4 5

R

R 2 1 01 0 K

U 2 7 0

C a c h L y Q u a n g

1

2 3

41

2 3

4 Q 2 7 0

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 4 01 0 K

Q 2 8A 1 0 1 5

Q 2 9 0C 1 8 1 5

Chân DC1_EN được nối với một chân của vi điều khiển ( tín hiệu điều khiển ) để điều khiển đầu ra cho phép OUT_1EN.

213


1.3. Động cơ.

Động cơ là nguồn tạo động lực chuyển động cho robot. Tuỳ thuộc vào dạng năng lượng sử dụng, người ta dùng các loại động cơ khí nén, động cơ thuỷ lực và động cơ điện. Công suất vào động cơ Pa chỉ được chuyển một phần Pu thành cơ năng, phần mất mát Pds là do tổn hao cơ khí, thuỷ lực hoặc khí nén. Do đặc điểm sử dụng trong robot, chẳng hạn yêu cầu chạy đúng quỹ đạo, định vị chính xác... nên các động cơ phải có các tính chất sau:

- Quán tính nhỏ và tỷ số năng lượng tiêu hao/trọng lượng cao.- Có khả năng chịu quá tải.- Có khả năng gia tốc tốt.- Dải tốc độ làm việc rộng ( 1 ÷ 1000 v/ph ).- Độ chính xác định vị cao ( ít nhất 1/1000 vòng tròn ).- Có thể làm việc trơn tru ở vận tốc thấp.Động cơ khí nén khó đáp ứng các yêu cầu trên vì không thể khắc phục tính

nén được của môi chất thể khí. Chúng thường chỉ được dùng trong các chuyển động đóng mở.Động cơ điện gồm các loại động cơ 1 chiều, động cơ bước, động cơ xoay chiều thông dụng và động cơ servo, trong đó động cơ servo được dùng phổ biến hơn cả vì động cơ servo được điều khiển tự động bằng một hệ thống điều khiển điện tử có phản hồi. Tín hiệu phản hồi được lấy từ sensor vận tốc hoặc sensor vị trí, giám sát liên tục chuyển động tương đối giữa rotor và stator, từ đó sinh ra tín hiệu điều khiển tốc độ và chiều quay của rotor. Động cơ servo có đặc tính động lực học tốt, đồng thời kết cấu đơn giản, làm việc tin cậy nên ngày càng được ưa dùng. Động cơ điện một chiều cổ điển không được ưa dùng vì có bộ góp điện gây nhiều phiền phức khi sử dụng đã được thay bằng động cơ một chiều không có chổi than ( brushless DC servomotor ). Động cơ bước, do công suất nhỏ, độ chính xác thấp ( do không có mạch phản hồi vị trí, do đặc tính động lực học phụ thuộc tải trọng, thậm chí có hiện tượng " bỏ bước " khi tải lớn), nhưng lại rẻ tiền, nên được dùng cho những nơi không đòi hỏi độ chính xác điều khiển cao.

Động cơ thuỷ lực có các đặc tính động lực học tương đương với động cơ điện, có thể trực tiếp sinh ra chuyển động thẳng và chuyển động quay.

Mặc dù bản thân động cơ điện và động cơ thuỷ lực có đặc tính động lực học tương đương nhau nhưng chúng khác nhau về đặc điểm sử dụng. Về phương diện đó động cơ điện có các ưu điểm sau:

- Dễ cung cấp năng lượng vì hệ thống cấp điện có ở khắp nơi.- Giá rẻ, chủng loại phong phú và dải công suất rộng.- Hiệu suất biến đổi năng lượng cao.- Dễ sử dụng và dể chăm sóc.- Không gây ô nhiễm môi trường.

Động cơ điện cũng có những nhược điểm sau:- Phát nóng ở trạng thái tĩnh hoặc khi tốc độ thấp, vì vậy thường phải dùng

phanh.

214


- Cần bảo vệ đặc biệt nếu làm việc trong môi trường dễ cháy.Động cơ thuỷ lực có ưu điểm sau:

- Làm việc tốt ở trạng thái tĩnh và tốc độ thấp mà không bị phát nóng.- Tự bôi trơn và tản nhiệt tốt nhờ sự lưu thông của chất lỏng trong khi làm

việc.- An toàn trong mọi môi trường.- Có công suất riêng theo trọng lượng cao.

Nhược điểm của động cơ thuỷ lực:- Cần trạm cung cấp thuỷ lực riêng.- Đắt tiền, ít chủng loại, khó lắp đặt, khó chăm sóc và bảo trì.- Hiệu suất biển đổi năng lượng thấp.- Dễ ô nhiễm môi trường do dầu trong hệ thống bị rò khi vận hành hoặc có

dầu thải khi bảo dưỡng, sửa chữa.Xét về mặt điều khiển và vận hành, động cơ điện dể điều khiển và có thể thay

đổi chế độ làm việc một cách linh hoạt. Đặc tính động lực học của động cơ thuỷ lực còn phụ thuộc vào nhiệt độ dầu. Động cơ điện làm việc tốt ở tốc độ cao và tải trọng nhỏ nên thường được dùng truyền động cơ khí trung gian. Ngược lại, động cơ thuỷ lực làm việc tốt khí tốc độ thấp và tải lớn nên thường truyền trực tiếp.

Vì robot trong hệ thống CIM này chỉ là mô hình thí nghiệm, trọng tải nhỏ, đòi hỏi độ chính xác vị trí không cao nên ta dùng động cơ bước ( có mômen hãn lớn, dễ tìm, giá rẻ...) là có thể đáp ứng được yêu cầu. Còn chuyển động quay ta dụng động cơ 1 chiều có giảm tốc ( 3 cấp ) kết hợp với cảm biến và công tắc hành trình để kiểm tra vị trí.1.4. Xilanh khí nén.

Để thực hiện kẹp chặt phôi và các chuyển động tịnh tiến của cánh tay robot ta dùng các loại xilanh khí nén được điều khiển bằng các van khí solenoid 4/2 điều khiển điện .1.5. Truyền động động cơ khí.

Các chuyển động của robot thường có vận tốc nhỏ, mômen lớn trong khi các động cơ thường làm việc với vận tốc lớn và momen nhỏ. Vì vậy, giữa động cơ và khớp thường có bộ biến tốc để sử dụng vùng làm việc có lợi nhất của động cơ. Thông qua bộ phận truyền dẫn này công suất Pm trở thành Pu và bị tổn hao một lượng pdt do ma sát. Khi chọn bộ phận truyền dẫn cần căn cứ vào công suất cần thiết, loại chuyển động của khớp và vị trí đặt động cơ so với khớp, vì bộ phận truyền dẫn không chỉ biến đổi giá trị công suất mà cả dạng chuyển động.

Trong robot thường sử dụng các loại truyền dẫn sau:- Cơ cấu trục vit - bánh vít: có tỷ số truyền lớn, cho phép đổi phương trục

và thay đổi điểm tác dụng của lực.- Cơ cấu vítme - đai ốc: cho phép biến chuyển động quay của trục động cơ

thành chuyển động thẳng tại khớp trượt. Vitme - đai ốc bi thường được dùng để giảm ma sát. Thường cơ cấu này được lắp có độ dôi để giảm khe hở và tăng độ cứng vững.

215


- Truyền động đai răng và truyền động xích cho phép đặt động cơ xa trục khớp. Lực căng đai gây tải trọng phụ nên đai thường được dùng khi vận tốc chuyển động lớn và lực nhỏ. Ngược lại xích hay bị dao động nên thường dùng khi vận tốc nhỏ.

- Lựa chọn cơ cấu truyền động:Việc di chuyển tịnh tiến thân robot đến các vị trí cấp phôi ta dùng cơ cầu

vitme - đai ốc. Để điều khiển chính xác vị trí thì nên dùng cơ cấu vitme - đai ốc bi là chính xác và tin cậy nhất. Song cơ cấu vitme - đai ốc bi có giá thành cao, khó tìm trên thị trường nên ta dùng cơ cấu vitme - đai ốc thường trong hệ thống này cũng có thể đáp ứng được độ chính xác đặt ra.

II. Hệ thống cảm biến dùng trong robot.

2.1. Các khái niệm và đặc trưng cơ bản về các loại cảm biến.

2.1.1. Khái niệm và phân loại cảm biến.

a) Khái niệm.Cảm biến là thiết bị dùng để cảm nhận biến đổi các đại lượng vật lý và các

đại lượng không có tính chất điện cần đo thành các đại lượng điện có thể đo và xử lý được.

Các đại lượng cần đo ( m ) thường không có tính chất điện như nhiệt độ, áp suất,... tác động lên cảm biến cho ta một đặc trưng ( s ) mang tính chất điện như điện áp, dòng điện,... chứa đựng thông tin cho phép xác định giá trị của đại lượng đo. Đặc trưng ( s ) là hàm của đại lượng cần đo ( m ):

S = F(m).Người ta gọi ( s ) là đại lượng đầu ra hoặc là phản ứng của cảm biến, ( m )

là đại lượng đầu vào hay kích thích ( có nguồn gốc là đại lượng cần đo). Thông qua đo đạc ( s ) cho phép nhận biết giá trị của ( m ).b) Phân loại cảm biến.

Các bộ cảm biến được phân loại theo các đặc trưng cơ bản sau đây:- Theo nguyên lý chuyển đổi giữa đáp ứng và kích thích:

Hiện tượng Chuyển đổi đáp ứng và kích thích

Hiện tượng vật lý

- Nhiệt điện- Quang điện- Quang từ- Điện từ- Quang đàn hồi- Từ điện....

Hiện tượng hoá học- Biến đổi hoá học- Biến đổi điện hoá- Phân tích phổ....

216


Hiện tượng sinh học- Biến đổi sinh hoá - Biến đổi vật lý- Hiệu ứng trên cơ thể sống.

- Phân loại theo dạng kích thích:

Âm thanh- Biên pha, phân cực- Phổ- Tốc độ truyền sóng...

Điện

- Điện tích, dòng điện.- Điện thế, điện áp.- Điện trường ( biên, pha, phân cực, phổ ).- Điện dẫn, hằng số điện môi...

Từ- Từ trường ( biện, pha, phân cực, phổ ).- Từ thông, cường độ từ trường.- Độ từ thẩm...

Quang

- Biên, pha, phân cực, phổ - Tốc độ truyền- Hệ số khúc xạ, phát xạ- Hệ số hấp thụ, hệ số bức xạ...

Cơ

- Vị trí- Lực, áp suất- Vận tốc, gia tốc- Ứng suất, độ cứng- Mômen- Khối lượng, tỷ trọng- Vận tốc chất lưu, độ nhớt...

Nhiệt- Nhiệt độ- Thông lượng- Nhiệt dung, tỷ nhiệt...

Bức xạ- Kiểu- Năng lượng- Cượng độ...

217


- Phân loại theo tính năng của bộ cảm biến:

- Độ nhạy- Độ chính xác- Độ phân giải- Độ chọn lọc- Độ tuyến tính- Công suất tiêu thụ- Dải tần- Độ trễ

- Khả năng quá tải- Tốc độ đáp ứng- Độ ổn định- Tuổi thọ- Điều kiện môi trường- Kích thước, trọng lượng

- Phân loại theo phạm vi sử dụng:

- Công nghiệp- Nghiên cứu khoa học- Môi trường, khí tượng- Thông tin, viễn thông- Nông nghiệp- Dân dụng- Giao thông- Vũ trụ- Quân sự

- Phân loại theo thông số của mô hình mạch thay thế:+ Cảm biến tích cực có đầu ra là nguồn áp hoặc nguồn dòng.

+ Cảm biến thụ động được đặc trưng bằng các thông số R, L, C, M... tuyến tính hoặc phi tuyến.

2.1.2. Đường cong chuẩn của cảm biến.

a) Khái niệm.Đường cong chuẩn của cảm biến là đường cong biểu diễn sự phụ thuộc của

đại lượng điện ( s ) ở đầu ra của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo ( m ) ở đầu vào.

Đường cong chuẩn có thể được biểu diễn bằng phương trình đại số s = F(m) hoặc bằng đồ thị như hình vẽ:

218


Dựa vào đường cong chuẩn của cảm biến, ta có thế xác định giá trị mi chưa biết của m thông qua giá trị đo được si của s.

Để dễ sử dụng, người ta thường chế tạo cảm biến có sự phụ thuộc tuyến tính giữa đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào, phương trình s = F(m) có dạng s = a.m + b với a, b là các hệ số. Khi đó đường cong chuẩn là đường thẳng.b) Phương pháp chuẩn cảm biến.

Chuẩn cảm biến là phép đo nhằm mục đích xác lập mối quan hệ giữa giá trị s đo được của đại lượng điện ở đầu ra và giá trị m của đại lượng đo có tính đến các yếu tố ảnh hưởng, trên cơ sở đó xây dựng đường cong chuẩn dưới dạng tường minh ( đồ thị hoặc phương trình đại số ). Khi chuẩn cảm biến, với một loại giá trị đã biết chính xác mi của m, đo giá trị si của s và dựng đường cong chuẩn.

Chuẩn đơn giản.Trong trường hợp đại lượng đo chỉ có một đại lượng vật lý duy nhất tác

động lên một đại lượng đo xác định và cảm biến sử dụng không nhạy với tác động của các đại lượng ảnh hưởng, người ta dùng phương pháp chuẩn đơn giản. Thực chất của chuẩn đơn giản là đo các giá trị của đại lượng đầu ra tương ứng với các giá trị xác định không đổi của đại lượng đo đầu vào. Việc chuẩn được tiến hành theo hai cách:

- Chuẩn trực tiếp: các giá trị khác nhau của đại lượng đo lấy từ các mẫu chuẩn hoặc các phần tử so sánh có giá trị biết trước với độ chính xác cao.

219


- Chuẩn gián tiếp: kết hợp cần chuẩn vời một cảm biến so sánh đã có sẵn đường cong chuẩn, cả hai được đặt trong cùng điều kiện làm việc. Khi tác động lên hai cảm biến với cùng một giá trị của đại lượng đo ta nhận được giá trị tương ứng của cảm biến so sánh và cảm biến cần chuẩn. Lặp lại tương tự với các giá trị khác của đại lượng đo cho phép ta xây dựng được đường cong chuẩn của cảm biến cẩn chuẩn.Chuẩn nhiều lần.

Khi cảm biến có phần tử bị trễ ( trễ cơ hoặc trễ từ ), giá trị đo được ở đầu ra phụ thuộc không những vào giá trị tức thời của đại lượng cần đo ở đầu vào mà còn phụ thuộc vào giá trị trước đó của đại lượng này. Trong trường hợp này người ta áp dụng phương pháp chuẩn nhiều lần và tiến hành như sau:

- Đặt lại điểm 0 của cảm biến: đại lượng cần đo và đại lượng đầu ra có giá trị tương ứng với điểm gốc, m = 0, s = 0.

- Đo giá trị đầu ra theo một loạt giá trị tăng dần đến giá trị cực đại của đại lượng đo ở đầu vào.

- Lặp lại quá trình đo với các giá trị giảm dần từ giá trị cực đại.Khi chuẩn nhiều lần cho phép xác định đường cong chuẩn theo cả hai hướng đo

tăng dần và đo giảm dần.

2.1.3. Các đặc trưng cơ bản của cảm biến.

a) Độ nhạy của cảm biến.Khái niệm.

Đối với cảm biến tuyến tính giữa sự biến thiên đầu ra ∆s và biến thiên đầu vào ∆m có sự liên hệ tuyến tính:

∆s = S.∆m

Đại lượng S xác định bằng biều thức m

sS

∆∆= gọi là độ nhạy của cảm biến.

Trường hợp tổng quát, biểu thức xác định độ nhạy S của cảm biến xung quanh giá trị mi của đại lượng đo xác định bởi tỷ số giữa biến thiên ∆s của đại lượng đầu ra và biến thiên ∆m tương ứng của đại lượng đo ở đầu vào quanh giá trị đó:

immm

ss

=

∆∆=

Để phép đo đạt độ chính xác cao, khi thiết kế và sử dụng cảm biến cần làm sao cho độ nhạy S của nó không đổi, nghĩa là ít phụ thuộc nhất vào các yếu tố sau:

- Giá trị của đại lượng cần đo m và tần số thay đổi của nó.- Thời gian sử dụng.- Ảnh hưởng của các đại lượng vật lý khác ( không phải là đại lượng đo ) của

môi trường xung quanh.Thông thường nhà sản xuất cung cấp giá trị của độ nhạy S tương ứng với

những điều kiện làm việc nhất định của cảm biến.Độ nhạy trong chế độ tĩnh và tỷ số chuyển đổi tĩnh.

220


Đường cong chuẩn của cảm biến, xây dựng trên cơ sở do các giá trị si ở đầu ra tương ứng với các giá trị không đổi mi của đại lượng đo khi đại lượng này đạt đến chế độ làm việc danh định được gọi là đặc trưng tĩnh của cảm biến. Một điểm Qi(mi, si) trên đặc trưng tĩnh xác định một điểm làm việc của cảm biến ở chế độ tĩnh.

Trong chế độ tĩnh, độ nhạy S xác định theo công thức immm

ss

=

∆∆= chính là

độ dốc của đặc trưng tĩnh ở điểm làm việc đang xét. Như vậy, nếu đặc trưng tĩnh không phải là tuyến tính thì độ nhạy trong chế độ tĩnh phụ thuộc vào điểm làm việc.

Đại lượng ri xác định bởi tỷ số giữa giá trị si ở đầu ra và giá trị mi ở đầu vào được gọi là tỷ số chuyển đổi tĩnh:

iQi m

sr

=

Từ công thức trên, ta nhận thấy tỷ số chuyển đổi tĩnh ri không phụ thuộc vào điểm làm việc Qi và chỉ bằng S khi đặc trưng tĩnh là đường thẳng đi qua gốc toạ độ.Độ nhạy trong chế độ động.

Độ nhạy trong chế độ động được xác định khi đại lượng đo biến thiên tuần hoàn theo thời gian.

Giả sử biến thiên của đại lượng đo m theo thời gian có dạng:m(t) = m0 + m1. cosωt.

Trong đó: m0 là đại lượng không đổi, m1 là biên độ và ω là tần số góc của biến thiên đại lượng đo.

Ở đầu ra của cảm biến, hồi đáp s có dạng:s(t) = s0 + s1. cos(ωt + φ ).

Trong đó:s0 là giá trị không đổi tương ứng với m0 xác định điểm làm việc Q0 trên

đường cong chuẩn ở chế độ tĩnh.s1 là biên độ biến thiên ở đầu ra do thành phần biến thiên của đại lượng đo

gây nên.φ là độ lệch pha giữa đại lượng đầu vào và đại lượng đầu ra.Trong chế độ động, độ nhạy S của cảm biến được xác định bởi tỷ số giữa

biên độ của biến thiên đầu ra s1 và biên độ của biến thiên đầu vào m1 ứng với điểm làm việc được xét Q0, theo công thức:

01

1

Qm

sS

=

Độ nhạy trong chế độ động phụ thuộc vào tần số đại lượng đo S = S(f). Sự biến thiên của độ nhạy theo tần số có nguồn gốc là do quán tính cơ, nhiệt hoặc điện của đầu đo, tức là của cảm biến và các thiết bị phụ trợ, chúng không thể cung cấp tức thời tín hiệu điện theo kịp biến thiên của đại lượng đo. Bởi vây khi xét sự

221


hồi đáp có phụ thuộc vào tần số cần phải xem xét sơ đồ mạch đo của cảm biến một cách tổng thể.b) Độ tuyến tính.Khái niệm.

Một cảm biến được gọi là tuyến tính trong một dải đo xác định nếu trong dải chế độ đó độ nhạy không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Trong chế độ tĩnh, độ tuyến tính chính là sự không phụ thuộc của độ nhạy của cảm biến vào giá trị của đại lượng đo, thể hiện bởi các đoạn thẳng trên đặc trưng tĩnh của cảm biến và hoạt động của cảm biến là tuyến tính chừng nào đại lượng đo còn nằm trong vùng này.

Trong chế độ động, độ tuyến tính bao gồm sự không phụ thuộc của độ nhạy ở chế độ tĩnh S(0) vào đại lượng đo, đồng thời các thông số quyết định sự hồi đáp như tần số riêng f0 của dao động không tắt, hệ số tắt dần ξ cùng không phụ thuộc vào đại lượng đo.

Nếu cảm biến không tuyến tính, người ta đưa vào mạch đo các thiết bị hiệu chỉnh sao cho tín hiệu điện nhận được ở đầu ra tỷ lệ với sự thay đổi của đại lượng đo ở đầu vào. Sự hiệu chỉnh đó được gọi là sự tuyến tính hoá.Đường thẳng tốt nhất.

Khi chuẩn cảm biến, từ kết quả thực nghiệm ta nhận được một loạt điểm tương ứng ( si, mi ) của đại lượng đầu ra và đại lượng đầu vào. Về mặt lý thuyết, đối với các cảm biến tuyến tính, đường cong chuẩn là một đường thẳng. Tuy nhiên, do sai số khi đo, các điểm chuẩn ( mi, si ) nhận được bằng thực nghiệm thường không nằm trên cùng một đường thẳng.

Đường thẳng được xây dựng trên cơ sở các số liệu thực nghiêm sao cho sai số là bé nhất, biểu diễn sự tuyến tính của cảm biến được gọi là đường thẳng tốt nhất. Phương trình biểu diễn đường thẳng tốt nhất được lập bằng phương pháp bình phương bé nhất. Giả sử khi chuẩn cảm biến ta tiến hành với N điểm đo, phương trình có dạng:

S = a.m + bTrong đó:

( ) 22.

...

∑ ∑∑ ∑ ∑

−

−=

ii

iiii

mmN

msmsNa

( ) 22

2

.

...

∑ ∑∑ ∑ ∑∑

−

−=

ii

iiiii

mmN

msmmsb

Độ lệch tuyến tính.Đối với các cảm biến không hoàn toàn tuyến tính, người ta đưa ra khái

niệm độ lệch tuyến tính, xác định bởi độ lệch cực đại giữa đường cong chuẩn và đường thẳng tốt nhất, tính bằng % trong dải đó.c) Sai số và độ chính xác.

Các bộ cảm biến cũng như các dụng cụ đo lường khác, ngoài đại lượng cần đo còn chịu tác động của nhiều đại lượng vật lý khác gây nên sai số giữa giá trị đo

222


được và giá trị thực của đại lượng cần đo. Gọi ∆x là độ lệch tuyệt đối giữa giá trị đo và giá trị thực x ( sai số tuyệt đối ), sai số tương đối của bộ cảm biến được tính bằng:

100.x

x∆=δ [ % ]

Sai số của bộ cảm biến mang tính chất ước tính bởi vì không thể biết chính xác giá trị thực của đại lượng cần đo. Khi đánh giá sai số của cảm biến người ta thường phân chúng thành hai loại: sai số hệ thồng và sai số ngẫu nhiên.

- Sai sô hệ thống: là sai số không phụ thuộc vào số lần đo, có giá trị không đổi hoặc thay đổi chậm theo thời gian đo và thêm vào một độ lệch không đổi giá trị thực và giá trị đo được. Sai số hệ thống thường do sự thiếu hiểu biết về hệ đo do điều kiện sử dụng không tốt gây ra.

Các nguyên nhân gây ra sai sô hệ thống:+ Do nguyên lý của cảm biến+ Do giá trị của đại lượng chuẩn không đúng.+ Do đặc tính của bộ cảm biến+ Do điều kiện và chế độ sử dụng+ Do xử lý kết quả đo.- Sai số ngẫu nhiên: là sai số xuất hiện có độ lớn và chiều không xác định. Ta

có thể dự đoán được một số nguyên nhân gây ra sai số ngẫu nhiên nhưng không thể dự đoán được độ lớn và dấu của nó.

Các nguyên nhân gây ra sai sô ngẫu nhiên:+ Do thay đổi đặc tính của thiết bị.+ Do tín hiệu nhiễu ngẫu nhiên+ Do các đại lượng ảnh hưởng không được tính đến khi chuẩn cảm biến.Chúng ta có thể giảm thiểu sai số ngẫu nhiên bằng một số biện pháp thực

nghiệm thích hợp như bảo vệ các mạch đo tránh ảnh hưởng của nhiễu, tự động điều chỉnh điện áp nguồn nuôi, bù các ảnh hưởng nhiệt độ, tần số, vận hành đúng chế độ hoặc thực hiện phép đo lường thống kê.d) Độ nhanh và thời gian hồi đáp.

Độ nhanh là đặc trưng của cảm biến cho phép đánh giá khả năng theo kịp về thời gian của đại lượng đầu ra khi đại lượng đầu vào biến thiên.

Thời gian hồi đáp là đại lượng được sử dụng để xác định giá trị số của độ nhanh.

Độ nhanh tr là khoảng thời gian từ khi đại lượng đo thay đổi đột ngột đến khi biến thiên của đại lượng đầu ra chỉ còn khác giá trị cuối cùng một lượng giới hạn ε tính bằng %. Thời gian hồi đáp tương ứng với ε% xác định khoảng thời gian cần thiết phải chờ đợi sau khi có sự biến thiên của đại lượng đo để lấy giá trị của đầu ra với độ chính xác định trước. Thời gian hồi đáp đặc trưng cho chế độ quá độ của cảm biến và là hàm của các thông số thời gian xác định chế độ này.

Trong trường hợp sự thay đổi của đại lượng đo có dạng bậc thang, các thông số thời gian gồm thời gian trễ khi tăng ( tdm ) và thời gian tăng ( tm ) ứng với sự tăng đột ngột của đại lượng đo hoặc thời gian trễ khi giảm ( tdc ) và thời gian

223


giảm ( tc ) ứng với sự giảm đột ngột của đại lượng đo. Khoảng thời gian trễ khi tăng tdm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ giá trị ban đầu của nó đến 10% của biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian tăng tm là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra tăng từ 10% đến 90% biến thiên tổng cộng của nó.

Tương tự, khi đại lượng đo giảm, thời gian trễ khi giảm tdc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ giá trị ban đầu của nó đến 10% biến thiên tổng cộng của đại lượng này và khoảng thời gian giảm tc là thời gian cần thiết để đại lượng đầu ra giảm từ 10% - 90% biến thiên tổng cộng của nó.

Các thông số về thời gian tr, tdm, tm, tdc, tc của cảm biến cho phép ta đánh giá về thời gian hồi đáp của nó. e) Giới hạn sử dụng của cảm biến.

Trong quá trình sử dụng, các cảm biến luôn chịu tác động của ứng lực cơ học, tác động nhiệt... Khi các tác động này vượt quá ngưỡng cho phép chúng sẽ làm thay đổi đặc trưng làm việc của cảm biến. Bởi vậy, khi sử dụng cảm biến người sử dụng cần phải biết rõ các giới hạn này.Vùng làm việc danh định.

Vùng làm việc danh định tương ứng với những điều kiện sử dụng bình thường của cảm biến. Giới hạn của vùng là các giá trị ngưỡng mà các đại lượng đo, các đại lượng vật lý có liên quan đến đại lượng đo hoặc các đại lượng ảnh hưởng có thể thường xưyên đạt tới mà không làm thay đổi các đặc trưng làm việc danh định của cảm biến.Vùng không gây nên hư hỏng.

Vùng không gây nên hư hỏng là vùng khi mà các đại lượng đo hoặc cá đại lượng vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng làm việc danh định nhưng vẫn còn nằm trong phạmvi không gây nên hư hỏng, các đặc trưng của cảm biến có thể bị thay đổi nhưng những thay đổi này mang tính thuận nghịch, tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến lấy lại giá trị ban đầu của chúng.

224


Vùng không phá huỷ.Vùng không phá huỷ là vùng mà khi các đại lượng đo hoặc các đại lượng

vật lý có liên quan và các đại lượng ảnh hưởng vượt qua ngưỡng của vùng không gây nên hư hỏng nhưng vẫn còn nằm trong phạm vi không bị phá huỷ, các đặc trưng của cảm biến bị thay đổi và những thay đổi này mang tính không thuận nghịch. Tức là khi trở về vùng làm việc danh định các đặc trưng của cảm biến không thể lấy lại giá trị ban đầu của chúng. Trong trường hợp này, cảm biến vẫn còn sử dụng được nhưng phải tiến hành chuẩn lại cảm biến.2.2. Lựa chọn cảm biến.

Để xác định vị trí của cánh tay robot trong hệ thống ta dùng loại cảm biến điện cảm. Cảm biến điện cảm là nhóm cảm biến hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ. Khi cánh tay robot đi đến vị trí đặt cảm biến sẽ gây nên sự biến thiên từ thông của cuộn đo. Cảm biến điện cảm được chia ra: cảm biến tự cảm và cảm biến tự hỗ.

2.2.1. Cảm biến tự cảm.

a) Cảm biến tự cảm có khe từ biến thiên.- Cảm biến tự cảm đơn: hình 4.6 trình bày sơ đồ nguyên lý cấu tạo của một

số loại cảm biến tự cảm đơn.

Cảm biến tự cảm đơn gồm một cuộn dây quấn trên một lõi thép cố định ( phần tĩnh ) và một lõi thép có thể di động dưới tác động của đại lượng đo ( phần động ), giữa phần tĩnh và phần động có khe hở không khí tạo nên một mạch từ hở.

Sơ đồ hình 4.6a: dưới tác động của đại lượng đo Xv, phần ứng của cảm biến di chuyển, khe hở không khí δ trong mạch từ thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên. Do đó, hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.

Sơ đồ 4.6b: khi phần ứng quay, tiết diện khe hở không khí thay đổi, làm cho từ trở của mạch từ biến thiên, do đó hệ số tự cảm và tổng trở của cuộn dây thay đổi theo.

225


Hệ số tự cảm của cuộn dây cũng có thể thay đổi do thay đổi tổn hao sinh ra bởi dòng điện xoáy khi tấm sắt từ dịch chuyển dưới tác động của đại lượng Xv

( hình 4.6c )Nếu bỏ qua điện trở của cuộn dây và từ trở của lõi thép ta có:

δµ

δ

sW

R

WL

.. 022

==

Trong đó:W: số vòng dây.

sR

.0µδ

δ = : từ trở của khe hở không khí.

δ: chiều dài khe hở không khí.s: thiết diện thực của khe hở không khí.

Trường hợp W = const ta có:

δδ

dL

dss

LdL ..

∂∂+

∂∂=

Với lượng thay đổi hữu hạn ∆δ và ∆s ta có:

( ) δδδ

µδ

µ ∆∆+

−∆=∆ ...

..

20

002

0

02 sW

sW

L

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi khe hở không khí thay đổi ( s = const ):

2

00

0

1.

∆+

−=∆∆=

δδδ

δδLL

S

Độ nhạy của cảm biến tự cảm khi thay đổi tiết diện không khí ( δ = const ):

0

0

s

L

s

LS s =

∆∆=

Tổng trở của cảm biến:

δµωω s

LZ..W.

. 02

==

Từ công thức trên ta thấy tổng trở Z của cảm biến là hàm tuyến tính với tiết diện khe hở không khí s và phi tuyến với chiều dài khe hở không khí δ.

226


Đặc tính của cảm biến tự cảm đơn Z = f(∆δ) là hàm phi tuyến và phụ thuộc vào tần số nguồn kích thích, tần số nguồn kích thích càng cao thì độ nhạy của cảm biến càng cao.

- Cảm biến tự cảm kép lắp theo kiều vi sai: để tăng độ nhạy của cảm biến và tăng đoạn đặc tính tuyến tính người ta thường dùng cảm biến tự cảm kép mắc theo kiểu vi sai như hình vẽ dưới đây ( hình 4.8 ):

Đường đặc tính của cảm biến tự cảm kép kiểu vi sai có dạng:

b) Cảm biến tự cảm có lõi từ di động.

227


Cảm biến gồm một cuộn dây bên trong có lõi từ di động được, như hình vẽ:

Dưới tác độngc ủa đại lượng đo Xv, lõi từ dịch chuyển làm cho độ dài lt của lõi từ nằm trong cuộn dây thay đổi, kéo theo sự thay đổi hệ số tự cảm L của cuộn dây. Sự phụ thuộc của L vào lt là hàm không tuyến tính. Tuy nhiên, có thể cải thiện bằng cách ghép hai cuộn dây đồng dạng vào hai nhánh kề sát nhau của một cầu điện trở có chung một lõi sắt.

2.2.2. Cảm biến hỗ cảm.

Cấu tạo của cảm biến hỗ cảm tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác là nó có thêm một cuộn dây đo:

228


Trong các cảm biến đơn khi chiều dài khe hở không khí ( hình 4.11a ) hoặc tiết diện khe không khí thay đổi ( hình 4.11b ) hoặc tổn hao do dòng điện xoáy thay đổi (hình 4.11c) sẽ làm cho từ thông của mạch từ biến thiên kéo theo suất điện động e trong cuộn đo thay đổi.

- Cảm biến đơn có khe hở không khí:Từ thông tức thời:

δµφ

δ

siit

..W.

R

W. 011 ==

i: giá trị dòng điện tức thời trong cuộn dây kích thích W1.Sức điện động cảm ứng trong cuộn dây đo W2:

dt

disWW

dt

dWe t .

.... 012

2 δµφ −=−=

W2: số vòng dây của cuộn dây đo.Khi làm việc với dòng điện xoay chiều i = I.sinωt ta có:

tIsWW

e m .cos...... 012 ωω

δµ−=

Giá trị hiệu dụng của suất điện động:

δω

δµ s

kIsWW

E ...... 012 =−=

Trong đó:I: giá trị hiệu dụng của dòng điện. k = W1.W2.ω.µ0.I

Với các giá trị W1, W2, ω, µ0 và I là hằng số, ta có:

δδ

dE

dss

LEdE ..

∂∂+

∂∂=

Hay: ( ) 200

....δδ

δ∆+

∆−∂∆=∆ skds

skE

Độ nhạy cảm biến với sự thay đổi của chiều dài khe hở không khí δ ( s = const ):

229


2

00

02

0

20

1.1.

.

∆+

=

∆+

−=∆∆=

δδδ

δδδ

δδEskE

S

Còn độ nhạy khi tiết diện khe hở không khí s thay đổi ( δ = const ):

0

0

0 s

Ek

s

ESs ==

∆∆=

δ

Trong đó: 0

00

.

δsk

E = : sức điện động hỗ cảm ban đầu trong cuộn đo W2 khi Xv = 0.

Ta nhận thấy công thức xác định độ nhạy của cảm biến hỗ cảm có dạng tương tự như cảm biến tự cảm chỉ khác nhau ở chỗ giá trị của E0 và L0. Độ nhạy của cảm biến hỗ cảm Sδ và Ss cũng tăng khi tần số nguồn cung cấp tăng.

- Cảm biến vi sai: để tăng độ nhạy và độ tuyến tính của đặc tính cảm biến người ta mắc cảm biến theo sơ đồ vi sai ( hình 4.11d, đ, e ). Khi mắc vi sai độ nhạy của cảm biến tăng gấp đôi và phạm vi làm việc tuyến tính mở rộng đáng kể.

- Biến thế vi sai có lõi từ: gồm 4 cộn dây ghép đồng trục tạo thành 2 cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được (hình 4.12).Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau.Cảm biến vi sai có lõi từ: gồm bốn cuộn dây ghép đồng trục tạo thành hai

cảm biến đơn đối xứng, bên trong có lõi từ di động được. Các cuộn thứ cấp được nối ngược với nhau sao cho suất điện động trong chúng triệt tiêu lẫn nhau.

Về nguyên tắc, khi lõi từ ở vị trí trung gian, điện áp đo Vm ở đầu ra hai cuộn thứ cấp bằng 0. Khi lõi từ dịch chuyển, làm thay đổi mối quan hệ giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp, tức là làm thay đổi hệ số hỗ cảm giữa cuộn sơ cấp với các cuộn thứ cấp. Khi điện trở của thiết bị đo đủ lớn, điện áp đo Vm gần như tuyến tính với hiệu số các hệ số hỗ cảm của hai cuộn thứ cấp.

230


* Cảm biến điện từ dùng để xác định vị trí của tay máy có kí hiệu PR08-1,5DP2 do hãng Autonics ( Hàn Quốc ) sản xuất.

Các thông số kỹ thuật chính:Khoảng cách đối tượng ( Sn ) 1,5mm ± 10%Sai số max 10%Sn.Kích thước đối tượng chuẩn 8 x 8 x 1 mmKhoảng cách cài đặt 0 - 1,05Nguồn cấp 12 - 24 VDCDòng tiêu thụ max 10mATần số đáp lại 800HzĐiện áp dư max 2VĐiện trở cách ly Min 50MΩ ( 500VDC ).Điều khiển đầu ra 200mA

Ngoài cảm biến điện từ để xác định các vị trí của robot, chúng ta còn dùng các công tắc hành trình để xác định điểm gốc cho robot.

III. Hệ điều khiển của robot.

3.1. Hệ thống điều khiển khí nén.

3.1.1. Ưu, nhược điểm của khí nén.

- Ưu điểm:+ Không gây ô nhiễm môi trường.+ Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén

nhỏ, tổn thất trên dọc đường thấp.+ Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo.

- Nhược điểm:+ Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi.+ Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn.

3.1.2. Máy nén khí - Thiết bị phân phối khí nén:

a) Máy nén khí.Khái niệm:

Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng.Phân loại

- Theo áp suất:+ Máy nén khí áp suất thấp: p ≤ 15 bar+ Máy nén khí áp suất cao: p ≥ 15 bar+ Máy nén khí áp suất rất cao: p ≥ 300bar- Theo nguyên lý hoạt động:

231


+ Máy nén khí theo nguyên lý thay đổi thể tích: máy nén khí kiểu pittông, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít.

+ Máy nén khí tuabin: máy nén khí ly tâm và máy nén khí theo chiều trục.b) Bình trích chứa khí nén.

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng. Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước.

Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn.

Ký hiệu :

c) Mạng đường ống dẫn khí nén.Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí

đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành.

Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại:- Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy)- Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây

chuyền hoặc trong máy móc thiết bị).Trong bộ thí nghiệm, đường ống dẫn khí nén được trang bị cho phép tháo

lắp dễ dàng và nhanh chóng. Nối hệ thống đến các thiết bị bằng cách đơn giản là đẩy ống vào cổng vào (in-let) hay cổng ra (out-let). Tháo ống ra bằng cách một tay đè vào vành tỳ, tay kia kéo ống ra.

3.1.3. Các phần tử trong hệ thống điều khiển.

Khái niệm: Một hệ thống điều khiển bao gồm ít nhất là một mạch điều khiển vòng hở

(Open – loop Control System) với các phần tử sau:- Phần tử đưa tín hiệu : nhận những giá trị của đại lượng vật lý như đại

lượng vào, là phần tử đầu tiên của mạch điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, rơle áp suất.

- Phần tử xử lý tín hiệu: Xử lý tín hiệu nhận vào theo một quy tắc logic nhất định, làm thay đổi trạng thái của phần tử điều khiển. Ví dụ: van đảo chiều, van tiết lưu, van logic OR hoặc AND.

- Cơ cấu chấp hành: thay đổi trạng thái của đối tượng điều khiển, là đại lương ra của mạch điều khiển. Ví dụ: xilanh, động cơ khí nén.a) Van đảo chiều.

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đổi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khí nén.

232


- Ký hiệu của van đảo chiều:Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ

cái o,a ,b ,c ,… hay các chữ số 0, 1, 2, …

Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào. Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’. Đối với van có 2 vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’, thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí ‘không’.

Cửa nối van được ký hiệu như sau:

ISO 5599 ISO 1219

Cửa nối với nguồn(từ bộ lọc khí) 1 PCửa nối làm việc 2 , 4, 6, … A , B , C, …

Cửa xả khí 3 , 5 , 7… R , S , T…Cửa nối tín hiệu điều khiển 12 , 14… X , Y …

Trường hợp a là cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn, còn cửa xả khí có mối nối cho ống dẫn khí là trường hợp b.

Bên trong ô vuông của mỗi vị trí là các đường mũi tên biểu diễn hướng chuyển động của dòng khí nén qua van. Khi dòng bị chặn thì được biểu diễn bằng dấu gạch ngang.

Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều:Hình trên là ký hiệu của van đảo chiều 5/2 trong đó:

5 : chỉ số cửa 2 : chỉ số vị trí

233

a o b ba

a b

Kí hiệu cửa xả khí

10

Cửa xả khí không có mối nối cho ống dẫn

2(A)4(B)

5(S)

1(P)

3(R)

Nối với nguồn khí nénCửa xả khí có mối nối

cho ống dẫn

14(Z)

Cửa nối điều khiển 12(Y) Cửa nối điều khiển

Cửa 1nối với cửa 2Cửa 1nối với cửa 4


Cách gọi tên và ký hiệu của một số van đảo chiều:TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU

Van đảo chiều 2/2



Tín hiệu tác động:Tín hiệu tác động vào van đảo chiều có 4 loại là: tác động bằng tay, tác

động bằng cơ học, tác động bằng khí nén và tác động bằng nam châm điện.Tín hiệu tác động từ 2 phía ( đối với van đảo chiều không có vị trí ‘không’)

hay chỉ từ 1 phía (đối với van đảo chiều có vị trí ‘không’).a. Tác động bằng tay:

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆUKí hiệu nút nhấn tổng quát

Nút bấm

Tay gạt

Bàn đạp

234


Tác động bằng khí nén:

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆUTrực tiếp bằng dòng khí nén vào

Trực tiếp bằng dòng khí nén ra

Trực tiếp bằng dòng khí nén vào với đường kính 2 đầu nòng van khác nhau

Gián tiếp bằng dòng khí nén ra qua van phụ trợ

Tác động bằng cơ:TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆU

Đầu dò

Cữ chặn bằng con lăn , tác động 2 chiều

Cữ chặn bằng con lăn , tác động 1 chiều

Lò xo

Nút nhấn có rãnh định vị

235


Tác động bằng nam châm điện:

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆUTrực tiếp

Bằng nam châm điện và van phụ trợ

Tác động theo cách hướng dẫn cụ thể

Van đảo chiều có vị trí ‘không’:Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ – lò xo và ký

hiệu lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu van. Tác động lên phía đối diện nòng van là tín hiệu tác động bằng cơ, khí nén hay bằng điện. Khi chưa có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối được biểu diễn trong ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều 2 vị trí. Còn đối với van đảo chiều 3 vị trí thì vị trí ‘không’ nằm ở giữa.

Ví dụ : Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện:

Van có 2 cửa P và R, 2 vị trí 0 và 1. Tại vị trí 0, cửa P và R bị chặn. Khi cuộn Y có điện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa P nối với cửa R. Khi cuộn Y mất điện, do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu.

Van đảo chiều không có vị trí ‘không’:Khi không có tín hiệu tác động lên đầu nòng van nữa, thì vị trí của van vẫn

được giữ nguyên đợi tín hiệu tác động từ phía nòng van đối diện. Vị trí tác động kí hiệu a , b, c, …

Tín hiệu tác động có thể là:- Tác động bằng tay hay bàn đạp.- Tác động bằng dòng khí nén điều khiển đi vào hay ra từ 2 phía nòng van.- Tác động trực tiềp bằng điện từ hay gián tiếp bằng dòng khí nén đi qua

van phụ trợ.

236

R1 0

P

Y

*


Ví dụ: Van trượt đảo chiều 3/2 tác động bằng nam châm điện.

Khi cuộn Y1 có điện thì cửa P nối với cửa A, cửa R bị chặn. Khi cuộn Y2 có điện thì cửa A nối với cửa R còn cửa P bị chặn.

Van chắn:Van chắn là loại van chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều, chiều còn lại bị

chặn. Van chắn gồm có các loại sau:- Van 1 chiều.- Van Logic (OR , AND ).- Van xả khí nhanh

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆUVan một chiều: Van một chiều có tác dụng chỉ cho dòng khí nén đi qua một chiều( từ A qua B) , chiều ngược lại bị chặn.Van logic OR:

Khi có dòng khí nén vào từ P1 thì cửa P2 bị chặn và cửa P1 nối với cửa A. Ngược lại khi dòng khí nén vào P2 thì cửa P1 bị chặn, cửa P2 nối với cửa A.

Van logic AND: Khi có dòng khí nén vào P1 thì P1 bị chặn, và ngược lại khi có dòng khí nén vào P2 thì P2 bị chặn. Chỉ khi nào cả P1 và P2 có dòng khí nén vào thì mới có khí nén qua cửa A.

Van xả khí nhanh: Khi dòng khí nén vào cửa P, chắn cửa R, cửa P nối với cửa A. Khi dòng khí nén vào từ A, cửa P bị chặn, cửa A nối với cửa R, khí được xả nhanh ra ngoài.

237

A

R

a b

P

Y1 Y2

A B

A

P2P1 •

A

P

2

P

1

P

A

R•

•


Van tiết lưu:Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi

vận tốc của cơ cấu chấp hành.

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆUVan tiết lưu có tiết diện không đổi: Khe hở của van có tiết diện không thay đổi, do đó lưu lượng dòng chảy không thay đổi.

Van tiết lưu có tiết diện thay đổi: Lưu lượng dòng chảy qua van thay đổi được nhờ vào một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện của khe hở.

Ký hiệu chung:Có mối nối ren:

Không có mối nối ren:

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay: Nguyên lý hoạt động tương tự như van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng tay, tuy nhiên dòng khí nén chỉ có thể đi một chiều từ A qua B , chiều ngược lại bị chặn.

Van tiết lưu một chiều điều chỉnh bằng cữ chặn: Dòng khí nén chỉ có thể đi một chiều từ A sang B, tùy vào vị trí của cữ chặn mà tiết diện của khe hở của van thay đổi, làm cho lưu lượng dòng chảy thay đổi.

238

A B

• •A B

A

•

•

•B


Van áp suất:

TÊN THIẾT BỊ KÍ HIỆUVan an toàn:

Bình thường khi áp suất nhỏ hơn hoặc bằng áp suất cho phép, cửa R bị chặn, nhưng khi áp suất lớn hơn áp suất cho phép, cửa R mở ra, khí nén từ cửa P theo cửa R thoát ra ngoài.

Van tràn: Nguyên tắc họat động tương tự như áp suất, nhưng khi áp suất bằng hoặc lớn hơn áp suất cho phép thì cửa P nối với cửa A.

Van áp suất điều chỉnh từ xa : Nguyên lý hoạt động của van áp suất điều chỉnh từ xa: khi có tín hiệu áp suất Z tác động gián tiếp qua van tràn, cửa P nối với cửa A.

Van chân không:Van chân không là bộ phận có nhiệm vụ hút và giữ chi tiết bằng lực hút

chân không. Chân không được tạo ra bằng bơm chân không hay bằng nguyên lý ống Ventury. Khí nén với áp suất p trong khoảng từ 1,5bar – 10bar sẽ theo ống Ventury theo cửa R thoát ra ngoài. Tại phần cuối ống Ventury, chân không sẽ được tạo thành (cửa nối U).

Ký hiệu :

Cửa nối U sẽ nối với một đĩa hút làm bằng nhựa tổng hợp hoặc bằng cao su.

239

P R

U

D

P(1) R(3)•

AP(1) •

A

Z P

R


Lực hút chân không:

Trong đó : F : lực hút chân không ( N ) D : Đường kính đĩa hút ( m )

Pa : áp suất không khí ở đktc ( N/m2 ) Pu : áp suất không khí tại cửa U ( N/m2)

3.1.1. Van điều khiển dòng khí.

Van dùng để điều khiển dòng khí là van vận hành bằng solenoid. Van này có thể sử dụng để điều khiển hướng lưu thông của khí nén và cũng được sử dụng để vận hành chuyển động của pittông trong xi lanh.

B

P

A

T

Chat khí vào

Chat khí ra

Lò xo

Van

Piston trong xilanh

Solenoid

Hình: Van vận hành bằng solenoid.Khí nén được nạp vào cổng P, cổng này nối với nguồn áp từ máy nén. Cổng

T là cửa xả. Khi không có dong điện chạy qua solenoid. Khí nén được nạp vào cổng P qua cổng B vào xilanh đẩy pittông chạy từ trái sang phải. Khi có dòng điện chạy qua solenoid cuộn hút sẽ kéo thanh đẩy sang phải, khi đó khí nén chạy từ cửa nạp P vào cửa A và xả từ cửa B ra cửa T làm cho pittông chuyển động từ phải sang trái.

Các van điều khiển hướng được chuyên biệt theo số cổng và số vị trí điều khiển. Van nói trên có bốn cổng: A, B, P, T và 2 vị trí điều khiển. Vì vậy, van này được gọi là van 4/2. Loại van này có lò xo để cung cấp một vị trí và solenoid cung cấp vị trí khác. Kí hiệu là:

A B A B

P T P T

240

pD

F ∆=4

.14,3 2

ua PPp −=∆


3.1.4. Hệ thống khí nén trong robot.

A B A B

P T P T TPTP

BABA A B A B

P T P T

Ngu?n khí t? máy nén

V? trí 2V? trí 1 V? trí 2V? trí 1 V? trí 1 V? trí 2

Đi?u khi?n xilanh 1 Đi?u khi?n xilanh 1 Đi?u khi?n xilanh 1

3.2. Hệ thống điều khiển điện.

3.2.1. Giới thiệu về động cơ DC.

Động cơ điện một chiều gồm hai phần:- Stator cố định với các cuộn dây có dòng điện cảm hoặc dùng nam châm

vĩnh cửu. Phần này được gọi là phần cảm. Phần cảm tạo nên từ thông trong khe hở không khí.

- Rotor với các thanh dẫn. Khi có dòng điện một chiều chạy qua và với dòng từ thông xác định rotor sẽ quay. Phần này gọi là phần ứng.

Tuỳ cách đấu dây giữa phần cảm so với phần ứng, ta có những loại động cơ một chiều khác nhau:

+ Động cơ kích từ nối tiếp ( hình 9.1a ).+ Động cơ kích từ song song ( hình 9.1b )+ Động cơ kích từ hỗn hợp ( hình 9.1c ).

241


Các thông số chủ yếu quyết định tính năng làm việc của động cơ điện một chiều:U: điện áp cung cấp cho phần ứng.I: cường độ dòng điện của phần ứng.r: điện trở trong của phần ứng.Φ: từ thông.E: sức phản điện động phần ứng.Các quan hệ cơ bản của động cơ điện một chiều là:

E = U - r.I = k.n.ΦTrong đó: k là hệ số phụ thuộc vào đặc tính của dây cuốn và sô thanh dẫn của phần ứng.

Số vòng quay của động cơ điện một chiều:

φ..

k

rIUn

−=

Mômen động C xác định từ phương trình cân bằng công suất:CnIE ..2. π=

Hay: πφ Ik

C..

.2=

Muốn điều chỉnh tốc độ động cơ một chiều có thể thực hiện bằng cách:- Thay đổi từ thông Φ, thông qua việc điều chỉnh điện áp dong kích từ.

Trong trường hợp giữ nguyên điện áp phần ứng U, tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức thì công suất không đổi còn momen giảm theo tốc độ.

- Điều chỉnh điện áp phần ứng. Trong trường hợp từ thông không đổi, khi tăng tốc độ từ 0 đến tốc độ định mức thì momen sẽ không đổi, còn công suất tăng theo tốc độ.

Muốn đảo chiều quay của động cơ điện một chiều cần thay đổi hoặc chiều của từ thông ( tức chiều của dong điện kích từ ) hoặc thay đổi chiều dòng điện phần ứng.

3.2.2. Giới thiệu về động cơ bước.

Nguyên tắc hoạt động của động cơ bước:Sơ đồ động cơ bước loại đơn giản nhất dùng nam châm vĩnh cửu gồm stato

có 4 cực và roto có 2 cực:

Nếu cấp điện cho cuộn dây αα' thì roto sẽ đứng ở vị trí mà dòng từ qua cuộn dây là lớn nhất. Nếu cấp điện cho cuộn dây ββ' thì roto sẽ quay đi ±900 ( phụ

242


thuộc vào chiều dòng điện cấp vào ). Khi đồng thời cấp điện cho cả hai cuộn dây α và β thì roto sẽ dừng ở vị trí giữa 00 và 900 và nếu dòng điện vào hai cuộn dây hoàn toàn như nhau thì roto sẽ dừng ở vị trí 450.

Như vậy vị trí của roto phụ thuộc vào số cực được cấp điện trên stato và chiều của dòng điện cấp vào. Tuỳ theo cách cấp điện cho các cuộn dây trên stato ta có thể điều khiển vị trí dừng của roto. Việc cấp điện cho các cuộn dây có thể số hoá, cho nên có thể nói động cơ bước là loại động cơ điện chuyển các tín hiệu số đầu vào thành chuyển động cơ học từng nấc ở đầu ra.

Ưu, nhược điểm:- Ưu điểm: + Khi dùng động cơ bước không cần mạch phản hồi cho cả điều khiển vị trí

và vận tốc.+ Thích hợp với các thiệt bị điều khiển số. Với khả năng điều khiển số trực

tiếp, động cơ bước trở thành thông dụng trong các thiết bị cơ điện tử hiện đại.- Nhược điểm:+ Phạm vi ứng dụng là ở vùng công suất nhỏ và trung bình. Việc nghiên

cứu nâng cao công suất động cơ bước đang là vấn để rất được quan tâm hiện nay.+ Hiệu suất của động cơ bước thấp hơn các loại động cơ khác.Các thông số chủ yếu của động cơ bước:+ Góc quay:Động cơ bước quay một góc xác định ứng với mỗi xung kích thích. Góc

bước θ càng nhỏ thì độ phân giải vị trí càng cao. Số bước s là một thông số quan trọng:

θ

0360=s

+ Tốc độ quay và tần số xung:Tốc độ quay của động cơ bước phụ thuộc vào số bước trong một giây. Đối

với hầu hết các động cơ bước, số xung cấp cho động cơ bằng số bước ( tính theo phút ) nên tốc độ có thể tính theo tần số xung f. Tốc độ quay của động cơ bước tính theo công thức:

s

fn

.60=

Trong đó:n: tốc độ quay ( v/ph ).f: tần số xung ( bước/phút ).s: số bước trong một vòng quay.Ngoài ra còn các thông số quan trọng khác như độ chính xác vị trí, momen

và quán tính của động cơ...a) Phân loại và cấu tạo của động cơ bước.

Các loại động cơ bước được sản xuất theo tiêu chuẩn công suất hoặc theo tiêu chuẩn bước góc. Theo tiêu chuẩn bước góc, động cơ bước được sản xuất theo các bước: 0.720, 1.80, 7.50, 150, 300, 900.

243


Động cơ bước được chia làm ba loại. Đó là động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM (Permanent Motor), động cơ bước từ trở biến đổi VR (Varible Reluctance stepper motor) và động cơ bước kiểu lai (hybird stepper motor).*Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM.

Rotor của loại động cơ này được chế tạo từ nam châm vĩnh cửu. Stator là các cặp cuộn pha được lắp đối xứngvới nhau.

N

S

Hình 2.1.1 Động cơ VR có 2 cặp cuộn pha.

Động cơ từ trở biến đổi VR.Rotor của động cơ được chế tạo từ thép non có khả năng dẫn từ cao.Stator có lắp các cuộn dây đối xứng nhau giống như trên stator của động cơ

PM, tuy nhiên các cuộn dây đối xứng ở động cơ PM có cực tính khác nhau còn các cuộn dây đối xứng ở động cơ VR có cực tính giống nhau. Điều này sẽ được phân tích chi tiết trong phần nguyên lý hoạt động của các động cơ.

244


Hình 2.1.2 Động cơ VR ba pha, có bốn cặp cực trên stator

Rotor của động cơ VR cũng có thể được chế tạo thành nhiều đoạn trục, khi đó số pha của động cơ bằng số đoạn trên rotor. Khi đó số răng trên rotor và trên stator là bằng nhau.

Hình 2.1.3 Động cơ VR 3 pha, 3 đoạn trục

Động cơ kiểu lai.Cấu tạo của động cơ kiểu lai mang đặc trưng của cả hai loại PM và VR.

Rotor và Stator của động cơ bước kiểu lai có cấu tạo giống nhu động cơ VR hai đoạn trục. Tuy nhiên rotor của động cơ kiểu lai có chứa nam châm vĩnh cửu. Hai

245

PHA 1

PHA 1 PHA 2 PHA 3


rotor lam bằng thép non được ép lên trục là nam châm vĩnh cửu. Số răng trên rotor của động cơ kiểu lai lớn hơn số răng trên stator, sự chênh lệch này thể hiện khả năng điều khiển động cơ. Các răng trên rotor của động cơ kiểu lai được bố trí đối xứng nhau trên hai đoạn trục. Nghĩa là răng trên đoạn rotor này trùng với khe giữa hai răng của đoạn rotor kia.

A ABB

Hình 2.1.4 Cấu trúc động cơ bước kiểu lai.

b) Nguyên lý điều khiển các loại động cơ bước.

246


* Động cơ bước nam châm vĩnh cửu PM.Nguyên lý hoạt động:

S

N

N

S

V+

S4

S1

S3

S2

+V

L1

L2

L3

L4

L4

L3

L2

L1

V+

S2

S3

S1

S4

+V

SN

N

S

S NN S

V+

S4

S1

S3

S2

+V

L1

L2

L3

L4

L4

L3

L2

L1

V+

S2

S3

S1

S4

+V

S

N

N

S

+V

V+

+VV+

a bdc

Hình 2.2.1. Nguyên lý hoạt động của độngcơ PM

Để đơn giản ta xét động cơ PM có hai cặp cuộn pha. Hai cặp cuộn pha được lắp đối xứng qua rotor. Cực tính của các cuộn đối xứng là giống nhau. Sơ đồ nối dây các cuộn pha đuợc chỉ ra như hình vẽ.

Ở vị trí đầu tiên, giả sử rotor bị lệch một góc như trên hinh 2.1a. Lúc này chưa có điện vào động cơ. Khi ta đóng các khóa S1 và S3, động cơ đuợc cấp điện. Dòng điện có hiệu điện thế V+ chạy qua các cuộn L1 và L3. Từ trường của hai cuộn tăng lên, xuất hiện mômen điện từ làm cho rotor là nam chaâ vĩnh cửu quay cho tới khi cực N của stator đối xứng với cực S của rotor như trên hình 2.1b. Tiếp theo ta mở các khóa S1, S3 và đóng S2, S4. Lúc này cặp cuộn pha L2 và L4 được cấp điện. Từ trưòng của hai cuộn này tăng dần và mômen điện từ do hai cuộn dây này tạo ra làm cho rotor quay cho tới khi đạt được vị trí như ở hình 2.1d.

Vậy, trong mỗi lần đóng và mở các chuyên mạch, rotor của động cơ sẽ quay đi một góc là 900. Đối với các động cơ có số cặp cuộn dây pha càng lớn thì góc

247


quay của rotor sau mỗi lân đóng, mở các chuyển mạch lại càng nhỏ, có nghĩa là các động cơ có khả năng điệu chỉnh vị trí ngày càng chính xác.

Bước góc của động cơ PM được tính theo công thức:

staZS

360= (độ)

Trong đó Zsta là số cực của stator.Áp dụng công thức trên. Với động cơ có 4 cực stator sẽ có bước góc là 900, với động cơ có 8 cực stator sẽ có bước góc là 450…

Điều khiển động cơ PM: Để điều khiển động cơ PM, với mỗi cặp cực trên stator sẽ được nối với một dây pha và động cơ PM sẽ được điều khiển bằng cách cấp dòng một cách thứ tự cho các dây pha. Đối với động cơ PM 2 pha, ta sẽ có sơ đồ nối dây và dải cấp xung yêu cầu như sau:

Hình 2.2.2 Sơ đồ nối dây và dải xung điều khiển động cơ PM 2 phaGiả sử thời điểm bắt đầu khảo sát t0, cặp cuộn pha A của động cơ được cấp

dòng dương. Dòng điện đi từ đầu A, qua hai cuộn dây đối xứng và về đất. Giữa thời gian t0 và t1 động cơ ở vị trí cân bằng. Đến thời điểm t1 dòng cấp cho pha A bị ngắt và cấp dòng dương cho pha B. Lúc này dòng điện đi từ đầu B, qua hai cuộn dây đối xứng và về đất. Mômen từ trường sẽ làm cho động cơ quay đi một góc 900, thời điểm động cơ quay được góc 900 tương ứng với thời điểm t2. Lúc này pha B được ngắt điện và cấp dòng điện âm cho pha A, lúc này hai cuộn dây trên stator nối với pha A sẽ đổi cực tính, mômen do chúng tạo ra sẽ làm cho động cơ tiếp tục quay theo chiều cũ thêm một góc 900. Thời điểm động cơ quay được 900 này tương ứng với thời điểm t3. Lúc này dòng vào pha A được cắt, cấp dòng âm cho pha B, động cơ sẽ tiếp tục quay theo chiều cũ một góc 900. Với dải xung cấp liên tục như vậy, động cơ sẽ quay với tốc độ và vị trí ổn định trong quá trình vận hành.

248

A

BN

S

0 0 090 180 0 0270 3600

A

B

t0 1t t2 3t t4


Hình2.2.3. Sơ đồ điều khiển động cơ PM 2 pha sử dụng các công tắc chuyển mạch

249


* Động cơ bước từ trở thay đổi VR.Nguyên lý hoạt động:

Hình 2.2.4. Nguyên lý hoạt động của độngcơ VR ba pha bốn cặp cực trên statorKhi ta cấp điện cho các cuộn dây của cực A, các cuộn A1 và A2 có cùng

cực tính (N), các cuộn A3 và A4 có cùng cực tính (S). Từ thông của các cực này tăng dần và khép kín với rotor theo đường nét đứt được chỉ ra trên hình vẽ. Dòng từ thông đi từ cực bắc A1 vào răng 1 trên stator, sau đó tách ra thành hai nhánh. Một nhánh đi qua răng 3 của stator, một nhánh đi qua răng 4 của stator, sau đó cả hai nhánh lại về A1. Các dòng từ thông được chỉ rõ trên hình minh họa. Khi động cơ ở vị trí như hình vẽ, dòng điện cấp cho cuộn pha A có từ trở là nhỏ nhất, do đó động cơ cân bằng, rotor không quay.

Ngừng cấp điện cho pha A, cấp điện cho pha B của stator. Lúc này từ trở trong động cơ lớn, momen từ sẽ tác động lên trục rotor, làm cho rotor quay cho tới khi có từ trở nhỏ nhất, lúc đó rotor đạt tới vị trí cân bằng mới.

Ta cấp điện một cách liên tục cho các cuộn dây A B C A rotor sẽ quay theo từng bước. Quá trình cấp dòng một cách thứ tự cho các cuộn dây được thực hiện qua các chuyển mạch cơ khí hoặc chuyển mạch điện.

Vì rotor của động cơ VR làm bằng thép non nên khi không có điện, rotor sẽ không có từ dư và không bị hãm, động cơ sẽ tiếp tục quay theo quán tính. Đây chính là nhược điểm cần khắc phục khi điều khiển loại động cơ này.

Bước góc của động cơ VR được tính theo công thức:

P

R

N

SS = (độ)

Trong đó SR là bước góc của rotor, Np là số pha của động cơ.

250

A

A

AA

B

B

C

C

C

B

C

B

S S

N

N

1

2

3 4

A1

A3

A2

A4

st

rt


SS N

S0360= (độ)

RR N

S0360=

NS, NR: số răng của stator và của rotor.Đối với động cơ chúng ta đang khảo sát:

3012

360 ==SS (độ) 458

360 ==RS (độ) 153

45 ==S (độ)

Tương tự, đối với động cơ VR 3 pha, 4 răng trên Stator ta có bước của động cơ là S = 300.Thứ tự cấp dòng cho các pha của động cơ cũng tương tự như trên, tuy nhiên mỗi bước quay, rotor sẽ quay đi một góc gấp đôi động cơ ta đã khảo sát. Điều này có nghĩa là độ chính xác về vị trí của động cơ cũng bị giảm đi.

Hình 2.2.5. Sơ đồ cấp dòng cho động cơ VR 3 pha, bước góc S = 300

* Động cơ bước kiểu lai.Nguyên lý hoạt động.

Hình 2.2.6. Mặt cắt dọc động cơ bước kiểu lai.

251


Hình 2.2.7. Sơ đồ nối dây động cơ bước kiểu lai

Rotor của động cơ bước kiểu lai được cấu tạo từ hai đoạn trục. Bên ngoài được chế tạo bằng thép non, bên trong là trục nam châm vĩnh cửu. Cách nối dây trên hai đoạn trục được chỉ ra ở hình trên. Trong đó dây pha A có màu sẫm, dây pha B có màu mờ hơn. Cuộn pha A lắp trên các cực lẻ còn cuộn pha B được lắp trên các trục chẵn.

Trên hai đoạn rotor của động cơ bước kiểu lai, răng trên đoạn rotor này trùng với rãnh trên đoạn rotor kia, hai đoạn rotor được từ hóa tương ứng với cực của nam châm vĩnh cửu. Ở đây ta giả sử đoạn trục A có cực từ là N, đoạn trục B có cực từ là S.

Khi ta cấp điện cho cuộn pha A, dòng từ trường chạy từ rotor A chia làm hai nhánh, nhánh thứ nhất di từ nam châm vĩnh cửu lan sang rotor A, sau đo đi qua răng trên cực 1, vì răng trên cực 1 đối diện với răng của rotor nên từ kháng là nhỏ nhất. Sau đó dòng từ lan sang stator A và từ stator A lan sang stator B. Dòng từ này tiếp tục lan theo đường mà từ trở là nhỏ nhất, trong hình minh họa ở trên, ví dụ là cực 3 của stator B, vì cực này có răng đối xứng với răng của rotor. Dòng từ đi vào rotor B, lan tới nam châm vĩnh cửu và khép kính mạch. Dòng thứ hai cũng đi từ nam châm vĩnh cửu qua rotor A, đi tới răng 5 của rotor A và lan sang stator A, từ stator A lan sang stator B, từ stator B qua răng 7 lan tới rotor B, từ rotor B lan tới nam châm vĩnh cửu và khép kín mạch từ. Lúc này rotor đứng yên do động cơ ở trạng thái cân bằng.

Dừng cấp điện cho pha A và cấp điện cho pha B, lúc này từ trở không còn là nhỏ nhất, nó sẽ làm cho rotor quay đi theo hướng giảm từ trở. Trong hình minh họa, rotor sẽ quay đến vị trí cực 4 và 8 trên rotor A có các răng đối xứng với các răng của stator, tương ứng với các cực 2 và 6 trên đoạn rotor B.

252

B BAA

AB

7

8

1

2

3

4

5

66

5

7

8

1

2

3

4


* Hệ thống điều khiển động cơ bước.Một hệ thống có sử dụng động cơ bước có thể được khái quát theo sơ đồ sau.

Hình.2.2.8. Sơ đồ khối hệ thống điều khiển động cơ bước.

D.C.SUPPLY: Có nhiệm vụ cung cấp nguồn một chiều cho hệ thống. Nguồn một chiều này có thể lấy từ pin nếu động cơ có công suất nhỏ. Với các động cơ có công suất lớn có thể dùng nguồn điện được chỉnh lưu từ nguồn xoay chiều.

CONTROL LOGIC: Đây là khối điều khiển logic. Có nhiệm vụ tạo ra tín hiệu điều khiển động cơ. Khối logic này có thể là một nguồn xung, hoặc có thể là một hệ thống mạch điện tử. Nó tạo ra các xung điều khiển. Động cơ bước có thể điều khiển theo cả bước hoặc theo nửa bước.

POWER DRIVER: Có nhiệm vụ cấp nguồn điện đã được điều chỉnh để đưa vào động cơ. Nó lấy điện từ nguồn cung cấp và xung điều khiển từ khối điều khiển để tạo ra dòng điện cấp cho động cơ hoạt động.

STEPPER MOTOR: Động cơ bước. Các thông số của động cơ gồm có: Bước góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm, mômen làm việc.

Đối với hệ điều khiển động cơ bước, ta thấy đó là một hệ thống khá đơn giản vì không hề có phần tử phản hồi. Điều này có được vì động cơ bước trong quá trình hoạt động không gây ra sai số tích lũy, sai số của động cơ do sai số trong khi chế tạo. Việc sử dụng động cơ bước tuy đem lai độ chính xác chưa cao nhưng ngày càng được sử dụng phổ biến. Vì công suất và độ chính xác của bước góc đang ngày càng được cải thiện.

253


Bước góc của động cơ bước được chế tạo theo bảng tiêu chuẩn sau:

Hình 2.2.9. Các bước góc tiêu chuẩn của động cơ bước.

c) Vấn đề về sự trượt bước.Trong điều khiển động cơ thì hai vấn đề cơ bản là tốc độ và độ chính xác về

vị trí. Tốc độ của động cơ bước có khả năng điều khiển một cách khá chính xác thông qua lượng xung cấp cho động cơ. Vấn đề quan trọng đối với động cơ bước là độ chính xác về vị trí, hay còn gọi là sự trượt trong quá trình hoạt động của động cơ.

Sau khi thực hiện mỗi bước dịch chuyển, rotor của động cơ bước luôn có xu hướng dao động xung quanh vị trí cân bằng một thời gian. Nó cũng tương tự như sự dao động trong một hệ thống cơ học, nguyên nhân của sự dao động này là do tải trọng và do nguồn cấp nguồn điện điều chỉnh của động cơ (Power driver). Sự trượt này có thể được cải thiện bằng cách tăng ma sát hoặc sử dụng hệ thống dập tắt dao động cơ khí, tuy nhiên sử dụng hai phưong pháp này đều làm tăng giá thành và sự phức tạp của hệ thống. Cách tốt nhất và thường được sử dụng là sử dụng phương pháp chống dao động bằng điện. Phương pháp đơn giản nhất được sử dụng là làm trễ xung cuối cùng, do đó thời gian tác động của xung cuối cùng bị giảm bớt và do đó sau khi kết thúc bước cuối cùng, động cơ có thể dừng lại một cách chính xác hơn.

a. Không sử dụng hệ thống chống dao độngb. Sử dụng hệ thống chống dao động bằng điệnHình 2.2.10. Chống dao động bước

254


Mỗi xung điều khiển đều có thể được chia ra thành 3 phần như chỉ ra trên hình 2.10b. Sừ dụng phương pháp chống dao động bằng điện được thực hiện như sau: Khi đến xung cuối cùng, nó sẽ được làm trễ đi một khoảng thời gian, do đó, thay vì tác động từ thời điểm t0, xung cuối cùng sẽ tác động lên động cơ ở thời điểm t1. Do vậy thời gian tác động của xung cuối cùng sẽ gỉam đi. Điều này làm giảm mômen hãm cũng như giảm quán tính của động cơ, do đó vấn đề trượt bước của động cơ có thể được cải thiện.d) Điều khiển cả bước và điều khiển nửa bước.

Điều khiển cả bước.

Điều khiển nửa bước

Hình 2.2.11. Điều khiển cả bước và điều khiển nửa bước.Để đơn giản, ta khảo sát với động cơ PM có 2 cặp cực, 4 pha.Điều khiển cả bước được thực hiện bằng cách cấp điện cho mỗi cuộn pha

một cách tuần tự và khi một cuộn pha được cấp điện thì các cuộn pha khác sẽ không có điện. Khi điều khiển cả bước, vị trí cân bằng của động cơ, cực của rotor luôn có vị trí đối xứng với cực của stastor.

Điều khiển nửa bước được thực hiện bằng cách cấp điện cho một cuộn pha và hai cuộn pha đồng thời. Trong điều khiển nửa buớc, có thời điểm cả hai cuộn pha đều có điện. Điều này cho phép bổ xung các vị trí cân bằng mới cho động cơ. Đó là các vị trí ở giữa các bước của động cơ. Như vậy trong qua trình hoạt động, động cơ sẽ quay nửa bước một chứ không phải quay một buớc một.e) Lựa chọn động cơ cho robot.

Vì ta dùng động cơ để di chuyển toàn bộ thân robot đến các vị trí khác nhau một cách chính xác nên động cơ cần có mômen hãm lớn, dải tốc độ lớn và ổn định

255


công suất tương đối lớn. Do động cơ bước có nhiều ưu điểm đáp ứng được những yêu cầu đặt ra nên ta lựa chọn động cơ bước.

3.2.3. Mạch điều khiển robot dùng vi điều khiển AVR Atmega88-20PU.

a) Khả năng đáp ứng của mạch.- Mạch điều khiển thiết kế có thể đáp ứng việc điều khiển tốc độ và vị trí của

các động cơ với độ chính xác tương ứng với bước của động cơ điều khiển là 1,80. Khi động cơ được kết nối với hệ dẫn động cơ khí hợp lý ( cụ thể là trục vit me ) có thể đạt được độ chính xác vị trí trong phạm vi cho phép ( có thể đạt đô chính xác đến 0,01 mm).

- Mạch điều khiển ngoài chức năng điều khiển động cơ còn có khả năng mở rộng kết nối với máy tính. Có khả năng nhận số liệu từ máy tính và tự động tính toán để đưa ra tín hiệu điều khiển cho động cơ để đáp ứng yêu cầu của các bài toán với độ chính xác tương đối cao và ổn định.

- Mạch điều khiển có các cổng để kết nối và xử lý tốt tín hiệu dưới dạng số và tương tự của các sensor gửi về.

- Ngoài việc điều khiển động cơ bước, mạch điều khiển còn được tích hợp để điều khiển động cơ một chiều, điều khiển các van khí nén để điều khiển xilanh. b) Lựa chọn linh kiện của mạch.

- Điều khiển các động cơ bàn thân robot đến các vị trí làm việc của nó cần có độ chính các cao, ổn định. Yêu cầu này cần có một bộ xử lý tương đối mạnh và ổn định cũng như cần có độ đáp ứng nhanh.

- Dựa trên những yêu cầu của mạch điều khiển và kiến thức hiện có, ta lựa chọn vi xử lý họ AVR do chúng có đầy đủ các ưu điểm cần thiết và dễ dàng trong sử dụng cũng như có thể thay đổi chương trình một cách linh hoạt.

- Để cung cấp nguồn công suất cho động cơ cần có thể sử dụng URL. Tuy nhiên để mạch có khả năng điều khiển các động cơ có công suất cao hơn mà không cần thay đổi mạch điều khiển nên sử dụng IRF để cấp nguồn cho động cơ hoạt động.

- Giữa mạch điều khiển và mạch công suất có sử dụng một bộ cách ly quang để đảm bảo an toàn và chống nhiễu.c) Nguyên tắc điều khiển động cơ.

- Nguyên tắc thì băm xung là việc ta chia 1 xung lớn ra thành các xung nhỏ, tức là lúc này về nguyên tắc thì động cơ được đóng ngắt liên tục nhưng do ở tần số cao nên ta có cảm giác động cơ chỉ thay đổi về tốc độ.

- Có thể băm xung bằng phần mềm hoặc bằng phần cứng, đối với Atmega16L ngoài mở rộng các tính năng khác phần cứng của nó còn mở rộng thêm 4 kênh băm xung hai kênh của bộ timmer 0 và timmer2, hai kênh của bộ timmer1. Một điều rất thuận tiện khi sử dụng AVR là nó có rất nhiều tính năng mới mà các họ khác không có ngoài ra phần mềm lại hổ trợ rất mạnh cho việc lập trình. Như vậy, khi sử sụng các kênh PWM ta chỉ việc khởi tạo giá trị các thanh ghi của nó và nó tự động băm xung rất chính xác theo tần số và độ rộng xung đã chọn. Đây là một ứng dụng rất quan trọng trong các bài toán điều khiển tốc độ động cơ .

256


Hai kênh của bộ timer1 ứng với các chân PORT D.4, PORT D.5 của PORT D và 2 kênh khác ở bộ timer 0 và 2 .

- Việc điều khiển động cơ được thực hiện thông qua điều khiển thời gian cấp xung và lượng xung cấp cho động cơ.

Nguyên lý làm việc như sau: Trong vi xử lý AVR đã có sẵn nguồn tạo dao động bên trong với tần số dao

động được tạo ra ổn định và dải tần số tương đối rộng. Do đó, người sử dụng có thể lựa chọn tần số dao động phù hợp với bài toán thực tế của mình. Để điều khiển động cơ bước cho bàn thân robot, không cần sử dụng đến tần số quá cao. Do vậy, ta chọn tần số cấp xung là 500.000KHz. Có nghĩa là sau một khoảng thời gian là 2.10-6s thì bộ đếm xung sẽ tràn một lần. Ta xác định vào số lần tràn bộ đếm để cấp xung điều khiển cho động cơ. Đặt một biến X là số lần tràn bộ nhớ. Khi đó, mỗi khi số lần tràn bộ đếm là X thì vi điều khiển sẽ cấp một xung để điều khiển động cơ.

Giả sử ta cần động cơ quay với tốc độ 200 vòng/phút. Ứng với động cơ bước của chúng ta có bước góc là 1,80. Muốn động cơ quay 1 vòng cần cấp 200 xung. Vậy số xung trong 1phút là 200x200 = 40 000 xung. Nghía là cứ 0,0015s thì sẽ cấp cho động cơ một xung. Khi đó biến X sẽ là:

75010.2

0015,06

== −X

Vậy muốn động cơ quay với tốc độ 200v/ph thì cứ sau 750 lần bộ đếm tràn ta sẽ cấp một xung cho động cơ.d) Sơ đồ khối mạch điều khiển.

Đối với các loại động cơ bước loại công xuất bé dùng vào các mục đích thí nghiệm không có tải chúng ta có thể dung các loại IC thường như các loại UNL ví dụ UNL2803, đối với các loại này việc thiết kế mạch rất đơn giản, nhưng chịu được dòng bé, công suất không cao . Để giải quyết bài toán này chúng ta có họ IRF loại này tần số đóng cắt cao, chịu được được dòng lớn rất hay được sử dụng trong các mạch điều khiển động cơ như các động cơ DC hay các mạch điều khiển động cơ bước .Các yêu cầu đối với mạch điều khiên:

Mạch thiết kế điều khiển di chuyển của thân robot đến các vị trí khác nhau một cách chính xác. Điều khiển mạch thông qua vi xử lý thuộc họ AVR.

Mạch có khả năng xử lý tín hiều từ SENSOR dưới dạng analog hoặc số .Mạch có khã năng giao tiếp với bàn phím, giao tiếp với máy tính thông qua

chuẩn RS485. Mạch điều khiển phải có khả năng cung cấp đủ điện áp để các động cơ hoạt

động ở công suất tương đối cao khi có tải .Mục đích:

- Điều khiển động cơ bước để di chuyển thân robot, điều khiển các van khí nén để điều khiển các xilanh .

- Xử lý được các tín hiệu từ các sensor, công tắc hành trình đưa về.- Quản lý được dưới giao diện máy tính bằng phần mềm.

257


e) Mạch nguyên lý.

< D o c > < R e v C o d e >

< T i t l e >

C

1 1M o n d a y , A p r i l 2 3 , 2 0 0 7

T i t l e

S i z e D o c u m e n t N u m b e r R e v

D a t e : S h e e t o f

GND

4 8 5 C T R L

4 8 5 C T R L2 3 2 T X

R S 4 8 5 +R S 4 8 5 +R S 4 8 5 +GND

4 8 5 R X

2 3 2 R X

V C C

4 8 5 T X G N D

GND

4 8 5 R X

4 8 5 T X

G N D

S t e p _ 1

D K _ 3

2 4 V

X t a l _ 1

S t e p _ 2

D i r e c t _ 2

2 4 V

V C C

D K _ 3

C O I N _ 1

R S T

2 4 V2 4 V

2 4 V

X t a l _ 2

D i r e c t _ 1

COIN

_4

D K _ 4

C O I N _ 3

2 4 V

S t e p _ 3

2 4 VV P P

V C C C O I N _ 4

C O I N _ 4

COIN

_2

G N D

D K _ 4 2 4 V

D K _ 1

COIN

_1

C O I N _ 1

G N D

S t e p _ 4

GND

C O I N _ 3

D K _ 2

D K _ 2

D K _ 1

2 4 V

C O I N _ 2

COIN

_3

C O I N _ 2

S t a t u s _ 4S t a t u s _ 3S t a t u s _ 2S t a t u s _ 1

G N D

G N D

G N D G N D

G N D

G N D

D i r e c t _ 5

D i r e c t _ 4

D i r e c t _ 3

R S 4 8 5 -R S 4 8 5 -R S 4 8 5 -

G N D

G N D

2 4 V OUT_

2EN

2 4 V OUT_

1EN

2 4 V2 4 V2 4 V2 4 V

O U T _ 2 E N

O U T _ 1 E N

2 4 V2 4 V2 4 V2 4 V

G N D

G N D

2 4 V2 4 V

2 4 V2 4 V

V C C

V C C

V C C

V C C

D C 2 _ D I R

D C 1 _ D I R

D C 2 _ E N

D C 1 _ E N

R S 4 8 5 -

R S 4 8 5 +

P C 0 D C 1 _ D I R

P C 2 S t e p _ 1

P B 0D i r e c t _ 2

P C 5 S t e p _ 4

G N D

P C 3 S t e p _ 2

P B 7 X t a l _ 2

P C 6 ( R E S E T )R S T

V C C

P C 1 D C 1 _ E N

P D 6D i r e c t _ 4

P D 1 ( T X D )2 3 2 T X

P D 3D C 2 _ D I R

P B 2 S t a t u s _ 4P D 7D i r e c t _ 3

G N DG N D

G N DG N DG N DG N D

V C C

P B 1 D i r e c t _ 1

P C 4 S t e p _ 3

G N DG N D

G N DG N DG N D

P B 3 S t a t u s _ 3


A V C C V C C

V C C

A R E F V C C

G N D

G N DG N D

G N DG N DG N D

P D 5D i r e c t _ 5

G N D

G N DG N D

P D 0 ( R X D )2 3 2 R X

P B 4 S t a t u s _ 2P B 5 S t a t u s _ 1

P B 6 X t a l _ 1

P D 4

P D 2D C 2 _ E N

GND

R 3 81 0 K

R 4 4 1

R

R 4 34 7 0

U 1 1 1

S N 7 5 1 7 6

4312 8

5

67

DD ERR E V C C

GND A

B

J 1 3

1 0 K

12345

D 4

L E D

D 1 7

D o

Q 1 3A 1 0 1 5

D 1 8

D o

Q 1 4C 1 8 1 5

C 1 0

1 0 4

D 1 9

D o

R 4 4 5

R

1 0 0 0 u F / 1 6 VC A P

D 2 0

D o

R 1 71 0 K

U 1 9


1

2 3

41

2 3

4

R 1 2 2 7 0

U 2

L M 7 8 0 5 C / T O

1 3I N O U T

Q 1 9

I R F 5 4 0 N / T O

4 7 0 u F / 1 6 VC A P

R 3 91 0 K

D 6 D I O D E

U 2 2 C a c h L y Q u a n g1

2 3

41

2 3

4

U 8 E

7 4 H C 1 4

1 1 1 0

S W 1

S W D I P - 4

J 1 1

C O N 5

12345

F 1

F U S E

Q 1 6C 1 8 1 5

R 1 91 0 K

U 8 C

7 4 H C 1 4

5 6

D 7 D I O D E

R 4 4 4

R

U 2 0


1

2 3

41

2 3

4

U 8 B

7 4 H C 1 4

3 4

R 4 4 2

R

C 1C A P N P

J 3

C O N 6

123456

D 3L E D

Q 2 0

I R F 5 4 0 N / T O

U 8 D

7 4 H C 1 4

9 8

Y 1

2 0 M

R 4 01 0 K

U 2 7 1


1

2 3

41

2 3

4

C 3 2 2 p

L S 1

R E L A Y D P D T

34

2

65

718

U 8 A

7 4 H C 1 4

1 2

Q 2 3 0 0 A3

12

C 4 2 2 p

Q 2 1A 1 0 1 5

R 4 4 6

R

Q 2 2C 1 8 1 5

U 8 F

7 4 H C 1 4

1 3 1 2

J 5 4

C O N 3

123

R 4

R

R 5

R

R 2 01 0 K

R 4 1

4 7 0

U 1 7


1

2 3

41

2 3

4

R 6

R

C 2C A P N P

D 2 1

L E D

Q 1 7

I R F 5 4 0 N / T O

D 2 2

L E D

R 3 71 0 K

Q 1 2A 1 0 1 5

D 2 3

L E D

Q 1 1C 1 8 1 5

D 8 D I O D E

L S 2

R E L A Y D P D T

34

2

65

718

J 1 0

C O N 5

12345

Q 2 3 8 0 A3

12

R 4 4 7

R

R 1 3 2 7 0

J 5 7

C O N 2

12

D 3 0

D I O D E

D 4 0

D I O D E

D 5 0

D I O D E

U 2 7 2


1

2 3

41

2 3

4

D 9 D I O D E

D 7 0

D I O D E

R 1 8 01 0 K

R 4 4 8

R

U 2 6 0


1

2 3

41

2 3

4

J 5 8

C O N 2

12

Q 2 4 0

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 2 01 0 K

Q 2 5A 1 0 1 5

D 2 4

L E D

D 8 0

D 0 2 C Z 1 2

Q 2 6 0C 1 8 1 5

D 2 5

L E D

R 2 1 01 0 K

U 2 7 0


1

2 3

41

2 3

4

J 5

C O N 1

1

Q 2 7 0

I R F 5 4 0 N / T O

J 6

C O N 1

1

J 8

C O N 1

1

R 4 4 01 0 K

J 9

C O N 1

1

Q 2 8A 1 0 1 5

Q 2 9 0C 1 8 1 5

J 5 9

J U M P E R

12

R 1 1 1 0 k

R 1

3 3 k

D 1 0 D I O D E

D 1 0 9

D 0 2 C Z 1 2

J 4

C O N 2

12 U 2 3 C a c h L y Q u a n g

1

2 3

41

2 3

4

D 2

D I O D E 1 n 4 1 4 8


2 3

41

2 3

4


2 3

41

2 3

4

Q 1 5A 1 0 1 5


2 3

41

2 3

4

J 1

J U M P E R

1 2

R 3R

R 1 61 0 K

R 2

R 2 2 0

U 1 8


1

2 3

41

2 3

4 Q 1 8

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 4 3

R

J 5 6

J U M P E R

1 2

J 5 5

A T M E G A 8 8

123456789

1 01 11 21 31 4

2 82 72 62 52 42 32 22 12 01 91 81 71 61 5

D R I L L S

s e r i a l _ r s 2 3 2 _ R s 4 8 5

258


* Các khối chức năng của mạch:- Khối nguồn: có nhiệm vụ cung cấp nguồn điện 5V cho mạch điều khiển.

Sơ đồ như hình vẽ:

2 4 VV P PV C C

V C C

G N D

2 4 VV P P

2 4 V

V C C

R 4 34 7 0D 4

L E D

C 1 0

1 0 41 0 0 0 u F / 1 6 VC A P

U 2

L M 7 8 0 5 C / T O

1 3I N O U T

4 7 0 u F / 1 6 VC A P

D 6 D I O D E

F 1

F U S E

D 3L E D

J 5 4

C O N 3

123

R 4 1

4 7 0

J 1

J U M P E R

1 2

k h o i n g u o n

Nguồn điện 24V ( hoặc 12V ) được đưa qua IC LM7805 để ta có thể lấy được điện áp ra chuẩn 5V. Tụ 1000µF và 470μF có tác dụng lọc nguồn. Các đèn led dùng để thông báo tình trạng của khối nguồn. Điốt dùng để chống dòng ngược. Ngoài ra, cầu chì F1 có tác dụng chống ngắn mạch và quá tải.

- Khối tín hiệu vào: có nhiệm vụ thu nhận các tín hiệu vào như công tắc hành trình, các sensor ... để đưa đến vi điều khiển xử lý. Sơ đồ nguyên lý như sau:

D i r e c t _ 2

D i r e c t _ 1

G N D

G N D

G N D

G N D

G N D G N D

G N D

G N D

D i r e c t _ 5

D i r e c t _ 4

D i r e c t _ 3

G N D

G N D

R 1 2 2 7 0


2 3

41

2 3

4

J 3

C O N 6

123456

R 4

R

R 5

R

R 6

R

D 2 1

L E DD 2 2

L E DD 2 3

L E D

R 1 3 2 7 0

D 2 4

L E DD 2 5

L E D


2 3

41

2 3

4


2 3

41

2 3

4


2 3

41

2 3

4


2 3

41

2 3

4

d a u v a o ( i n p u t )

Các tín hiệu được đưa vào J3, sau đó qua một con cách ly quanh trước khi vào vi điều khiển. Khi có tín hiệu vào một chân nào đó của J3 thì đèn led tương ứng sẽ sáng để báo hiệu cho ta biết, khi đó chân 4 nối với một chân của vi điều

259


khiển của cách ly quanh P521 sẽ được đưa xuống mức 0. Khi đó ta sẽ phát hiện được tín hiệu vào để vi điều khiển xử lý bước tiếp theo.

- Khối truyền - nhận dữ liệu: có nhiệm vụ truyền - nhận thông tin giữ vi điều khiển và máy tính. Nó có thể chuyển đổi từ cổng chuẩn RS232 sang chuẩn RS485 ( chuẩn được sử dụng phổ biến trong mạng truyền thông công nghiệp, có khả năng truyền dữ liệu xa hơn chuẩn RS232 ).

GN

D

4 8 5 C T R L2 3 2 T X

R S 4 8 5 +R S 4 8 5 +R S 4 8 5 +GN

D

4 8 5 R X

2 3 2 R X

V C C

4 8 5 T X G N D

GN

D

4 8 5 R X

4 8 5 T X

G N D

R S 4 8 5 -R S 4 8 5 -R S 4 8 5 -R S 4 8 5 -

R S 4 8 5 +

4 8 5 C T R L

U 1 1 1

S N 7 5 1 7 6

4312 8

5

67

DD ERR E V C C

GN

D AB

U 8 E

7 4 H C 1 4

1 1 1 0

U 8 C

7 4 H C 1 4

5 6

U 8 B

7 4 H C 1 4

3 4

C 1C A P N P

U 8 D

7 4 H C 1 4

9 8

U 8 A

7 4 H C 1 4

1 2

U 8 F

7 4 H C 1 4

1 3 1 2

C 2C A P N P

D 3 0

D I O D E

D 4 0

D I O D E

D 5 0

D I O D E

D 7 0

D I O D E

D 8 0

D 0 2 C Z 1 2

J 5 9

J U M P E R

12

R 1

3 3 k

D 1 0 9

D 0 2 C Z 1 2

J 4

C O N 2

12

D 2

D I O D E 1 n 4 1 4 8

R 3R

R 2

R 2 2 0

s e r i a l _ r s 2 3 2 _ R s 4 8 5

- Khối vi điều khiển: có nhiệm vụ xử lý thông tin thu nhận được và ra lệnh cho các thiết bị chấp hành ở đầu ra. Sử dụng vi điều khiển AVR Atmel88-20PU.

X t a l _ 1

V C CR S T

X t a l _ 2

GN

D

P C 5 S t e p _ 4P C 4 S t e p _ 3P C 3 S t e p _ 2P C 2 S t e p _ 1P C 1 D C 1 _ E NP C 0 D C 1 _ D I RG N DA R E F V C CA V C C V C CP B 5 S t a t u s _ 1P B 4 S t a t u s _ 2P B 3 S t a t u s _ 3P B 2 S t a t u s _ 4P B 1 D i r e c t _ 1

P C 6 ( R E S E T )R S TP D 0 ( R X D )2 3 2 R XP D 1 ( T X D )2 3 2 T X

P D 2D C 2 _ E NP D 3D C 2 _ D I R

P D 4V C CG N D

P B 6 X t a l _ 1P B 7 X t a l _ 2

P D 5D i r e c t _ 5P D 6D i r e c t _ 4P D 7D i r e c t _ 3P B 0D i r e c t _ 2

G N D

Y 1

2 0 M

C 3 2 2 p

C 4 2 2 p

J 5 6

J U M P E R

1 2

R 1 1 1 0 k

J 5 5

A T M E G A 8 8

123456789

1 01 11 21 31 4

2 82 72 62 52 42 32 22 12 01 91 81 71 61 5

k h o i v i d i e u k h i e nt h a c h A n h

Để tạo dao động cho vi điều khiển có thể hoạt động được ta dùng thạch anh 2MHz, kết hợp với 2 tụ gốm 22pF như trên sơ đồ.

260


- Khối tín hiệu ra: có nhiệm vụ nhận lệnh từ vi điều khiển đưa đến các thiết bị chấp hành khác. Cụ thể, nhận tín hiều điều khiển để điều khiển van khi và các động cơ ( động cơ 1 chiều và động cơ bước ).

S t e p _ 1

D K _ 3

2 4 V

S t e p _ 2

G N DG N D

2 4 V

D K _ 3

C O I N _ 1

2 4 V2 4 V

2 4 V

COIN

_4D K _ 4

G N DG N DG N D

C O I N _ 3

G N DG N D

S t e p _ 3

G N DG N DG N D

V C C C O I N _ 4

C O I N _ 4

COIN

_2

D K _ 4 2 4 V

D K _ 1

COIN

_1

C O I N _ 1

S t e p _ 4

C O I N _ 3

D K _ 2

D K _ 2

D K _ 1

2 4 V

C O I N _ 2

COIN

_3

C O I N _ 2

G N DG N D

G N DG N D

2 4 V


OUT_

2EN

2 4 V OUT_

1EN

G N DG N DG N D

2 4 V2 4 V2 4 V2 4 V

O U T _ 2 E N

O U T _ 1 E N

2 4 V2 4 V2 4 V2 4 V

G N D

G N D

2 4 V2 4 V

2 4 V2 4 V

V C C

V C C

V C C

V C C

D C 2 _ D I R

D C 1 _ D I R

D C 2 _ E N

D C 1 _ E N

R 3 81 0 K

R 4 4 1

R

J 1 3

1 0 K

12345

D 1 7

D o

Q 1 3A 1 0 1 5

D 1 8

D o

Q 1 4C 1 8 1 5

D 1 9

D o

R 4 4 5

R

D 2 0

D o

R 1 71 0 K

U 1 9


1

2 3

41

2 3

4 Q 1 9

I R F 5 4 0 N / T O

R 3 91 0 K

J 1 1

C O N 5

12345

Q 1 6C 1 8 1 5

R 1 91 0 KD 7 D I O D E

R 4 4 4

R

U 2 0


1

2 3

41

2 3

4

R 4 4 2

R

Q 2 0

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 01 0 K

U 2 7 1


1

2 3

41

2 3

4

L S 1

R E L A Y D P D T

34

2

65

718

Q 2 3 0 0 A3

12

Q 2 1A 1 0 1 5

R 4 4 6

R

Q 2 2C 1 8 1 5

R 2 01 0 K

U 1 7


1

2 3

41

2 3

4 Q 1 7

I R F 5 4 0 N / T O

R 3 71 0 K

Q 1 2A 1 0 1 5

D 8 D I O D E

Q 1 1C 1 8 1 5

L S 2

R E L A Y D P D T

34

2

65

718

J 1 0

C O N 5

12345

Q 2 3 8 0 A3

12

R 4 4 7

R

J 5 7

C O N 2

12

U 2 7 2


1

2 3

41

2 3

4

D 9 D I O D E

R 1 8 01 0 K

R 4 4 8

R

U 2 6 0


1

2 3

41

2 3

4

J 5 8

C O N 2

12

Q 2 4 0

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 2 01 0 K

Q 2 5A 1 0 1 5

Q 2 6 0C 1 8 1 5

R 2 1 01 0 K

U 2 7 0


1

2 3

41

2 3

4 Q 2 7 0

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 4 01 0 K

Q 2 8A 1 0 1 5

Q 2 9 0C 1 8 1 5

D 1 0 D I O D E

Q 1 5A 1 0 1 5

R 1 61 0 K

U 1 8


1

2 3

41

2 3

4 Q 1 8

I R F 5 4 0 N / T O

R 4 4 3

R

k h o i c o n g s u a t d i e u k h i e n d o n g c o v a v a n k h i

261


f) Kỹ thuật truyền dẫn.Kỹ thuật truyền tải thông tin trong hệ thống CIM và robot với máy tính

được truyền qua chuẩn RS-485 ( qua chuyển đổi RS-232 → RS485 ) nên trong mục này ta sẽ trình bày các phương pháp truyền thông trong các mạng công nghiệp.Kêt nối vi điều khiển AVR theo chuẩn RS-485.

RS-485 là một bus truyền thông và cho phép nhiều thiết bị trao đổi thông tin với nhau. Đây là liên kết bán song công nghĩa là ở một thời điểm bất kỳ trên bus dữ liệu có thể nhận hoặc nhận. Do ở một thời điểm cho trước chỉ có một trong các vi điều khiển AVR có thể truyền nên các vi điều khiển còn lại cần phải giữ nguyên ở trạng thái nhận. Để đáp ứng yêu cầu này vi mạch điều khiển RS-485 có một chân cho phép đối với bộ truyền cũng như bộ nhận. Các chân này được nối với các chân khác của bộ xử lý AVR tương ứng, để trong quá trình điều khiển, vi điều khiển AVR có thể quyết định hoặc là truyền hoặc là nhận dữ liệu.

V C C

2 3 2 R X

2 3 2 T X2 3 2 T X2 3 2 T X

4 8 5 T X

GN

D

GN

D

V C C

4 8 5 C T R L4 8 5 C T R L4 8 5 R X

4 8 5 T X

GN

D

G N DG N D

R S 4 8 5 +

R S 4 8 5 -R S 4 8 5 -

R T S / C T S

R T S / C T SR 1 I N

T 1 O U T

G N D

V C C

2 3 2 R X

G N DV C C

2 3 2 T X

R 1 I N _ J

T 1 O U T _ J

G N D

V C C

G N D

T1O

UT

T1O

UT

R1

INT

1OU

T_J

R1

IN_J

R1

IN

VC

C

4 8 5 R X

4 8 5 T X

VC

C G N D

4 8 5 C T R L

R 1 I N _ J

2 3 2 R X

N O N O

V C C

N O N O

V C C

G N D

4 8 5 R X

VC

C

C 1 0

1 0 4

U 1

S N 7 5 1 7 6

4312 8

5

67

DD ERR E V C C

GN

D AB

C 8 1 0 u F

C 9

1 0 u F

C 1 1

1 0 4

D 1 6D I O D E

C 1 2

1 0 4

4 7 0 u

C A P

U 2

L M 7 8 0 5 C / T O

1 3I N O U T 1 0 0 0 u

C A P

U 8 A

7 4 H C 1 4

1 2

R 8 R 4 K 7

U 8 C

7 4 H C 1 4

5 6

C 1 0 PC A P N P

U 8 D

7 4 H C 1 4

9 8

R 1 1

R

R 9

R 4 K 7

U 8 F

7 4 H C 1 4

1 3 1 2

U 8 E

7 4 H C 1 4

1 11 0

R 1 2

R

C 2C A P N P

R 6R _ 4 K 7

J 1 3

C O N 2

12

R 1 3R

D 1 3

L E D

J 1 1

P O W E R

12

D 1 1

L E D

D 3

D I O D E

D 1 4

L E D

D 5

D I O D E

C 1 3

R 4

R

D 4

D 0 2 C Z 1 2

U 8 B

7 4 H C 1 4

34

D 6

D I O D E

R 1

3 3 k

D 1

D 0 2 C Z 1 2

R 5R 1 0 K

D 2

D I O D E 1 n 4 1 4 8

J 1 2J U M P E R 3

16

25

34

U 3

M A X 2 3 2

134526

1 29

1 11 0

1 38

1 47

C 1 +C 1 -C 2 +C 2 -V +V -

R 1 O U TR 2 O U T

T 1 I NT 2 I N

R 1 I NR 2 I N

T 1 O U TT 2 O U T

P 1

R S 2 3 2 C o n n e c t e r

594837261

J 6

C O N 1

1

J 8

C O N 1

1

J 9

C O N 1

1

R 2

R 2 2 0

J 1 0

C O N 1

1

D 1 5D I O D E

C 6 1 0 u F

C 7 1 0 u F

D R I L L S

262


Giới thiệu về các linh kiện được sử dụng trong mạch điều khiển. + Opto P521:

Đối với các động cơ bước dùng dòng chỉ 0,5 A trở xuống thì vi điều khiển

có thể điều khiển trực tiếp qua phân kênh 8243, nhưng đối với mạch điều khiển động cơ bước dùng dòng khoảng từ 0,5 đến 20A thì vi điều khiển không thể điều khiển trực tiếp mà nó phải điều khiển gián tiếp qua cách ly quang (như hình vẽ). Nó cách ly hai nguồn hoàn toàn đó là nguồn bên vi điều khiển và nguồn bên cung cấp cho động cơ. Vì vậy mà vi điều khiển vẫn hoạt động bình thường mà không bị ảnh hưởng của nguồn cấp cho động cơ.

+ Transistor trường IRF540:

Như đã nói ở trên với động cơ bước dùng dòng nhỏ thì dùng UNL để điều khiển động cơ bước, còn đối với động cơ bước dùng công suất lớn thì ta dùng loại moffet để điều khiển cụ thể là dùng loại IRF540 đây là transitor trường npn có thể chịu được dòng 20 A nên rất thích hợp cho điều khiển động cơ bước có công suất lớn.

+ Nguồn công suất 5v ( LM 7805 ):Hầu hết mạch số và vi xử lý đều dùng nguồn 5v. Vì vậy mà trong các

Project ta phải thiết kế nguồn nuôi 5v riêng. Do nguồn một chiều ta dùng thường khoảng 9 đến 24v nên việc để tạo ra nguồn 5v nuôi cho mạch số hay vi xử lý ta thường dùng IC LM7805

263


LM 7805 được dùng rất đơn giản, chân input sẽ cho phép các nguồn 1 chiều khác từ (9v-24v) vào còn chân Common dùng để chung đất cho đầu vào và đầu ra ,tức là nối mat. Còn chân output sẽ là đầu ra 5v để nuôi mạch

+ Họ vi điều khiển AVR.AVR là họ vi điều khiển mới, với những tính năng rất mạnh được tích hợp

trong chip của hãng Atmel theo công nghệ RISC, nó ngang hàng với các họ vi điều khiển khác cùng thời như PIC, Pisoc, nhưng được sử dụng phổ biến hơn .

Do ra đời muộn hơn nên họ vi điều khiển AVR có nhiều tính năng mới đáp ứng tối đa nhu cầu của người sử dụng, nhất là những ai đã sử dụng qua các dòng vi điều khiển trước nó như họ 89xx sẽ có sự so sánh toàn diện hơn về độ ổn định, khả năng tích hợp và sự mềm dẻo trong việc lập trình AVR, đặc biệt là nó có bộ phần mềm lập trình vô cùng tiện dụng .

Một số tính năng mới của họ AVR:- Giao diện SPI ( serial peripheral inerface ) đồng bộ. SPI là một mạch liên

kết dữ liệu nối tiếp đồng bộ. Giao diện SPI hỗ trợ tốc độ truyền dữ liệu cao đến 3 MHz. Cổng SPI có những tín hiệu sau:

+ MISO: tín hiệu dữ liệu xuất ra nối tiếp.+ MOSI: tín hiệu dữ liệu nhập vào nối tiếp.+ SCK: tín hiệu đồng bộ nối tiếp. tần số đồng hồ SCK bị giới hạn bởi tần số

của đồng hồ hệ thống và với các bộ vi xử lý, tần số này có thể lên đến 2,5MHz.+ Tín hiệu lựa chọn ( selection signal ).Việc truyền dữ liệu vào SPI được tiến hành theo một số nguyên lần 8 bit ở

một thời điểm.- Các đường dẫn vào/ra (I/O) lập trình được.- Giao tiếp I2C. Dùng để mở rộng khả năng ghép nối với thiết bị ngoại vi

và việc điều khiển giữa các IC. Dữ liệu được truyền giữa các thiết bị theo từng loạt 8 bit. Tốc độ truyền dữ liệu là 100kbit/s trong các chế độ tiêu chuẩn, 400kbit/s trong chế độ nhanh và 3,4 Mbit/s trong chế độ rất nhanh.

- Bộ biến đổi ADC 10 bit.- Các kênh băm xung PWM.- Các chế độ tiết kiệm năng lượng như sleep, stand by..vv.- Một bộ định thời Watchdog.- 3 bộ timer/Counter 8 bit.- 1 bộ timer/Counter 16 bit.- 1 bộ so sánh analog.- Bộ nhớ EEPROM.- Giao tiếp USART..vv.

Giới thiệu vi điều khiển Atmega88 - 20PU được sử dụng trong mạch:

264


Hình: Vi điều khiển Atmega88-20PU- Các tính năng:+ Bộ nhớ 8K flash.+ 512 bytes EEPROM.+ 1K byte RAM.+ hai bộ timer/counters 8 bit + Một bộ timer/counter 16 bit+ Bộ đếm thời gian thực với bộ dao động bên ngoài.+ 6 kênh băm xung PWM.+ 6 kênh chuyển đổi ADC 10 bit+ Giao tiếp USART.+ Giao diện SPI master/slave.+ Một bộ định thời Watchdog.+ Có 5 chế độ sleep: idle, ADC noise reduction, power-save, power-down, and standby.+ Đóng vỏ 28 chân , trong đó có 23 chân vào ra dữ liệu chia làm 3 PORT B,C,D. Các chân này đều có chế độ pull_up resistors.+ Một bộ so sánh analog.

Các tính năng và cách sử dụng các chân của Atmel88-20PU khi thiết kế mạch:- Vcc và GND 2 chân cấp nguồn cho vi điều khiển hoạt động.- Reset đây là chân reset cứng khởi động lại mọi hoạt động của hệ thống.- 2 chân XTAL1, XTAL2 các chân tạo bộ dao động ngoài cho vi điều khiển,

các chân này được nối với thạch anh (hay sử dụng loại 4M), tụ gốm (22p).- Chân Vref thường nối lên 5v(Vcc), nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân

này được sử dụng làm điện thế so sánh, khi đó chân này phải cấp cho nó điện áp cố định, có thể sử dụng diod zener:

265


24V

CC

5 V

D I O D E B R E A K D O W N

1 0 KR

GN

D

V r e f

Hình 3.7. Cách nối chân Vref - Chân Avcc thường được nối lên Vcc nhưng khi sử dụng bộ ADC thì chân

này được nối qua 1 cuộn cảm lên Vcc với mục đích ổn định điện áp cho bộ biến đổi.

- Port B là cổng I/O 8 bit với điện trở kéo bên trong. Ngoài ra nó còn dùng cho một số chức năng đặc biệt khác.

* Mạch nạp chương trình cho vi điều khiển AVR qua cổng SPI:Ở đây ta trình bày mạch nạp tương thích với chuẩn STK200/300 của Atmel

với phần mềm CodeVisionAVR.

Trên sơ đồ ta dùng IC 74HC244 làm con đệm để bảo vệ cổng máy in. Các chân ra MOSI, MISO, SCK, RESET, GND được nối trực tiếp vào các chân tương ứng của AVR. Ta cần phải cấp nguồn 5V để con 74HC244 hoạt động.

266


Vì AVR có khả năng In-System Programming nên việc nạp chương trình rất đơn giản. Không như 89C51, mỗi khi nạp chương trình mới phải tắt nguồn và cho vào mạch nạp riêng để nạp, AVR vẫn làm việc bình thường khi có bộ nạp chương trình nối với nó. Mỗi khi muốn nạp một chương trình mới, phần mềm trong máy tính sẽ Reset AVR. AVR chuyển sang chế độ được lập trình, nhận chương trình từ máy tính. Sau khi nạp xong AVR sẽ hoạt đồng trở lại bình thường.

h) Mạch công suất điều khiển động cơ.Trong mạch công suất điều khiển động cơ chúng ta sử dụng bộ cách ly,

cách ly hoàn toàn phần điện áp cao cấp cho động cơ ( khối công suất ) với khối điều khiển bắng cách ly quang. Việc cách ly này là rất cần thiết nó tránh các hiện tượng nhiễu do động cơ ..vv và có thể điều khiển được động cơ có công suất lớn trong khi tín hiệu điều khiển là tín hiệu từ vi điều khiển với dòng rất bé .

I R F _ O U T 9

O P T O _ O U T 9Q 5I R F 5 4 0 N / T O

P C 3

R 1 4

R

D 1 2

L E D

V C C O P T O _ O U T 9O P T O _ O U T 9

G N D

O P T O _ O U T 9O P T O _ O U T 9

2 4 V C C

O P T O _ O U T 9

I S O 1 1O P T O I S O L A T O R

21

54

R 1 5

R

R 1 3

R Hình 3.9. Mạch cách ly quang

Tín hiệu từ vi điều khiển nối với chân PC3 qua cách ly quang như hình vẽ, khi tín hiệu điều khiển PC3( tín hiệu logic 0 ) thì có dòng từ VCC->PC3 khi đó sẽ có dòng chạy từ 24VCC ->OPTO_OUT9.

R 1 9

R

O P T O _ O U T

GN

D

Q 1 1I R F 5 4 0 N / T O

OU

T

Trạng thái bình thường thì chân OPTO_OUT bị kéo xuống GND qua trở 10kΩ khi đó không có sự phân áp giữa 2 chân G_S thì IRF không hoạt động. Nhưng khi có sự phân áp G_S thì IRF hoạt động và như vậy sẽ có dòng qua D (OUT) .

Trong mạch điều khiển được thiết kế có các chân đầu ra ở khối công suất các chân này có 1 chân nối lên 24Vcc dùng để đấu chung các cực (+) của động cơ bước và động cơ DC các chân khác dùng để nối với các đầu cực còn lại của động cơ, đây chính là các chân được điều khiển bởi vi điều khiển thông qua bộ cách li và IRF. Các chân này theo thứ tự nối với các cặp cực của động cơ bước và được điều khiển đóng cắt theo thứ tự 1-2-3-4-1, khi đó động cơ bước chạy được 1 vòng đối với động cơ 4 cặp cực. Thời gian đóng cắt giữa các cặp cực liên tiếp quyết định tốc độ của động cơ .

267


Với mạch điều khiển này chúng ta có thể điều khiển tốc độ động cơ tuỳ ý, kiểm soát và điều khiển từng bước của động cơ .

Ta có thể điều khiển động cơ bước theo nguyên tắc điều khiển cả bước hoặc điều khiển nửa bước.

268


CHƯƠNG 5. THIẾT KẾ BĂNG TẢI.

A - GIỚI THIỆU CHUNG VÀ THIẾT KẾ.

I. Giới thiệu chung về công dụng và phân loại máy chuyển liên tục

Băng tải thường được sử dụng để di chuyển các loại vật liệu đơn chiếc và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cấu kiện nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thuỷ điện thì dùng để vận chuyển nhiên liệu; Trên các kho, bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bao kiện, vật liệu hạt, hoặc một số sản phẩm khác; trong một số ngành công nghiệp nhẹ , công nghiệp thực phẩm, hoá chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không sử dụng được.

Băng tải có ưu điểm: Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp nằm ngang và nghiêng. Vốn đầu tư không lớn lắm có thể tự động được, vận hành đơn giản,bảo dưỡng dễ dàng, làm việc không ồn ảo, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm.

Tuy vậy phạm vi sử dụng của băng tải bị hạn chế vì chúng có độ dốc cho phép không cao (16-200, tuỳ theo tính chất vận chuyển) không đi theo đường cong được.

Cấu tạo chung của băng tải:

1. Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật2. Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo3. Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo.4. Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ…) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu

tố làm việc.

β

3

LL1 L

2

1 2

45 H

269


5. Bộ phận đổi hướng cho bộ phận kéo.Các thông số chủ yếu của máy chủ yếu là:

- Năng suất.- Vận tốc di chuyển- Chiều dài và chiều cao vận chuyển

Năng suất máy:Phân biệt năng suất thể tích , năng suất trọng lượng và năng suất tính theo

cái trên giờ.- Năng suất thể tích- Vm3/h thể tích vật liệu được di chuyển đi trong 1 đơn

vị thời gian.- Năng suất trọng lượng- At/h trọng lượng vật liệu được di chuyển đi trong

một đơn vị thời gian.

II. Chọn loại băng tải

Khi thiết kế hệ thống vận chuyển cho FMS người ta có thể chọn một trong bốn loại băng tải sau đây:

Băng tải đai:

Băng tải con lăn:

Băng tải lá:Băng tải thanh đẩy:

270


Tuy nhiên, khi chọn loại băng tải cần chú ý đến trạng thái và mục đích sử dụng của nó theo bảng sau:

Loại băng tải Tải trọng(KG)

Phạm vi ứng dụng

Băng đai ≤50 Dùng để vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp

Băng tải lá 25÷125 Dùng để chuyển từng chi tiết và từng chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp

Băng tải thanh đẩy

50÷250 Dùng để vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách ≥50m

Băng tải con lăn 30÷500 Dùng để vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên công trên khoảng cách ≤50m

Các loại băng tải đai, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận chuyển, kết cấu đơn giản, rẻ tiền và chúng được chế tạo hàng loạt cho các hệ thống FMS.

Khi thành lập hệ thống FMS, một trong những vấn đề khó khăn cần phải quan tâm đó là vận chuyển châts thải, trước hết là phoi gia công.

Để vận chuyển phoi gia công người ta sử dụng các loại băng tải như: băng tải dạng cào, băng tải lá, băng tải lá-đũa và băng tải xoắn vít.

1. Băng tải dạng cào.Băng tải dạng cào được dùng để thu dọn phoi vụn. Năng suất của băng tải loại này có thể đạt 1,5 tấn/ giờ và tốc độ chuyển động là 0.2m/s. Chiều dài của băng tải không bị hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN.2. Băng tải lá và băng tải lá-đũa.Các loại băng tải này được chế tạo từ những cơ cấu tiêu chuẩn và được dùng làm thiết bị vận chuyển chính để tải phoi. Tuỳ thuộc vào tốc độ chuyển động và góc nâng mà năng suất tính toán của băng tải dao động trong khoảng từ 3.1 đến 47 tấn/ giờ.3. Băng tải xoắn vít

Băng tải xoắn vít có hai kiểu cấu tạo: băng tải một guồng xoắn và băng tải hai guồng xoắn. Ở băng tải có hai guồng xoắn, có hai guồng xoắn đặt song song với nhau, một có chiều xoắn phải, một có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các guồng xoắn được thực hiện nhờ một tốc độ phân phối chuyển động. Cả hai loại băng tải guồng xoắn vít(một guồng xoắn và hai guồng xoắn) đều được đặt dưới máng (rãnh) bằng thép hoặc bằng ximăng.

Băng tải một guồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn. Năng suất băng tải loại này đạt 4tấn/giờ với chiều dài 80m. Băng tải hai guồng xoắn

271


được dùng để thu dọn phoi vụn và phoi xoắn với năng suất đạt 7 tấn/giờ trên chiều dài 100m.

Ngoài các loại băng tải dùng để vận chuyển chi tiết và phoi trên đây, trong hệ thống FMS người ta còn sử dụng loại băng tải treo chạy một đường ray. Loại băng tải này có thể làm việc trong phạm vi phân xưởng hoặc giữa một phân xưởng. Ưu điểm của loại băng tải này kinh tế, giảm diện tích sản xuất, có khả năng tự động dừng theo địa chỉ (theo vị trí), độ ồn giảm, khối lượng nhỏ và sử dụng đơn giản.

Do trong điều kiện sản xuất băng tải cho mô hình thí nghiệm có kích thước nhỏ, và tải không lớn. Trong quá trình hoạt động băng tải chỉ làm nhiệm vụ vận chuyển phôi đến tay rô bốt không đòi hỏi việc thu dọn phoi…Từ lý do đó có 2 phương án lựa chọn cho nhóm là băng tải đai và băng tải xích.Hai phương án được đưa ra để cân nhắcBăng tải xích:

Băng tải đai:

Do yêu cầu của băng tải trong đồ án này là phải di chuyển hai chiều, suất phát từ yêu cầu đó nhóm đã quyết định chọn băng tải xích với những lý do sau:

- Tải trọng của băng tải không cần lớn- Dễ chế tạo, dễ thiết kế

272


- Giá thành rẻ(đai chuyên dụng đắt tiền và gia công giá thành cao)- Vật liệu dễ kiếm- Căng xích sẽ dễ dàng hơn trong khâu lắp ráp so với đai- Cơ cấu đảo chiều đơn giản với một động cơ và một cặp bánh răng

III.Chọn cơ cấu dẫn động

Trong băng tải của nhóm có sử dụng các bộ phận dẫn động sau:- Động cơ điện- Xi lanh khí- Cặp bánh răng thẳng- Hộp giảm tốc

3.1 Lựa chọn loại động cơ điện.

Có 3 loại động cơ điện được đưa ra để lựa chọn đó là:+ Động cơ bước

Lợi ích sử dụng động cơ bước:- Không chổi than: Không xảy ra hiện tượng đánh lửa chổi than làm tổn hao

năng lượng, tại một số môi trường đặc biệt (hầm lò...) có thể gây nguy hiểm.- Tạo được mômen giữ: Một vấn đề khó trong điều khiển là điều khiển

động cơ ở tốc độ thấp mà vẫn giữ được mômen tải lớn. Động cơ bước là thiết bị làm việc tốt trong vùng tốc độ nhỏ. Nó có thể giữ được mômen thậm chí cả vị trí nhừ vào tác dụng hãm lại của từ trường rotor.

- Điều khiển vị trí theo vòng hở: Một lợi thế rất lớn của động cơ bước là ta có thể điều chỉnh vị trí quay của roto theo ý muốn mà không cần đến phản hồi vị trí như các động cơ khác, không phải dùng đến encoder hay máy phát tốc (khác với servo).

- Độc lập với tải: Với các loại động cơ khác, đặc tính của tải rất ảnh hưởng tới chất lượng điều khiển. Với động cơ bước, tốc độ quay của rotor không phụ thuộc vào tải (khi vẫn nằm trong vùng momen có thể kéo được). Khi momen tải quá lớn gây ra hiện tượng trượt, do đó không thể kiểm soát được góc quay.

273


+ Động cơ servo

+Động cơ một chiều

Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là - Chỉ cần cung cấp phôi cho tay máy rôbot- Băng tải chạy liên tục, có các cơ cấu chặn- Không đòi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ- Dễ điều khiển, giá thành rẻ Với tất cả các lý do trên nên nhóm đã quyết định chọn động cơ điện một

chiều làm động cơ dẫn động cho băng tải xích.

3.2. Lựa chọn cặp bánh răng truyền động.

Với tải trọng nhỏ và yêu cầu là đảo chiều chuyển động của pallet nên bánh răng được chọn là loại bánh răng thẳng. Cặp bánh răng có cùng kích thước và số răng.

Vật liệu là thép 45.

3.3. Hệ thống điều khiển khí nén.

a) Van điều khiển dòng khíVan dùng để điều khiển dòng khí là van vận hành bằng solenoid. Van này

có thể sử dụng để điều khiển hướng lưu thông của khí nén và cũng được sử dụng để vận hành chuyển động của pittông trong xi lanh

274


B

P

A

T

Chat khí vào

Chat khí ra

Lò xo

Van

Piston trong xilanh

Solenoid

Hình: Van vận hành bằng solenoid.

Khí nén được nạp vào cổng P, cổng này nối với nguồn áp từ máy nén. Cổng T là cửa xả. Khi không có dong điện chạy qua solenoid. Khí nén được nạp vào cổng P qua cổng B vào xilanh đẩy pittông chạy từ trái sang phải. Khi có dòng điện chạy qua solenoid cuộn hút sẽ kéo thanh đẩy sang phải, khi đó khí nén chạy từ cửa nạp P vào cửa A và xả từ cửa B ra cửa T làm cho pittông chuyển động từ phải sang trái.

Các van điều khiển hướng được chuyên biệt theo số cổng và số vị trí điều khiển. Van nói trên có bốn cổng: A, B, P, T và 2 vị trí điều khiển. Vì vậy, van này được gọi là van 4/2. Loại van này có lò xo để cung cấp một vị trí và solenoid cung cấp vị trí khác. Kí hiệu là:

A B A B

P T P Tb) Hệ thống khí nén trong băng tải

V? trí 1 V? trí 2 V? trí 2V? trí 1 V? trí 1 V? trí 2 V? trí 2V? trí 1

Đi?u khi?n xi lanh 1 Đi?u khi?n xi lanh 2 Đi?u khi?n xi lanh 3 Đi?u khi?n xi lanh 4

275


c) Các loại xi lanh dùng trong hệ thống băng tải- Xi lanh to(2 chiếc)

- Xi lanh nhỏ(2 chiếc) ACP P16 S60

IV. Thiết kế băng tải

4.1. Giới thiệu sơ lược cấu tạo của băng tải.

Băng tải gồm có:- Bàn đỡ- Bốn làn xích với 4 xíchlíp gắn với 4 trục- Cơ cấu bánh răng để truyền chuyển động ngược chiều.- Cơ cấu gạt (2 chiếc) gắn với 2 xi lanh để làm nhiệm vụ đẩy pallet đổi xích- Các cữ chặn (điều khiển bởi các công tắc hành trình)- Pallet để chở phôi.

)a Hoạt động chung của băng tảiPallet1 chạy đến hết một nửa hành trình đến cuối băng tải thì sẽ được cơ

cấu gạt đẩy sang làn xích ngược chiều. Pallet1 tiếp tục chạy cho tới khi gặp trạm thứ nhất. Lúc này rôbot sẽ gắp phôi vào gia công trên máy cnc. Sau đó pallet1 chạy tiếp qua trạm 2, pallet 2 chạy sau sẽ dừng lại ở trạm 2. Rôbốt tới gắp và đem vào máy cnc gia công.

)b Thiết kế kích thước tổng quan của băng tải và các chi tiết gia côngVề kích thước băng tải:

276


Từ kích thước của phôi là 45mm đồng thời kết hợp với kích thứoc của máy cnc, kích thước của robôt và không gian hoạt động của robôt thì diện tích của băng tải:

Thiết kế bàn đỡ với kích thước:

Thiết kế các trục dùng trong băng tảiDo yêu cầu về kết cấu công nghệ trong gia công mà các trục gia công đều

được chế tạo làm hai phần.Phần trục và phần vai trục

Bản vẽ của vai trục (được ghép với tất cả các trục có trong băng tải)

277


Vai trục này được làm bằng thép 45 được gia công trên máy tiện 1K62. Lỗ tâm để lắp trục được khoan trên máy tiện để đảm bảo độ đồng tâm. Các lỗ Ф5 thì được khoan trên máy khoan, vị trí được xác định bằng dấu

Sau đó tiến hành taro lỗ ren Ф5 và Ф4

Trục 1, Trục2

278


Trục này được gia công trên máy tiện loại nhỏ. Gia công từ phôi Ф8. Ta tiến hành hạ bậc 2 đầu trục xuống còn Ф6. 2 đấu trục này sẽ được lắp vào ổ bi nên yêu cầu là gia công Ф6 có dung sai trên, để đảm bảo khi lắp với ổ bi là lắp chặt

Trên trục tiến hành vát một đoạn nhỏ để sau này khi lắp với vai trục sẽ dùng trí để cố định giữa trục và vai trục

Trục 1và trục 2 sau khi lắp với vai trục

Bản thiết kế Trục 3

Việc gia công trục 3 cũng được thực hiện trên máy tiện nhỏ. 2 Đầu cũng được hạ bậc thành Ф6. 2 Đầu này một đầu sẽ được lắp chặt với ổ bi 6 và một đầu sẽ lắp với bạc đóng bánh răng

279


Bản vẽ trục 3 sau khi lắp với vai và bánh xích líp

Bản thiết kế trục 4(trục nối với động cơ)

Trục 4 cũng được gia công trên máy tiện nhỏ, từ phôi Ф8 ta hạ bậc 2 đầu xuống còn Ф6. Một đầu Ф6 ngắn hơn sẽ được nối với ổ bi, đầu còn lại vừa nối với ổ bi vừa nối với trục động cơ. Ta đều lựa chọn gia công Ф6 với dung sai có độ dôi.

280


Bản vẽ trục 4 lắp ráp với vai trục và bánh xích líp

Bản thiết kế bạc đóng bánh răng

Gia công chi tiết này trên máy tiện, thực hiện khoan lỗ Ф6 trên máy tiện và khoan Ф4 trên máy khoan

281


4.2 Gia công cơ chi tiết pallet.

Phôi ban đầu có kích thước:

4.2.1. Phân tích chức năng và điều kiện làm việc của chi tiết

Pallet là chi tiết di chuyển trên băng tải mang theo phôi. đến các trạm định vị. Pallet là một chi tiêt dạng hộp. Điều kiện làm việc của pallet là trong môi trường bình thường không chịu tải trọng lớn hay môi trường làm việc khắc nghiệt.

Bề mặt làm việc của pallet là mặt phẳng dưới tiếp xúc với xích và bề mặt tròn để chứa phôi

Vật liệu là nhôm

282


4.2.2. Phân tích tính công nghệ trong kết cấu của chi tiết

- Các bề mặt cần gia công cho phép thoát dao dễ dàng.- Có lỗ nông với Ølớn, gia công dễ dàng bằng máy tiện.- Chi tiết có đủ độ cứng vững để khi gia công, tuy nhiên vì là vật liệu là nhôm nên khi gia công cần chọn tốc độ máy phù hợp để tránh hiện tượng biến dạng phôi và dính phoi

4.2.3. Xác định dạng sản xuất

Dạng sản xuất là đơn chiếc.

4.2.4. Xác định phương pháp chế tạo phôi

Phôi được chế tạo bằng cách dùng máy phay và tiện để tạo biên dạng đúng như yêu cầu từ phôi

4.2.5. Xác định thứ tự các nguyên công

a) Xác định đường lối công nghệDo đây là sản xuất đơn chiếc nên ta dùng phương pháp gia công nhiều vị

trí. Dùng máy phay vạn năng và máy tiện, với đồ gá vạn năng.b) Xác định phương pháp gia công

Do yêu cầu các mặt gia công không cao, bề mặt làm việc cũng không đòi hỏi độ nhẵn bóng nên ta chọn cấp chính xác 3(cho các bề mặt phay) cho tất cả các mặt gia công. Tương ứng với cấp độ bóng là 5. Ta có dung sai là 0.1mm cho các kích thước gia công trên máy phay, máy tiện.c) Trình tự gia côngChọn chuẩn

Chuẩn tinh: Mặt AChuẩn thô: Mặt B

Thứ tự nguyên côngNguyên công 1:

Phay 2 mặt bên để chiều dầy đạt kích thước 25+0.1mm( từ kích thước 30mm)Thực hiện trên máy phay 6M12H, được định vị và kẹp chặt bằng êto(1).

Định vị 5 bậc tự do, đó là quay quanh x, y, z và tịnh tiến theo phương z, x. Bước 1

Phay một mặt đi một lượng là 2,5 mmQua hai lần phay tinh và phay thôPhay thô đi 2mm với chế độ cắt: s=2mm ,với vận tốc là: v=125 vòng/phút Phay tinh đi 0.5 mm với chế độ cắt s=0.5mm với vận tốc là: v=200

vòng/phút.

283


(1)

Bước 2Tháo êto và quay ngược chi tiết lại và kẹp chặt bằng êtô (2).Định vị 5 bậc

tự do, đó là quay quanh x, y, z và tịnh tiến theo phương z, x. Phay một mặt đi một lượng là 2,5 mmQua hai lần phay tinh và phay thôPhay thô đi 2mm với chế độ cắt: s=2mm ,với vận tốc là: v=125 vòng/phút Phay tinh đi 0.5 mm với chế độ cắt s=0.5mm với vận tốc là: v=200

vòng/phút. Sau lần phay này thì chi tiết đạt kích thước 25+0.1mm

(2)

284


Nguyên công 2: Phay hình chữ nhật đạt kích thước 50x70mmBước 1. Dùng dao phay mặt đầu để phay đi một lượng là 2.5mm ở cạnh 75mm

Nguyên công phay này được thực hiện trên máy phay:6M12H. được định vị và kẹp chặt bằng êto(1). Định vị 5 bậc tự do, đó là quay quanh x, y, z và tịnh tiến theo phương z, x. (3)

Khi phay thô lượng chạy dao là: 2mm với vận tốc là: 125 vòng/phút Sau đó lần phay tinh cuối cùng chọn s=0.5mm với vận tốc là v=200 v/phút

(3)Bước 2. Tháo chi tiết và quay đi 900 .Dùng dao phay mặt đầu để phay đi một lượng là 2.5mm ở cạnh 55mm để đạt kích thước 52.5

Nguyên công phay này được thực hiện trên máy phay:6M12H. được định vị và kẹp chặt bằng êto(1). Định vị 5 bậc tự do, đó là quay quanh x, y, z và tịnh tiến theo phương z, x. (4)

Khi phay thô lượng chạy dao là: 2mm với vận tốc là:125 vòng/phút Sau đó lần phay tinh cuối cùng chọn s=0.5mm với vận tốc là v=200 v/phút

285


(4)Bước 3. Tháo chi tiết và quay đi 900 .Dùng dao phay mặt đầu để phay đi một lượng là 2.5mm ở cạnh 72.5mm để đạt kích thước 70mm

Nguyên công phay này được thực hiện trên máy phay:6M12H. được định vị và kẹp chặt bằng êto(5). Định vị 5 bậc tự do, đó là quay quanh x, y, z và tịnh tiến theo phương z, x. Khi phay thô lượng chạy dao là: 2mm với vận tốc là:125 vòng/phút .

Sau đó lần phay tinh cuối cùng chọn s=0.5mm với vận tốc là v=200 v/phút

(5)

Bước 4. . Tháo chi tiết và quay đi 900 .Dùng dao phay mặt đầu để phay đi một lượng là 2.5mm ở cạnh 52.5mm để đạt kích thước 50+0.1mm

Nguyên công phay này được thực hiện trên máy phay:6M12H. được định vị và kẹp chặt bằng êto(6). Định vị 5 bậc tự do, đó là quay quanh x, y, z và tịnh tiến

286


theo phương z, x. Khi phay thô lượng chạy dao là: 2mm với vận tốc là:125 vòng/phút .

Sau đó lần phay tinh cuối cùng chọn s=0.5mm với vận tốc là v=200 v/phút

(6)

Sau nguyên công thứ 2 này thì chi tiết có kích thước như sau

Nguyên công 3: Phay 2 rãnh bằng dao phay ngónTrong nguyên công này ta vẫn dùng eto để định vị 5 bậc tự do, đó là quay

quanh x, y, z và tịnh tiến theo phương z, x. Ta thay dao phay ngón để tiến hành gia công 2 rãnh trên một lần gá đặt.

Lựa chọn chế độ cắt Phay được thực hiện trên máy 6M12H.Phay thô lượng chạy dao s=4mm (3 lần) với tốc độ cắt v=125 vòng/phútPhay thô lần cuối với s=3.5 mm với tốc độ cắt v=125 vòng/phútPhay tinh với s=0.5mm với tốc độ cắt v=200vòng/phútSơ đồ định vị như hình vẽ (7)

287


(7)

Nguyên công 4: Tiện lỗ 1.045+φ với chiều sâu là 5mm Và vát mépNguyên công này được thực hiện trên máy tiện T616, dùng mâm cặp 4 chấu

định vị và kẹp chặt, kết hợp với rà gá đã hạn chế 5 bậc tự do.

Sản phẩm cuối cùng có hình dáng

288


B – ĐIỀU KHIỂN BĂNG TẢI.

Điều khiển hoạt động của băng tải có thể bằng vi điều khiển hoặc PLC

Điều khiển hoạt động của băng tài bằng PLC

I.Lý do dùng PLC

Trong thời đại công nghiệp hóa, hiện đại hóa nhu cầu về một bộ điều khiển

dễ sử dụng, linh hoạt và có giá thành thấp đã thúc đẩy sự phát triển các hệ thống

điều khiển lập trình – một hệ thống sử dụng CPU và bộ nhớ để điều khiển máy

móc hay các qúa trình hoạt động. Trong hoàn cảnh đó, bộ điều khiển lập trình

được thiết kế nhằm thay thế phương pháp truyền thống dùng rơle và thiết bị rời

cồng kềnh, và bộ điều khiển đã tạo ra một khả năng điều khiển thiết bị dễ dàng và

linh hoạt dựa trên việc lập trình các lệnh logic cơ bản. Ngoài ra PLC còn có thể

thực hiện những tác vụ khác như: định thời, đếm,…làm tăng khả năng điều khiển

cho những hoat động phức tạp, cả với loại PLC nhỏ nhất..

Cách hoạt động của PLC là kiểm tra tất cả trạng thái tín hiệu ở ngõ vào được

đưa về từ qúa trình điều khiển, thực hiện logic được lập trong chương trình và kích

ra tín hiệu điều khiển cho thiết bị bên ngoài tương ứng. ới các mạch giao tiếp

chuẩn ở khối vào và khối ra của PLC cho phép nó kết nối trực tiếp đến những cơ

cấu tác động có công suất nhỏ ở ngõ ra và những mạch chuyển đổi tín hiệu ở ngõ

vào mà không cần có mạch giao tiếp hay rơle trung gian. Tuy nhiên cần phải có

mạch điện tử công suất trung gian khi PLC điều khiển các thiết bị có công suất lớn

Việc sử dụng PLC cho phép chúng ta hiệu chỉnh hệ thống điều khiển mà

không cần có sự thay đổi nào về mặt kết nối cứng, chỉ có sự thay đổi về chương

trình điều khiển trong bộ nhớ thông qua thiết bị lập trình chuyên dùng

Hơn nữa chúng còn có ưu điểm là thời gian lắp đặt và đưa vào hoạt động

nhanh hơn so với những hệ thống điều khiển truyền thống mà đòi hỏi cần phải

thực hiện việc nối dây phức tạp giữa các thiết bị rời.Về phần cứng PLC tương tự

289


như máy tính truyền thống, và chúng có các đặc điểm thích hợp cho mục đích điều

khiển trong công nghiêp.

- Có khả năng khử nhiễu tốt

- Kết cấu chắc chắn do đó nâng cao độ tin cậy đồng thời kết cấu nhỏ gọn

giảm bớt không gian yêu cầu.

- Dựa vào nền vi xử lí giúp nâng cao khả năng giao tiếp, khả năng đa nhiệm

- Cấu trúc dạng môđun cho phép dễ dàng thay thế, tăng khả năng bằng việc

nối thêm môđun mở rộng vào ra và có thêm các môđun chức năng chuyên dùng.

Các trạm vào ra từ xa giúp tiết kiệm dây và ống dẫn

- Việc kết nối dây và mức điện áp tín hiệu ở ngõ vào và ngõ ra được chuẩn

hóa

- Hiển thị chuẩn đoán làm cho việc chuẩn đoán dễ dàng hơn, giảm thời gian khắc phục sự cố.

- Ngôn ngữ lập trình dễ hiểu và dễ sử dụng (ladder, instruction và function chart).- Thay đổi chương trình điều khiển dễ dàngKiến trúc của PLC có dạng module và linh hoạt cho phép các yếu tố phần

mềm , phần cứng mở rộng khi các yêu cầu ứng dụng thay đổi.Khi mà ứng dụng

vượt quá giới hạn của phần cứng PLC thì bộ PLC cũ có thể thay thế đơn giản với

PLC mới có bộ nhớ và dung lượng vào ra lớn hơn trong khi phần cứng cũ có thể

tái sử dụng cho các ứng dụng nhỏ hơn. Một hệ thống PLC mang lại nhiều lợi ích

với giải pháp điều khiển từ độ tin cậy đến khả năng lặp lại chương trình

Liệt kê một số lợi ích mà PLC mang lại :

- Nhờ kết cấu chắc chắn nên độ tin cậy được nâng cao- Bộ nhớ lập trình được do đó thay đổi đơn giản cũng như điều khiển linh

hoạt- Kích thước nhỏ gọn nên không gian yêu cầu giảm bớt- Dựa vào nền vi xử lí giúp nâng cao khả năng giao tiếp, khả năng đa nhiệm - Bộ đếm và bộ định thời bằng phần mềm giúp giảm bớt phần cứng, thay đổi

giá trị đặt trước dễ dàng.- Role điều khiển bằng phần mềm làm cho giá thành dây dẫn, phần cứng

giảm đồng thời giảm yêu cầu không gian.- Tổ chức theo kiểu module cho phép cài đặt linh hoạt, dễ dàng,giảm giá trị

phần cứng và có khả năng mở rộng .

290


- Hạn chế được các tùy biến điều khiển, có khả năng điều khiển được nhiều thiết bị hơn nhờ giao diện vào ra đa dạng

- Các trạm vào ra từ xa giúp tiết kiệm được dây và ống dẫn - Hiển thị chuẩn đoán làm cho khả năng chuẩn đoán lỗi dễ dàng hơn do vậy

giảm thời gian khắc phục sự cố- Giao diện vào ra module làm cho panel điều khiển gọn gàng, dễ đi dây, dễ

bảo dưỡng.- Ngắt vào/ra nhanh chóng mà không làm xáo trộn đến dây dẫn. - Các biến hệ thống được lưu trong bộ nhớ dữ liệu thuận lợi cho việc quản lí,

tạo báo cáo.II. Tổng quan về PLC.

2.1. Giới thiệu chung về các bộ PLC.

Ngày nay, khi nói đến khái niệm tự động hoá phần lớn mọi người sẽ nghĩ về một hệ thống được điều khiển bằng máy tính, tuy nhiên trong các ngành công nghiệp hiện đại thì các bộ lập trình logic PLC ngày càng được sử dụng rộng rãi như một thiết bị điều khiển nhỏ gọn và hiệu quả. PLC là cụm từ viết tắt tiếng Anh (Programmable Logic Controller) tức là bộ điều khiển logic có khả năng lập trình được, hay bộ điều khiển logic khả trình. Bộ điều khiển này thực hiện các chức năng Logic tương tự như 1 panel trễ hay một hệ thống điều khiển logic ở trạng thái cứng.

PLC được phát triển dựa trên cơ sở kỹ thuật Vi Xử Lý, hay nói một cách khác sự phát triển cao của kỹ thuật máy tính là nền tảng cho PLC ra đời. Nó cho phép ta thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua một ngôn ngữ lập trình, thay cho việc phải thể hiện thuật toán đó bằng mạch số. Ngày nay trong công nghiệp PLC (còn được gọi là các máy tính công nghiệp) ngày càng được sử dụng rộng rãi nhờ tính linh hoạt của một bộ điều khiển số nhỏ gọn, dễ thay đổi thuật toán và đặc biệt dễ trao đổi thông tin với môi trường xung quanh, như với các PLC khác, với các thiết bị phụ trợ trong hệ thống và với máy tính.

Các chức năng điều khiển của PLC có thể được phân loại thành 4 dạng sau:1. Điều khiển on-off (on-off control)2. Điều khiển dãy (sequential control)3. Điều khiển phản hồi (feedback control)4. Điều khiển sự chuyển động (motion control)

2.2. Các bộ PLC thường gặp.

Sau đây là một số các bộ PLC thường gặp sử dụng rộng rãi trong công nghiệp:

- Bộ PLC ALLEN-BRADLEY SLC500 của hãng AMATROL Mỹ.- Họ các bộ PLC Simatic S5, Simatic S7 của hãng Siemens, cộng hoà liên

bang Đức.- Các họ PLC Series 90 TM của hãng Fanme, Nhật Bản.

291


- Các họ PLC CQM1, CPM1, CPM1A và SRM1 của hãng OMRON, Nhật Bản.

2.3. Chức năng của các bộ PLC.

Các bộ PLC cung cấp hệ điều khiển thích hợp cho các máy móc và các ứng dụng trong công nghiệp, chỉ với một máy tính để lập trình cho PLC, thay vì phải sử dụng các thiết bị phần cứng cồng kềnh như: các cuộn Rơle và các công tắc điện. Các bộ PLC có thể điều khiển thích hợp với bất kỳ loại máy móc hay hệ thống công nghiệp nào như là:

- Các Robot.- Điều khiển môi trường trong các công trình xây dựng.- Các dây chuyền lắp ráp.- Các hệ thống an toàn.- Các dây truyền tự động.Về cơ bản, chức năng của bộ điều khiển Lôgic khả lập trình cũng giống như

chức năng của bộ điều khiển thiết kế trên cơ sở các Rơle hoặc các thành phần điện tử khác nhưng ở PLC mang tính nhỏ gọn và linh hoạt hơn trong việc thay đổi các ứng dụng điều khiển mà không phải thay đổi phần cứng điều khiển:

(1) Thu nhận các tín hiệu đầu vào và phản hồi (từ các cảm biến, các công tắc hành trình).

(2) Liên kết, ghép nối lại và đóng mở mạch phù hợp với chương trình.(3) Tính toán và soạn thảo các lệnh điều khiển trên cơ sở so sánh các

thông tin thu được từ các đầu vào.(4) Đưa các lệnh điều khiển đó đến các địa chỉ thích hợp ở đầu ra.Riêng đối với máy công cụ và người máy công nghiệp thì bộ PLC có thể

liên kết với bộ điều khiển số NC hoặc CNC hình thành nên các bộ điều khiển thích nghi. Nó chỉ cho phép chuyển lệnh từ bộ NC sang máy nếu cả người thao tác và máy hoặc sản phẩm không ở trạng thái nguy hiểm. Trong hệ thống trung tâm gia công, mọi quy trình công nghệ đều được bộ PLC điều khiển tập trung2.4. Các bộ phận cơ bản của PLC.

Mỗi môđun được cắm lên đáy hộp nhờ các giắc cắm và qua các giắc cắm nối với luồng liên lạc nội bộ. Luồng này cũng có thể đưa tín hiệu ra ngoài. Có hai cách nối nối với ngoài:

- Nối trực tiếp bằng dây dẫn.- Qua các mối liên lạc nối tiếp hoặc song song có giắc cắm.Số lượng môđun vào ra có thể thay đổi nhiều hay ít tuỳ theo nhu cầu điều

khiển nhưng không thể vượt quá khả năng của bộ nhớ. Nếu cần có thể tăng thêm bộ nhớ phụ.

292


Trung t©m Xö lý

Nguån

M«®unNguån

Bé nhí

M«®un phèi ghÐp

vµo ra

M«®un vµo

M«®un ra

Luång liªn l¹c néi bé

Hình 3.1.2.Sơ đồ về sự liên lạc giữa các môđun:2.5. Sự hoạt động của PLC theo vòng quét chương trình.

Hoạt động của một bộ PLC có thể được mô tả tóm tắt như sau: PLC tiến hành hoạt động bằng cách kiểm tra trạng thái các đầu vào của nó và so sánh chúng với logic chương trình. Các đầu ra sau đó được kích hoạt on hay off tuỳ thuộc vào logic các dòng lệnh trong chương trình của PLC. PLC không quan tâm đến việc thiết bị nào được nối với các môđun vào ra của nó mà chỉ kiểm tra xem trạng thái của các đầu vào là on hay off và thực hiện kích hoạt các đầu ra theo chương trình của nó. Điều này làm cho PLC trở thành một bộ điều khiển lí tưởng cho mọi thiết bị công nghiệp.

PLC thực hiện chương trình theo chu trình lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (scan) (Hình 7). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng giai đoạn chuyền dữ liệu từ các cổng vào số tới vùng đệm ảo I, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét, chương trình được thực hiện từ lệnh đầu tiên đến lệnh kết thúc của khối OB1 (Block End). Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo Q tới các cổng ra số. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn truyền thông nội bộ và kiểm tra lỗi.

Chú ý rằng bộ đệm I và Q không liên quan tới các cổng vào/ra tương tự nên các lệnh truy nhập cổng tương tự được thực hiện trực tiếp với cổng vật lý chứ không thông qua bộ đệm

Thời gian cần thiết để PLC thực hiện một vòng quét gọi là thời gian vòng quét (Scan time). Thời gian vòng quét không cố định, tức là không phải vòng quét nào cũng được thực hiện trong một khoảng thời gian như nhau. Có vòng quét thực

293

TruyÒn th«ng vµkiÓm tra néi bé

ChuyÒn d÷ liÖutõ Q tíi cæng ra

ChuyÒn d liÖu tõ cæng vµo tíi I

Thùc hiÖnCh¬ng tr×nh

VßngQuÐt


hiện lâu, có vòng quét thực hiện nhanh tuỳ thuộc vào số lệnh trong chương trình được thực hiện, vào khối lượng dữ liệu truyền thông... trong vòng quét đó

Như vậy giữa việc đọc dữ liệu từ đối tượng để xử lý, tính toán và việc gửi tín hiệu điều khiển tới đối tượng có một khoảng thời gian trễ đúng bằng thời gian vòng quét. Nói cách khác, thời gian vòng quét quyết định tính thời gian thực của chương trình điều khiển trong PLC. Thời gian vòng quét càng ngắn, tính thời gian thực của chương trình càng cao

Hình3.1.3.Vòng quét của PLC

PLC thực hiện vòng quét. Nếu sử dụng các khối chương trình dặc biệt có chế độ ngắt, ví dụ như khối OB40, OB80..., chương trình của các khối đó sẽ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt cùng chủng loại. Các khối chương trình này có thể thực hiện tại mọi điểm trong vòng quét chứ không bị gò ép là phải ở trong giai đoạn thực hiện chương trình. Chẳng hạn nếu một tín hiệu báo ngắt xuất hiện khi PLC đang ở giai đoạn truyền thông và kiểm tra nội bộ, PLC sẽ tạm dừng công việc truyền thông, kiểm tra, để thực hiện khối chương trình tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó. Với hình thức xử lí tín hiệu ngắt như vậy, thời gian vòng quét sẽ càng lớn khi càng có nhiều tín hiệu ngắt xuất hiện trong vòng

294


quét. Do đó, để nâng cao tính thời gian thực cho chương trình điều khiển, tuyệt đối không nên viết chương trình xử lí ngắt quá dài hoặc quá lạm dụng việc sử dụng chế độ ngắt trong chương trình điều khiển

Tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra mà chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 3 do hệ điều hành CPU quản lý. Ở một số module CPU, khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức, hệ thống sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh trực tiếp tới cổng vào/ra

III. Kĩ thuật lập trình điều khiển PLC.

3.1. Khái niệm về lập trình PLC.

Nhiều kỹ sư máy và kỹ sư điện điều khiển khi đối diện với điều khiển Logic cho rằng PLC có thể dễ dàng lập trình với phương pháp biểu đồ hình thang (Ladder conage for a logic line).

Cần hiểu rằng biểu đồ hình thang không phải là một phương pháp thiết kế mạch. Đó là lí do nhiều nhà lập trình không chuyên gặp phải nhiều vướng mắc thất bại. Một số người đã bỏ cuộc khi thấy lập trình của mình không làm việc được.

Cũng tương tự như một người học thiết kế mạch, lập trình viên phải học thiết kế mạch logic hình thang PLC.

Hình 3.2.1: Ví dụ về một chương trình PLC theo hình thang

Do đó điều quan trọng và cần thiết cho một người lập trình PLC là phải có kiến thức và hiểu biết cơ bản về những khái niệm thiết kế mạch, chuỗi kết hợp. Lôgic điều khiển trong PLC có 5 khái niệm cơ bản:

“NOT” (Phủ định).“YES” (Nhận dạng).“AND” (Nối).“OR” (Ngắt mạch).

295


“INHIBITION” (Sự ức chế).Những khái niệm khác gồm: Trễ, đếm, thay đổi vị trí, nối dây, chức năng

nhớ v.v...

Các loại ngôn ngữ lập trình cho PLC.

Các loại PLC nói chung thường có nhiều ngôn ngữ lập trình nhằm phục vụ các ứng dụng khác nhau. Có 3 ngôn ngữ lập trình chính đó là:

- Ngôn ngữ “liệt kê lệnh”, ký hiệu là STL (Statement List). Đây là dạng ngôn ngữ lập trình thông thường của máy tính. Một chương trình được ghép bởi nhiều câu lệnh theo một thuật toán nhất định, mỗi lệnh chiếm một hàng và đều có cấu trúc chung “tên lệnh + toán hạng” .

- Ngôn ngữ “hình thang”, ký hiệu là LAD (Ladder logic). Đây là dạng ngôn ngữ đồ hoạ thích hợp với những người quen thiết kế mạch điều khiển logic.

- Ngôn ngữ “hình khối”, ký hiệu là FBD (Function Block Diagram). Đây cũng là kiểu ngôn ngữ đồ hoạ dành cho người có thói quen thiết kế mạch điều khiển số.

296


Ladder Diagram LAD Statement List STL Function Block Diagram FBD

0

I:1 I:1

2

2

I:2I:2

0

0

O:3A I 0.0A I 0.1OA I 0.2A I 0.3= Q 4.1

I 0.0

I 0.1

I 0.2

I 0.3

&

&1Q 4.1

Hình 3.2.2: Ba kiểu ngôn ngữ lập trình cho PLC

Một chương trình viết trên LAD hoặc FBD có thể chuyển sang được dạng STL, nhưng ngược lại thì không. Trong STL có nhiều lệnh không có trong LAD hay FBD. Rất nhiều phần mềm lập trình cho PLC cho phép người lập trình chuyển từ chương trình viết theo dạng LAD hoặc FBD sang chương trình dạng STL.

Trong phạm vi đồ án này ta chỉ đề cập đến phương pháp lập trình theo giản đồ logic hình thang, sử dụng phần mềm RSLogix500 để lập trình và giới thiệu một số cấu trúc lệnh thường sử dụng để lập trình các ứng dụng thông thường.

Các bước tiến hành lập một chương trình PLC.

Đối với các ứng dụng PLC phức tạp, một điều quan trọng để thiết kế một chương trình PLC là tuân theo một tiến trình lập trình có cấu trúc với các bước rõ ràng và tuần tự. Điều này sẽ làm cho công việc lập trình trở nên đơn giản và nhanh hơn cũng như giúp ta tránh được những sai sót không đáng có. Sau đây là một tiến trình gồm 7 bước để thiết kế một chương trình PLC:

1) Thiết lập sơ lược dãy các bước hoạt động: Dãy các bước hoạt động ở đây là một danh sách các hoạt động đầu ra diễn ra đối với mỗi bước và các hoạt động đầu vào như là điều kiện để thực hiện các hoạt động đầu ra đó. Ở bước này ta không cần phải viết ra rõ tên của các sensor đầu vào và các đầu ra mà chỉ cần đưa ra dạng hoạt động.

2) Vẽ ra giản đồ năng lượng (power diagram): Ở bước này yêu cầu ta phải xác định dạng thiết bị mà ta sử dụng trong ứng dụng, đó là các động cơ điện hay các van khí nén, hay các xi lanh..., điều này tuỳ thuộc vào điều kiện của từng ứng dụng mà ta lập. Giản đồ năng lượng nên cho thấy tất cả các thiết bị năng lượng nếu có, các cách nối dây từ đầu ra của PLC đến các thiết bị này cũng nên được xác định rõ trên giản đồ năng lượng, các thiết bị đầu vào phải được đánh số.

3) Vẽ ra giản đồ vào ra (I/O diagram): Giản đồ vào ra cho biết thiết bị đầu vào, đầu ra nào được nối với PLC. Mỗi một đầu vào được xác định trên giản đồ bằng một hình chữ nhật với kí hiệu đầu vào tương ứng ở trong hình chữ nhật và mỗi một đầu ra được xác định bằng một hình thoi .

297


4) Lập bảng “chân lý” (Truth) : Bảng Truth là một dạng chi tiết hơn của dãy các hoạt động lập ở bước 1. Nó cho biết trạng thái on/off của tất cả các đầu vào và đầu ra của mỗi bước trong dãy hoạt động. Bảng Truth có thể rất rườm rà nhưng nó sẽ rất hiệu quả đối với những chương trình PLC phức tạp với rất nhiều các đầu vào, đầu ra, khi đó bảng “chân lý” sẽ cho phép ta quản lí các trạng thái của các đầu vào, ra một cách dễ dàng.

5) Thiết kế giản đồ logic của chương trình PLC: Dựa trên trạng thái các đầu vào/ra ở bảng “chân lý”, và các câu lệnh của PLC ta lập chương trình PLC theo từng dòng lệnh ứng với từng bước trong dãy hoạt động. Trong quá trình lập chương trình ta chú ý đến các kĩ thuật thường được sử dụng sau đây:

• Sử dụng một “bậc” (rung) riêng trong giản đồ với một câu lệnh OTE (Output Energize_kích hoạt đầu ra) cho mỗi bước trong dãy hoạt động.

• Một đầu ra được kích hoạt lên trạng thái on bằng câu lệnh XIC (Examine If Closed_Kiểm tra nếu được đóng)

• Một đầu ra được kích hoạt lên trạng thái off bằng câu lệnh XIO (Examine If Open_Kiểm tra nếu mở)

• Một tiếp điểm thường mở (XIC) được sử dụng song song cùng với dòng lệnh khởi động chu trình để đưa ra một đầu ra nhất định nếu cần thiết.

• Sử dụng một câu lệnh XIC như một khoá liên động nếu cần thiết. 6) Xác định những điều kiện đặc biệt: Những điều kiện đặc biệt ở đây là

những chức năng không nằm trong dãy tiến trình cơ sở của ứng dụng. Đó có thể là • Khoá an toàn • Chức năng dừng chu trình thực hiện lặp lại• Chức năng cho phép chọn chế độ tự động hay điều khiển bằng tay...Những điều kiện này nên được liệt kê ra một cách đầy đủ các đầu vào và

các hoạt động của chương trình sẽ thực hiện để thoã mãn các điều kiện này7) Thêm vào logic của chương trình các điều kiện đặc biệt: Sau khi tiến

trình cơ sở của ứng dụng đã được thiết kế, ta có thể thêm vào giản đồ logic các chức năng đã được liệt kê ở bước (6). Ví dụ như ta có thể thêm vào các rung để khởi động và dừng chu trình một cách tự động...

Các hàm logic cơ bản của PLC.

Để có thể lập trình tốt một bộ PLC bất kì nói chung và bộ PLC SLC500 nói riêng cần phải nắm vững những khái niệm lôgic cơ bản. Những khái niệm lôgic này gồm 5 hàm chức năng logic cơ bản sau:

“NOT” (Phủ định).“YES” (Nhận dạng).“AND” (Nối).“OR” (Ngắt mạch).“INHIBITION” (Sự ức chế)

Và những hàm chức năng logic kết hợp sau:“EXCLUSIVE OR”

298


NANDNORINHIBITED ANDINHIBITED OR

IV. Tìm hiểu về PLC S7200

4.1. Cấu hình cứng.

PLC viết tắt của Programmable Logic Control, là thiết bị điều khiển Logic lập trình được, hay khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình.

S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình loại nhỏ của hãng Siemens(CHLB Đức), có cấu trúc theo kiểu modul và các modul mở rộng. Các modul này được sử dụng cho nhiều những ứng dụng lập trình khác nhau. Thành phần cơ bản của S7-200 là khối vi xử lý CPU212 hoặc CPU214. Vói sự phát triển ngày càng nhanh chóng như hiện nay thì Siemen đã cho ra đời thêm những khối vi xử lý khác như: CPU221, CPU222, CPU223, CPU224, CPU225, CPU226, và những CPU dùng cho S7300, S7400…với những tính năng rất hữu ích.

Theo độ phân giải khác CPU214 có 14 cổng vào và 10 cổng ra và có khả năng mở rộng thêm 7 modul mở rộng. Bao gồm:

- 2048 từ đơn (4K byte) thuộc miền nhớ đọc/ghi non-volatile để lưu chương trình (vùng nhớ có giao điện với EEPROM).

- 2048 từ đơn (4K byte) kiểu đọc/ghi để lưu dữ liệu, trong đó 512 từ đầu thuộc miền non-volatile.

- 14 cổng vào và 10 cổng ra logic.

- Có 7 modul để mở rộng thêm cổng vào/ra bao gồm cả modul analog.- Tổng số cổng vào/ra cực đại là 64 cổng vào là 64 cổng ra.

- 128 Timer chia làm 3 loại nhau: 4 Timer 1ms, 16 Timer 10 ms, và 108 Timer 100 ms.

- 128 bộ đếm chia làm hai giai loại: chỉ đếm tiến vừa đếm lùi.- 688 bit nhớ đặc biệt dùng để thông báo trạng thái và đặt chế độ làm việc.

- Các chế độ ngắt và xử lý ngắt gồm: ngắt truền thông, ngắt theo sườn lên hoặc xuống, ngắt thời gian, ngắt của bộ đếm tốc độ cao và ngắt truyền xung.

- 3 bộ đếm tốc độ cao với nhịp 2 KHz và 7 KHz.- 2 bộ phát xung nhanh cho dãy xung kiểu PTO hoặc kiểu PWM.

- 2 bộ điều chỉnh tương tự.- Toàn bộ vùng nhớ không bị mất dữ liệu trong khoảng thời gian 190 giờ

khi PLC bị mất nguồn nuôi.

299


4.2. Cấu trúc bộ nhớ.

4.2.1 Phân chia bộ nhớ.

Bộ nhớ của S7_200 được phân chia thành 4 vùng với một tụ có nhiệm vụ duy trì dữ liệu trong một khoảng thời gian nhất định khi bị mất nguồn. Bộ nhớ của S7_200 có tính năng động cao, đọc và ghi được trong toàn vùng, loại trừ phần bit nhớ đặt biệt được kí hiệu bởi SM (Special Memory) chỉ có thể truy nhập để đọc.

- Vùng chương trình là vùng bộ nhớ được sử dụng để lưu trữ các lệnh chương trình. Vùng này thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.

- Vùng tham số: là miền lưu giữ các tham số như: từ khóa, địa chỉ trạm…Cũng giống như vùng chương trình, vùng tham số cũng thuộc non- volatile đọc/ghi được.

- Vùng dữ liệu: được sử dụng để cất các dữ liệu của chương trình bao gồm các kết quả các phép tính, hằng số được định nghĩa trong chương trình, bộ đệm truyền thông… Một phần của vùng nhớ này (1KB đầu tiên với CPU214) thuộc kiểu non-volatile đọc/ghi được.

- Vùng đối tượng: Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao và các cổng vào/ra tương tự được đặt trong vùng nhớ cuối cùng. Vùng này không thuộc kiểu non-volatile nhưng đọc ghi được.

Hai vùng nhớ cuối có ý nghĩa quan trọng trong việc thực hiện một chương trình.

4.2.2. Vùng dữ liệu.

Vùng dữ liệu là một miền nhớ động. Nó có thể được truy nhập theo từng bit, từng byte, từng từ đơn(word) hoặc theo từng từ kép và được sử dụng làm miền lưu dữ liệu cho các thuật toán, các hàm truyền thông, lập bản, các hàm dịch chuyển, xoay vòng thanh ghi, con trỏ địa chỉ…

Ghi các dữ liệu kiểu bản bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu bảng thường chỉ được sử dụng theo những mục đích nhất định.

300

Vùng chương trìnhVùng tham sốVùng dữ liệuVùng đối tượng

Chương trìnhTham sốDữ liệu

Chương trìnhTham sốDữ liệuC

EEPROM Bộ nhớ ngoài

Hình: Bộ nhớ trong và ngoài của S7-200


Vùng dữ liệu lại được chia ra thành những miền nhớ nhỏ với các công dụng khác nhau. Chúng được kí hiệu bằng các chữ cái đầu tiên của chữ trong tiếng Anh, đặc trưng cho công dụng riêng của chúng như sau:

V Variable memory

I Input image registerO Output image register

M Internal Memory bitsSM Special Memory bits

Tất cả các miền này đều có thể truy cập được theo từng bit, từng byte, từng từ đơn (word- 2 byte) hoặc từ kép (2 words).

Hình sau mô tả vùng dữ liệu của CPU212 và CPU214

V0 V0

… …

V1023 V4095

I0.x(x=0÷7) I0.x(x=0÷7)

… …

I7.x(x=0÷7) I7.x(x=0÷7)

Q0.x(x=0÷7) Q0.x(x=0÷7)

… …

Q7.x(x=0÷7) Q7.x(x=0÷7)

M0.x(x=0÷7) M0.x(x=0÷7)

… …

M15.x(x=0÷7) M31.x(x=0÷7)

SM0.x(x=0÷7) SM0.x(x=0÷7)

… …

SM29.x(x=0÷7) SM29.x(x=0÷7)

SM30.x(x=0÷7) SM30.x(x=0÷7)

… …

301

CPU2127 6 5 4 3 2 1 0

CPU2147 6 5 4 3 2 1 0

Miền V Đọc/Ghi

Vùng đệm cổng vào I(Đọc/Ghi)Vùng đệm cổng vào I(Đọc/Ghi)

Vùng đệm cổng ra Q(Đọc/Ghi)

Vùng nhớ nội M(Đọc/Ghi)

Vùng nhớ đặc biệt SM(chỉ đọc)

Vùng nhớ đặc biệt SM(Đọc/Ghi)


SM45.x(x=0÷7) SM85.x(x=0÷7)

Địa chỉ truy cập được qui ước bởi công thức:- Truy nhập theo bit: tên miền (+) địa chỉ byte(+) . (+)chỉ số bit. Ví dụ

V150.4 chỉ bit 4 của byte 150 thuộc miền V.- Truy nhập theo Byte: Tên miền (+) B (+) địa chỉ của byte trong miền. Ví

dụ VB150 chỉ Byte 150 thuộc miền V.- Truy nhập theo từ: Tên miền (+) W (+) địa chỉ byte cao của từ trong

miền. Ví dụ VW150 chỉ từ đơn gồm hai Byte 150 và 151 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò là byte cao trong từ.

15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0

VW150 VB150(byte cao) VB151(byte thấp)

- Truy nhập theo từ kép: Tên miền (+) D (+) địa chỉ byte cao của từ trong miền.

Ví dụ VD150 chỉ từ kép gồm 4 byte 150, 151, 152, 153 thuộc miền V, trong đó byte 150 có vai trò là byte cao và byte 153 có vai trò là byte thấp trong từ kép.

Bit: 63 32 31 16 15 8 7 0

VD150 VB150 (byte cao)

VB151 VB152 VB153 (byte thấp)

Tất cả các byte thuộc vùng dữ liệu đều có thể truy nhập được bằng con trỏ. Con trỏ được định nghĩa trong miềnV hoặc các thanh ghi AC1, AC2 và AC3. Mỗi con trỏ chỉ địa chỉ gồm 4 byte(từ kép). Qui ước sử dụng con trỏ để truy nhập như sau:

&địa chỉ byte (cao) là toán hạng lấy địa chỉ của byte, từ hoặc từ kép.

Ví dụ:- AC1=&VB150, thanh ghi chứa địa chỉ Byte 150 thuộc miền V.

- VD100=&VW150, từ kép VD100 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ đơn VW150.

- AC2=&VD150, thanh ghi AC2 chứa địa chỉ byte cao (VB150) của từ kép VD150.

* con trỏ: là toán hạn lấy nội dung của byte, từ hoặc từ kép mà con trỏ đang chỉ vào.

Ví dụ như với phép gán địa chỉ trên thì:- *AC1, lấy nội dung của byte VB150.

- *VD100, lấy nội dung của từ đơn VW150.- *AC2, lấy nội dung của từ kép VD150.

302


Phép gán địa chỉ và sử dụng con trỏ như trên cũng có tác dụng với những thanh ghi 16 bit của timer, bộ đếm thuộc vùng đối tượng sẽ được trình bày ở phần dưới:

303


4.2.3. Vùng đối tượng.

Vùng đối tượng được sử dụng để lưu dữ liệucho các đối tượng lập trình như các giá trị tức thời, giá trị đặt trướccủa bộ đếm hay Timer. Dữ liệu kiểu đối tượng bao gồm các thanh ghi của Timer, bộ đếm, bộ đếm tốc độ cao, bộ đệm vào/ra tương tự và các thanh ghi Accumulator(AC).

Kiểu dữ liệu đối tượng bị hạn chế rất nhiều vì các dữ liệu kiểu đối tượng chỉ được ghi theo mục đích cần sử dụng đối tượng đó.

Vùng nhớ đối tượng được phân chia như sau:

CPU212 CPU21415 0 15 0

Timer (đọc/ghi)

T0(Word) T0 T0 T0

… … … …

T63 T63 T127 T127

Bộ đếm (đọc/ghi)

C0(Word) C0 C0 C0

… … … …

C63 C63 C127 C127

Bộ đệm cổng vào tương tự (chỉ đọc)

AW0 (Word) AW0

… …

AW30 AW30

Bộ đệm cổng ra tương tự (chỉ ghi)

AQW0 (Word) AQW0

… …

AQW30 AQW30

Thanh ghi Accumulator (đọc/ghi)

AC0 (không có khả năng làm con trỏ)

AC1

AC2

AC3

304


Bộ đếm tốc độ cao(Đọc/Ghi)

HSC0

HSC1 (chỉ có trong CPU214)

HSC1( chỉ có trong CPU214)

4.3. Thực hiện chương trình.

PLC thực hiện chương trình theo chu kỳ lặp. Mỗi vòng lặp được gọi là một vòng quét (Scan). Mỗi vòng quét được bắt đầu bằng việc đọc dữ liệu từ các cổng vào vùng bộ đệm ảo, tiếp theo là giai đoạn thực hiện chương trình. Trong từng vòng quét chương trình thực hiện bằng lệnh đầu tiên và ket thúc bằng lệnh kết thúc. Sau giai đoạn thực hiện chương trình là giai đọan truyền thông và kiểm tra lỗi. Vòng quét được kết thúc bằng giai đoạn chuyển các nội dung của bộ đệm ảo đến cổng ra

Như vậy, tại thời điểm thực hiện lệnh vào/ra, thông thường lệnh không làm việc trực tiếp với cổng vào ra và chỉ thông qua bộ đệm ảo của cổng trong vùng nhớ tham số. Việc truyền thông giữa bộ đệm ảo với ngoại vi trong giai đoạn 1 và 4 do CPU quản lý. Khi gặp lệnh vào/ra ngay lập tức thì hệ thông sẽ cho dừng mọi công việc khác, ngay cả chương trình xử lý ngắt, để thực hiện lệnh này một cách trực tiếp với cổng vào/ra.

Nếu sử dụng các chế độ ngắt, chương trình con tương ứng với từng tín hiệu ngắt được soạn thảo và cài đặt như một bộ phận của chương trình. Chương trình xử lý ngắt chỉ được thực hiện trong vòng quét khi xuất hiện tín hiệu báo ngắt và có thể xảy ra ở bất cứ điểm nào trong vòng quét.4.4. Cấu trúc chương trình của S7_200.

Có thể lập trình cho PLC S7_200 bằng cách sử dụng một trong những phần mềm sau:

- STEP7_Micro/DOS.

- STEP7_Micro/DOS.Những phần mềm này đều có thể cài đặt được trên các máy lập trình thuộc

họ PG7xx và các máy tính cá nhân (PC).

305

Giai đoạn nhập dữ liệu từ ngoại vi

Giai đoạn chuyển dữ liệu ra ngoại vi

Giai đoạn truyền thông nội bộ và tự kiểm tra lỗi

Giai đoạn thực hiện chương trình


Các chương trình con cho S7_200 phải có cấu trúc bao gồm chương trình chính (Main Program) và sau đó đến các chương trình con và các chương trình xử lý ngắt được chỉ ra sau đây:

- Chương trình chính được kết thúc bằng lệnh kết thúc chương trình (MEND).

- Chương trình con là một bộ phận của chương trình. Các chương trình con phải được viết sau lệnh kết thúc chương trình chính, đó là lệnh MEND.

- Các chương trình xử lý ngắt là một bộ phận của chương trình. Nếu cần sử dụng chương trình xử lý ngắt phải viết sau lệnh kết thúc chương trình chính MEND.

- Các chương trình con được nhóm lại thành một nhóm ngay sau chương trình chính. Sau đó đến ngay chương trình xử lí ngắt. Bằng cách viết như vậy, cấu trúc chương trình được rõ ràng và thuận tiện hơn trong việc đọc chương trình sau này. Có thể trộn lẩn chương trình con và chương trình xử lý ngắt ngay sau chương trình chính.

Thực hiện một vòng quét

306

Main Program…MEND

SBR 0 Chương trình con thứ nhất…RET

Thực hiện khi được chương trình chính gọi

…

SBR n Chương trình con thứ n+1…RET

INT 0 Chương trình xử lý ngắt thứ 1…RETI

Thực hiện khi có tín hiệu báo ngắt.

…

INT n Chương trình xử lý ngắt thứ n+1…RETI


V. Ngôn ngữ lập trình của S7_200.

5.1. Phương pháp lập trình.

Cách lập trình cho S7_200 nói riêng và các PLC của Siemens nói chung dựa trên hai phương pháp cơ bản: Phương pháp hình thang (ladder logic viết tắt thành LAD) và phương pháp liệt kê lệnh ( Statement List hay gọi là STL).

Nếu chương trình được viết theo kiểu LAD, thiết bị lập trình sẽ tự tạo ra một chương trình theo kiểu STL tương ứng. Ngược lại không phải mọi chương trình viết theo kiểu STL cũng có thể chuyển sang được dạng LAD.

- Định nghĩa về LAD: LAD là một ngôn ngữ lập trình bằng đồ họa. Những thành phần cơ bản dùng trong LAD tương ứng với các thành phần của bản điều khiển bằng Relay.

- Định nghĩa về STL: phương pháp liệt kê lệnh (STL) là phương pháp thể hiện chương trình dưới dạng tập hợp các câu lệnh. Mỗi câu lệnh trong chương trình, kể cả những lệnh hình thức biểu diễn một chức năng của PLC.5.2. Bảng lệnh của S7-200.

Hệ lệnh của S7_200 được chia làm ba nhóm được mô tả như sau:

- Các lệnh mà khi thực hiện thì làm việc thì làm việc độc lập không phụ thuộc vào giá trị logic của ngăn xếp.

- Các lệnh chỉ thực hiện được khi bit đầu tiên của ngăn xếp có giá trị là 1.- Các nhãn lệnh đánh dấu vị trí trong tập lệnh.

Cả hai phương pháp LAD và STL sử dụng ký hiệu I để chỉ định việc thực hiện tức thời (Immediatetly), tức là giá trị được chỉ định trong lệnh vừa được chuyển vào thanh ghi ảo đồng thời được chuyển tới tiếp điểm được chỉ dẫn trong lệnh ngay khi lệnh được thực hiện chứ không phải chờ tới giai đoạn trao đổi với ngoại vi của vòng quét. Điều đó khác với lệnh không tức thời là giá tri được chỉ định trong lệnh chỉ được chuyển vào thanh ghi ảo khi thực hiện lệnh.

Bảng 1: Các lệnh của S7-200 được thực hiện vô điều kiện.

Tên lệnh Mô tả

= n Giá trị của bit đâu tiên trong ngăn xếp được sao chép sang điểm n chỉ dẫn trong lệnh.

= I n Giá trị của bit đâu tiên trong ngăn xếp được sao chép trực tiếp sang điểm n ngay khi lệnh được thực hiện.

A n Giá trị của bit đâu tiên trong ngăn xếp được thực hiện bằng phép tính AND với điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

AB<= n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai byte n1 không lớn hơn giá trị của byte n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

307


AB = n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa mãn n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa mãn n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AD<= n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai từ kép (4 byte) n1 và n2 thỏa mãn n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AD = n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai từ kép n1 và n2 thỏa mãn n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AD >= n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai từ kép n1 và n2 thỏa mãn n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AW<= n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai từ (2 byte) n1 và n2 thỏa mãn n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AW = n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai từ n1 và n2 thỏa mãn n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AW >= n1, n2 Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai từ n1 và n2 thỏa mãn n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AR<= n1, n2(5) Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai số thực n1 và n2 thỏa mãn n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AR = n1, n2(5) Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai số thực n1 và n2 thỏa mãn n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

308


AR >= n1, n2(5) Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị 1 nếu nội dung của hai số thực n1 và n2 thỏa mãn n≥1n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

AI n Lệnh AND thực hiện tức thời giữa giá trị của bit đầu tiên trong ngăn xếp với tiếp diểm n được chỉ dẫn. Kết quả được ghi vào bit đầu của ngăn xếp.

ALD Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên và bit thứ hai trong ngăn xếp. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp. Các giá trị còn lại trong ngăn xếp được kéo lên một bit.

AN n Thực hiện lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên và giá trị nghịch đảo của điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

ANI n Thực hiện tức thời lệnh AND giữa giá trị của bit đầu tiên và giá trị nghịch đảo của điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu của ngăn xếp.

CTU Cxx, PV Khởi động bộ đếm tiến theo sườn lên của tín hiệu đầu vào. Bộ đếm được đặt lại trạng thái ban đầu (reset) nếu tín hiệu đầu vào R của bộ đếm được kích.

CTUD Cxx, PV Khởi động bộ đếm tiến theo sườn lên của tín hiệu đầu vào thứ nhất và đếm lùi theo sườn lên của tín hiệu đầu vào thứ hai. Bộ đếm được đặt lại trạng thái ban đầu (reset) nếu tín hiệu đầu vào R của bộ đếm được kích.

ED Đặt giá trị logic 1 vào bit đầu của ngăn xếp khi xuất hiện sườn xuống của tín hiệu.

EU Đặt giá trị logic 1 vào bit đầu của ngăn xếp khi xuất hiện sườn lên của tín hiệu.

LD n Nạp giá trị logic của điểm n chỉ dẫn trong lệnh vào bit đầu tiên trong ngăn xếp.

LDB <= n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai byte n1 và n2 thỏa mãn n1≤ n2.

LDB = n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai byte n1 và n2 thỏa mãn n1= n2.

LDB >= n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai byte n1 và n2 thỏa mãn n1≥ n2.

LDD = n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai từ kép n1 và n2 thỏa mãn n1= n2.

LDD >= n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội

309


dung hai từ kép n1 và n2 thỏa mãn n1≥ n2.

LDD <= n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai từ kép n1 và n2 thỏa mãn n1≤ n2.

LDI n Lênh nạp tức thời giá trị logic của tiếp điểm n chỉ dẫn trong lệnh vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

LDN n Lênh nạp giá trị logic nghịch đảo của tiếp điểm n chỉ dẫn trong lệnh vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

LDNI n Lênh nạp tức thời giá trị logic nghịch đảo của tiếp điểm n chỉ dẫn trong lệnh vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

LDR = n1,n2(5) Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai số thực n1 và n2 thỏa mãn n1= n2.

LDR >=n1,n2(5) Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai số thực n1 và n2 thỏa mãn n1≥ n2.

LDR <=n1,n2(5 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai số thực n1 và n2 thỏa mãn n1≤ n2.

LDW = n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai từ n1 và n2 thỏa mãn n1= n2.

LDW >= n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai từ n1 và n2 thỏa mãn n1≥ n2.

LDW <= n1,n2 Bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị logic 1 nếu nội dung hai từ n1 và n2 thỏa mãn n1≤ n2.

LPP Kéo nội dung của ngăn xếp lên một bit. Gí trị mới của bit trên là giá trị cũ của bit dưới, độ sâu của ngăn xếp giảm đi một bit.

LPS Sao chép giá trị của bit đầu tiên của ngăn xếp vào bit thứ hai. Nội dung còn lại của ngăn xếp bị đẩy xuống một bit.

LRD Sao chép giá trị của bit thứ hai vào bit đầu tiên của ngăn xếp. Các giá trị còn lại của ngăn xếp giữ nguyên vị trí.

MEND (1)(2) Kết thúc phần chương trình chính trong một vòng quét.

NOT Đảo giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp.

O n Thực hiện toán tử OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OB <=n1,n2 Thực hiện phép toán OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị logic 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa điều kiện n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

310


OB =n1,n2 Thực hiện phép toán OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị logic 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa điều kiện n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OB >=n1,n2 Thực hiện phép toán OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị logic 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa điều kiện n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OD <=n1,n2 Thực hiện phép toán OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị logic 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa điều kiện n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OD =n1,n2 Thực hiện phép toán OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị logic 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa điều kiện n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OD >=n1,n2 Thực hiện phép toán OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị logic 1 nếu nội dung của hai byte n1 và n2 thỏa điều kiện n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OI n Thực hiện tức thời toán tử OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OLD Thực hiện toán tử OR giữa bit đầu tiên và bit thứ hai của ngăn xếp. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp. Các giá trị còn lại của ngăn xếp được chuyển lên một bit.

ON n Thực hiện toán tử OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị nghịch đảo của điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

ONI n Thực hiện toán tử OR giữa bit đầu tiên của ngăn xếp với giá trị nghịch đảo của điểm n chỉ dẫn trong lệnh. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OR =n1,n2(5) Thực hiện toán tử OR giữa giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị logic 1. Nếu hai số thực n1, n2 thỏa mãn điều kiện n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OR >=n1,n2(5) Thực hiện toán tử OR giữa giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị logic 1. Nếu hai số thực n1, n2 thỏa mãn điều kiện n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit

311


đầu tiên của ngăn xếp.

OR <=n1,n2(5) Thực hiện toán tử OR giữa giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị logic 1. Nếu hai số thực n1, n2 thỏa mãn điều kiện n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OW =n1,n2(5) Thực hiện toán tử OR giữa giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị logic 1. Nếu hai từ n1, n2 thỏa mãn điều kiện n1=n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OW >=n1,n2(5) Thực hiện toán tử OR giữa giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị logic 1. Nếu hai từ n1, n2 thỏa mãn điều kiện n1≥n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

OW <=n1,n2(5) Thực hiện toán tử OR giữa giá trị logic của bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị logic 1. Nếu hai từ n1, n2 thỏa mãn điều kiện n1≤n2. Kết quả được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp.

RET (3)(1)(4) Lệnh thoát khỏi chương trình con và trả điều khiển về chương trình đã gọi nó.

RETI (3)(2)(4) Lệnh thoát khỏi chương trình xử lý ngắt (Interrupt) và trả điều khiển về chương trình chính.

Bảng: Các lệnh có điều kiện ( chỉ thực hiện khi bit đầu tiên trong ngăn xếp có giá trị là logic 1).

Tên lệnh Mô tả

+D IN1,IN2 Thực hiện phép cộng hai số nguyên kiểu từ kép IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

+I IN1,IN2 Thực hiện phép cộng hai số nguyên kiểu từ IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

-D IN1,IN2 Thực hiện phép trừ hai số nguyên kiểu từ kép IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

-I IN1,IN2 Thực hiện phép trừ hai số nguyên kiểu từ IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

+R IN1,IN2(5) Thực hiện phép cộng hai số thực (32bit) IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

-R IN1,IN2(5) Thực hiện phép trừ hai số thực (32bit) IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

*R IN1,IN2(5) Thực hiện phép nhân hai số thực (32bit) IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

312


/R IN1,IN2(5) Thực hiện phép chia hai số thực (32bit) IN1 và IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

ANDD IN1,IN2 Thực hiện toán tử logic AND giữa các giá trị kiểu từ kép. Kết quả được ghi lại vào IN2.

ANDW IN1,IN2 Thực hiện toán tử logic AND giữa các giá trị kiểu từ. Kết quả được ghi lại vào IN2.

ATCH INT,EVENT

Khai báo chương trình xử lý ngắt INT theo kiểu EVENT

ATH IN, OUT,LEN

Biến đổi một sâu kí tự từ mã ASCII từ vị trí IN (kiểu Byte) với độ dài (LEN kiểu Byte) sang mã Hexa(cơ số 16) và ghi vào mãng kể từ byte OUT.

ATT DATA, TABLE

Nối một giá trị kiểu từ DATA (hai Byte) vào bảng TABLE.

BCDI IN Biến đổi một giá trị từ mã BCD có độ dài 2 Byte sang kiểu nguyên kết quả được ghi vào IN.

BMB IN,OUT, N

Sao chép một mảng gồm N Byte kể từ vị trí đầu IN(Byte) vào mảng có vị trí đầu OUT(byte).

BMW IN,OUT, N

Sao chép một mảng từ (2 byte) gồm N Byte kể từ vị trí đầu IN(Byte) vào mảng có vị trí đầu OUT(byte).

CALL n(6)(1) Gọi chương trình con được đánh nhãn n

CRET (3)(1)(4) Kết thúc một chương trình con và trả điều khiển về chương trình đã gọi nó.

CRETI (3)(2)(4) Kết thúc một chương trình xử lý ngắt và trả điều khiển về chương trình chính.

DECD IN Giảm giá trị của từ kép IN đi một đơn vị.

DECO IN,OUT Giải mã giá trị của một byte IN, sau đó gán giá trị 1 vào bit của từ OUT(2byte) có chỉ số là IN.

DECW IN Giảm giá trị của từ IN đi một đơn vị.

DISI (1) Vô hiêu hóa tất cả các ngắt (Iterrupt).

DIV IN1,IN2 Chia số nguyên 16 bit, được xác định là từ thấp của IN2 (kiểu từ kép) cho IN1(kiểu từ). Kết quả được ghi lại vào IN2.

DTCH EVENT Vô hiệu quá một ngắt kiểu EVENT.

313


DTR IN, OUT(5)

Chuyển đổi một số nguyên 32 bit IN có dấu thành số thực 32 bit OUT.

ENCO IN, OUT

Chuyển đổi chỉ số của bit thấp nhất có giá trị logic 1 trong từ IN sang thành một số nguyên và ghi vào 4 bit cuối của Byte OUT.

ENI (1) Đặt tất cả các ngắt vào chế độ tích cực.

FIFO TABLE, DATA(5)

Lấy giá trị đã được cho vào đầu tiên ra khỏi bảng và chuyển nó đến vùng dữ liệu DATA được chỉ dẫn trong lệnh

FILL IN, OUT,N

Đổ giá trị của một từ IN vào một mảng nhớ gồm N từ( N có kiểu byte) bắt đầu từ vị trí OUT (kiểu từ).

FND< SRC,PATRN,INDX(5)

Xác định vị trí ô nhớ trong bảng SRC(kiểu từ), kể từ ô cho bởi INDX ( kiểu từ, =0 nếu tìm từ đầu bảng) mà ở đó giá trị nhỏ hơn giá trị của PATRN (kiểu từ).

FND<> SRC,PATRN,INDX(5)

Xác định vị trí ô nhớ trong bảng SRC(kiểu từ), kể từ ô cho bởi INDX ( kiểu từ, =0 nếu tìm từ đầu bảng) mà ở đó giá trị khác giá trị của PATRN (kiểu từ).

FND> SRC,PATRN,INDX(5

Xác định vị trí ô nhớ trong bảng SRC(kiểu từ), kể từ ô cho bởi INDX ( kiểu từ, =0 nếu tìm từ đầu bảng) mà ở đó giá trị lớn hơn giá trị của PATRN (kiểu từ).

FOR INDEX, INITIAL, FINAL(4)(5)

Thực hiện các lệnh nằm giữa FOR và NEXT theo kiểu số vòng với bộ đếm vòng INDEX (kiểu từ), bắt đầu từ vòng số INITIAL(kiểu từ) và kết thúc tại vòng FINAL(kiểu từ).

HDEF HSC, MODE(1) Xác định kiểu thuật toán MODE cho bộ đếm tốc độ cao HSC(byte).

HSC n Đưa bộ đếm tốc độ cao số n vào trạng thái tích cực

HTA IN, OUT, LEN

Chuyển đổi một số hệ Hexa IN(kiểu byte) thành dãy ký tự mã ASCII và ghi vào mãng byte bắt đầu bằng byte OUT với độ dài LEN (kiểu byte).

IBCD IN Chuyển đổi giá trị nguyên IN (kiểu từ) thành giá trị BCD và ghi lại vào IN.

INCD IN Tăng giá trị của từ kép lên một đơn vị.

314


INCW IN Tăng giá trị của từ lên một đơn vị.

INVD IN Lấy phần bù kiểu một( đảo giá trị logic của các bit) của từ kép IN và ghi lại vào IN.

JMP xx Chuyển điều khiển vào ô nhớ chỉ định bằng nhãn xx trong chương trình được khai báo bởi lệnh LBL

LIFO TABLE, DATA(5)

Lấy giá trị đã được cho vào bảng sau cùng ra khỏi bảng TABLE và chuyển nó lên vùng dữ liệu DATA (kiểu từ).

MOVB IN, OUT Sao giá trị của byte IN sang Byte OUT.

MOVD IN, OUT Sao giá trị của từ kép IN sang từ kép OUT.

MOVR IN, OUT(5) Sao giá trị của số thực IN sang số thực OUT.

MOVW IN, OUT Sao giá trị của từ IN sang từ OUT.

MUL IN1, IN2 Nhân số nguyên 16 bit IN1 với hai bit thấp của số nguyên IN2 sau đó kết quả được ghi vào IN2.

NETR TABLE, PORT(5)

Khởi tạo sự truyền thông để đọc dữ liệu từ ngoại vi qua cổng port vào bảng TABLE.

NETW TABLE, PORT(5

Khởi tạo sự truyền thông để ghi dữ liệu của bảng TABLE ra ngoại vi qua cổng PORT.

ORD IN1, IN2 Thực hiện toán tử OR cho hai từ kép IN1 và IN2 sau đó ghi kết quả vào IN2.

ORW IN1, IN2 Thực hiện toán tử OR cho hai từ IN1 và IN2 sau đó ghi kết quả vào IN2.

PLS x(5) Đưa bộ phát xung nhanh đã được định nghĩa trong bộ nhớ đặc biệt vào trạng thái tích cực. Xung được đưa ra cổng Q0.x

R S_Bit,n

Xóa một mảng gồm n bit kể từ S_Bit (kiểu Bit).

RI S_Bit,n

Xóa tức thời một mảng gồm n bit kể từ S_Bit

RLD IN,N Quay tròn từ kép IN sang trái N Bit

RLW IN,N Quay tròn từ IN sang trái N Bit

RRD IN,N Quay tròn từ kép IN sang phải N Bit

RRW IN,N Quay tròn từ IN sang phải N Bit

S S_BIT,n

Đặt giá trị logic 1 vào một mảng n bit kể từ địa chỉ S_BIT.

SEG IN, Chuyển đổi giá trị của bốn bit thấp trong byte

315


OUT IN sang thành mã tương đương của thanh ghi 7 nét và ghi vào OUT

SHRB DATA, S_BIT,n

Dịch thanh ghi gồm n bit có bit thấp nhất là S_BIT sang trái nếu n>0 và sang phải nếu n<0. Giá trị của bit DATA được đưa vào bit trống của thanh ghi sau khi dịch (Bit S-BIT nếu n>0, hoặc S_BIT-N nếu n<0)

SI S_BIT,n Đặt tức thời giá trị logic 1 vào mảng n bit kể từ bit S_BIT

SLD IN,n Dịch từ kép IN sang trái n bit.

SLW IN,n Dịch từ IN sang trái n bit.

SQRT IN, OUT(5) Lấy căn bậc haicủa một số thực 32 bit IN và ghi kết quả vào OUT (32 bit).

SRD IN,n Dịch từ kép IN sang phải n bit.

SRW IN,n Dịch từ IN sang phải n bit.

STOP Dừng “mềm” chương trình

SWAP IN Đổi chổ hai bit đầu tiên và cuối cùng của byte IN cho nhau

TODR T(5) Đọc giờ và ngày tháng sau hiện thời từ đồng hồ và ghi vào bộ đệm 8 byte có byte đầu là T

TODW T(5) Ghi vào đồng hồ giá trị thời gian, ngày, tháng từ bộ đệm 8 byte với byte đầu là T.

TON Txx, PT Khởi động bộ phát thời gian trễ Txx với thời gian trễ đặt trước là tích của PT (kiểu từ) và độ phân giải của bộ thời gian Txx được chọn.

TONR Txx, PT Khởi động bộ phát thời gian trễ có nhớ Txx với thời gian trễ đặt trước là tích của PT (kiểu từ) và độ phân giải của bộ thời gian Txx được chọn.

TRUNC IN, OUT(5) Chuyển đổi một số thực 32 bit IN thành một số nguyên 32 bit có dấu và ghi vào OUT

WDR Đặt chuẩn lại bộ phát xung kiểm tra (Watchdog Timer).

XMT TABLE, PORT

Truyềnộ dung của bảng TABLE đến cổng PORT.

XORD IN1, IN2 Thực hiện toán tử Exclusive OR cho các bit của hai từ kép IN1, IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

316


XORW IN1, IN2 Thực hiện toán tử Exclusive OR cho các bit của hai từ IN1, IN2. Kết quả được ghi lại vào IN2.

INT n(1),(2),(4) Khai báo nhãn n cho chương trình xử lý ngắt.

LBL xx Đặt nhãn xx trong chương trình, định hướng cho lệnh nhảy JMP.

NEXT (1),(5),(7) Lệnh kết thúc vòng lệnh FOR… NEXT

NOP Lệnh rỗng (no operation).

SBR n(1), (2),(4) Khai báo nhãn n cho chương trình con.

Chú ý:(1) Những lệnh không thực hiện được trong chương trình xử lý ngắt. Lệnh Int chỉ có thể được sử dụng làm lệnh bắt đầu của chương trình con.(2) Những lệnh không thực hiện được trong một chương trình con. Lệnh SBR chỉ có thể là lệnh bắt đầu của chương trình con.(3) Những lệng có kèm chức năng ghi lại nội dung của Stack trước đó.(4) Những lệnh không sử dụng được trong chương trình chính.(5) Những lệnh chỉ cho CPU214.(6) Ghi nhớ lại nội dung tức thời của Stack. Đặt TOS lên 1 và gán giá trị logic 0 vào các bit còn lại của Stack.(7) Đặt TOS lên 1.

5.3. Cú pháp lệnh của S7_200.

Mặc dù S7_200 có một khối lượng lệnh tương đối lớn thể hiện các thuật toán của đại số BOOLEAN song chỉ có một vài các kiểu lệnh khác nhau. Cách sử dụng, chức năng và tác dụng của chúng được mô tả sau đây.

LAD hoặc STL sử dụng I để chỉ thị hàm tức thời. Khi thực hiện lệnh, hoặc tiếp điểm tức thời, lệnh sẽ nhận các giá trị được xác định từ tín hiệu đầu vào của đại lượng vật lý, nội dung thanh ghi ảo không bị thay đổi. Nếu thực hiện lệnh không tức thời, lệnh sẽ nhận các giá trị được tính toán từ thanh ghi ảo đã được bộ điều khiển thay đổi trước mỗi vòng quét.

5.3.1. Toán hạn và giới hạn cho phép.

Bảng: trình bày toán hạng của CPU214.

Phương pháp truy nhập. Giới hạn cho phép của

toán hạn

CPU214

Truy nhập bit

(địa chỉ byte. Chỉ số bit)

V (0.0 đến 4095.7)

I (0.0 đến 7.7)

317


Q (0.0 đến 7.7)M (0.0 đến 31.7)

SM (0.0 đến 85.7)T (0 đến 127)

C (0 đến 127)

Truy nhập byte VB (0 đến 4095)

IB (0 đến 7)MB (0 đến 31)

SM (0 đến 85)AC (0 đến 3)

Hằng số

Truy nhập từ đơn

(địa chỉ byte cao)

VW (0 đến 4094)

T (0 đến 127)C (0 đến 127)

IW (0 đến 6)QW (0 đến 6)

MW (0 đến 30)SMW (0.0 đến 84)

AC (từ 0 đến 3)AIW (từ 0 đến 30)

AQW (từ 0 đến 30)Hằng số

Truy nhập từ kép(địa chỉ byte cao)

VD (0 đến 4092)ID (0 đến 4)

QD (0 đến 4)MD (0 đến 28)

SMD (0.0 đến 82)AC (từ 0 đến 3)

HC (tư 0 dến 2)Hằng số

5.3.2. Lệnh vào/ra.

Load(LD): Nạp giá trị logic của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp. Các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống 1 bit.

Load Not(LDN): Nạp giá trị logic nghịch đảo của một tiếp điểm vào trong bit đầu tiên của ngăn xếp. Các giá trị cũ còn lại trong ngăn xếp bị đẩy lùi xuống 1 bit.

318


Output(=): lệnh sao chép nội dung của bit đầu tiên trong ngăn xếp vào bit được chỉ định trong lệnh. Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi.

5.3.3. Các lệnh ghi/xóa giá trị cho tiếp điểm.

Set(S): Dùng để đóng các tiếp điểm gián đoạn đã được thiết kế.

Reset(R): Dùng để ngắt các tiếp điểm gián đoạn đã được thiết kế.Trong LAD, logic điều khiển dòng điện đóng và ngắt các cuộn dây đầu ra.

Khi dòng điều khiển đến các cuộn dây thì các cuộn dây đóng hoặc mở các tiếp điểm (hoặc một dãy các tiếp điểm).

Trong STL, lệnh truyền trạng thái của bit đầu tiên của ngăn xếp đến các điểm thiết kế. Nếu bit này có giá trị bằng một, các lệnh S và R sẽ đóng/ngắt tiếp điểm hoặc một dãy các tiếp điểm (giới hạn từ 1 đến 255). Nội dung của ngăn xếp không bị thay đổi bởi lệnh này.

5.3.4. Các lệnh logic đại số Boolean.

Các lệnh tiếp điểm đại số Boolean cho phép tạo lập được các mạch logic (không có nhớ).

Trong LAD, các lệnh này được biểu diễn thông qua cấu trúc mạch, mắc nối tiếp hay song song các tiếp điểm thường đóng và các tiếp điểm thường mở.

Trong STL, có thể sử dụng các lệnh A(And) và O(Or) cho các hàm hở hoặc các lệnh AN(And Not) và ON(Or Not) cho các hàm kín. Giá trị của ngăn xếp thay đổi phụ thuộc vào từng lệnh.

Ngoài những lệnh làm việc trực tiếp với tiếp điểm, S7_200 còn 5 lệnh đặc biệt biểu diễn các phép tính của đại số Boolean cho các bit trong ngăn xếp, được gọi là các lệnh stack logic. Đó là các lệnh AND(And Load), OLD(Or Load), LPS(Logic Push), LRD(Logic Read) và LPP(Logic Pop). Lệnh stack logic được dùng để tổ hợp, sao chụp hoặc xóa các mệnh đề logic. LAD không có bộ đệm dùng cho stack logic. STL sử dụng các lệnh stack logic để thực hiện phương trình tổng thể có nhiều biểu thức con.

AND(A), OR(O): Lệnh A và lệnh O phối hợp giá trị logic của một tiếp điểm n với giá trị bit đầu tiên của ngăn xếp. Kết quả phép tính đươc đặt lại vào bit đầu tiên trong ngăn xếp. Giá trị của các bit còn lại của ngăn xếp không bị thay đổi.

Luật tính toán của các phép toán logic And và Or như sau:

x Y x∧y(And) x∨y(Or)

0 0 0 0

0 1 0 1

1 0 0 1

1 1 1 1

319


AND LOAD (ALD), OR LOAD(OLD): thực hiện phép tính logic And và Or giữa hai bit đầu tiên của ngăn xếp. Kết quả của phép logic này sẽ được ghi lại vào bit đầu tiên của ngăn xếp. Nội dung còn lại của ngăn xếp được kéo lên một bit.

LOGIC PUSH(LPS), LOGIC READ(LRD), LOGIC POP(LPP):Là những lệnh thay đổi nội dung bit đầu tiên của ngăn xếp. Lệnh LPS sao chép nội dung của bit đầu tiên vào bit thứ hai của ngăn xếp nội dung của ngăn xếp sau đó bị đẩy xuống một bit. Lệnh LRD lấy giá trị của bit thứ hai ghi vào bit đầu tiên của ngăn xếp, nội dung còn lại của ngăn xếp được giữ nguyên. Lệnh LPP là lệnh kéo ngăn xếp lên một bit.

ANDW, ANDD, ORW, ORD, XORW,XORD: Lệnh thực hiện các thuật toán And, Or và Exclusive Or của đại số Boolean trên hai byte hoặc bốn byte (mảng nhiều điểm hoặc tiếp điểm).

Ngoài các lệnh logic làm việc với tiếp điểm, S7_200 cung cấp thêm những lệnh logic có khả năng thực hiện các phép toán logic trên một mảng nhiều tiếp điểm (hay nhiều bit) như trên hai byte hoặc bốn byte. Luật tính toán của chúng như sau:

Bit x Bit y ~x x∧y(And) x∨y(Or) x XOR y

0 0 1 0 0 0

0 1 0 1 1 1

1 0 0 0 1 1

1 1 0 1 1 0

5.3.5. Các lệnh tiếp điểm đặc biệt:

Có thể sử dụng các tiếp điểm đặt biệt để phát hiện sự chuyển tiếp trạng thái của xung (sườn xung) và đảo lại trạng thái của song cung cấp (giá trị của đỉnh ngăn xếp). LAD sử dụng các tiếp điểm đặc biệt để tác động vào nguồn cung cấp. Các tiếp điểm đặc biệt không có tóan hạng riêng của chính chúng và vì thế phải đặt chúng vào phía trước của cuộn dây hoặc đầu ra. Tiếp điểm chuyển tiếp dương/âm (các lệnh trước sườn và sườn) có nhu cầu về bộ nhớ, bởi vậy đối với CPU212 chỉ có thể sử dụng nhiều nhất 128 lệnh và CPU214 là 256 lệnh.

NOT(NOT), EDGE UP(EU), EDGE DOWN(ED): lệnh NOT,EU, ED thực hiện các thuật toán đăc biệt trên bit đầu tiên của ngăn xếp. Lệnh NOT đảo giá trị của bit đầu tiên của ngăn xếp. Lệnh EU phát hiện khi thấy sườn lên từ 0 đến 1 trong bit đầu tiên của ngăn xếp thì đặt giá trị 1 vào bit đầu tiên của ngăn xếp trong khoảng thời gian bằng một vòng quét. Lệnh ED thì ngược lại khi phát hiện thấy sườn xuống từ 1 về 0 thì sẽ đặt 1 vào bit đầu tiên của ngăn xếp trong khoảng thời gian bằng một vòng quét.

5.3.6. Các lệnh so sánh.

Khi lập trình, nếu các quyết định về điều khiển được thực hiện dựa trên kết quả việc so sánh thì có thể sử dụng lệnh so sánh theo byte, hay từ kép của S7_200.

320


LAD sử dụng dạng só sánh để so sánh các giá trị của byte, từ, từ kép (giá trị thực hoặc nguyên). Những lệnh so sánh thường là: so sánh nhỏ hơn bằng (<=), so sánh lớn hơn bằng (>=), so sánh bằng (=).

Khi so sánh giá trị của byte thì cần phải chú ý đến dấu của toán hạng là bit cao nhất trong từ hoặc từ kép .

Trong STL, những lệnh so sánh thực hiện phép so sánh byte, từ, từ kép. Căn cứ vào kiểu so sánh (<=,=,>=) kết quả của phép so sánh có giá trị bằng không (nếu đúng) bằng 1 (nếu sai) nên nó có thể dùng để kết hợp cùng với các lệnh logic LD, A, O. Để tạo ra được các phép so sánh mà S7_200 không có lệnh so sánh tương ứng như so sánh không bằng nhau(<>), so sánh nhỏ hơn (<), so sánh lớn hơn (>), có thể tạo ra được nhờ kết hợp dùng lệnh NOT với các lệnh đã có (<=,>=, =).

LDB=, LDW=, LDD=, LDR=: lệnh kiểm tra tính bằng nhau của nội dung hai byte, từ, từ kép hoặc số thực. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, bit đầu tiên trong ngăn xếp sẽ có giá trị là 1.

LDB<=, LDW<=, LDD<=, LDR<=: lệnh so sánh nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ nhất có nhỏ hơn hoặc bằng nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ hai hay không. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, bit đầu tiên trong ngăn xếp sẽ có giá trị là 1.

LDB>=, LDW>=, LDD>=, LDR>=: lệnh so sánh nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ nhất có lớn hơn hoặc bằng nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ hai hay không. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, bit đầu tiên trong ngăn xếp sẽ có giá trị là 1.

AB=,AW=,AD=,AR=: lệnh kiểm tra tính bằng nhau của nội dung hai byte, từ, từ kép hoặc số thực. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, sẽ thực hiên phép logic And giữa bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị là 1.

AB<=,AW<=,AD<=,AR<=: lệnh so sánh nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ nhất có nhỏ hơn hoặc bằng nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ hai hay không. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, sẽ thực hiên phép logic And giữa bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị là 1.

AB>=,AW>=,AD>=,AR>=: lệnh so sánh nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ nhất có lớn hơn hoặc bằng nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ hai hay không. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, sẽ thực hiên phép logic And giữa bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị là 1.

OB=, OW=, OD=, OR=: lệnh kiểm tra tính bằng nhau của nội dung hai byte, từ, từ kép hoặc số thực. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, sẽ thực hiên phép logic Or giữa bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị là 1.

OB<=, OW<=, OD<=, OR<=: lệnh so sánh nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ nhất có nhỏ hơn hoặc bằng nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ hai hay không. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, sẽ thực hiên phép logic Or giữa bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị là 1.

321


OB>=, OW>=,OD>=,OR>=: lệnh so sánh nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ nhất có lớn hơn hoặc bằng nội dung của byte, từ, từ kép hoặc số thực thứ hai hay không. Trong trường hợp phép so sánh cho kết quả đúng, sẽ thực hiên phép logic Or giữa bit đầu tiên trong ngăn xếp với giá trị là 1.

5.3.7. Lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con.

Các lệnh của chương trình, nếu không có những lệnh điều khiển riêng, sẽ được thực hiện từ trên xuống dưới trong một vòng quét. Lệnh điều khiển chương trình cho phép thay đổi thứ tự thực hiện lệnh. Chúng cho phép chuyển thứ tự thực hiện, đáng ra là thứ tự tiếp theo, tới một lệnh bất kỳ nào khác của chương trình với một nhãn chỉ đích đã được đánh dấu trước. Thuộc nhóm lệnh điều khiển chương trình gồm: lệnh nhảy, gọi chương trình con.

Việc đặt nhãn cho lệnh nhảy phải nằm trong chương trình. Nhãn của chương trình con hoặc chương trình xử lý ngắt được khai báo ở đầu chương trình. Không thể dùng lệnh nhảy JMP để chuyển điều khiển từ chương trình chính vào một nhãn bất kỳ trong chương trình con hoặc chương trình xử lý ngắt. Tương tự như vậy cũng không thể chuyển từ một chương trình con, hay một chương trình xử lý ngắt vào bất cứ một nhãn nào nằm ngoài chương trình đó.

Lệnh gọi chương trình con là lệnh chuyển điều khiển đến chương trình con. Khi chương trình con thực hiện xong các phép toán của nó thì việc chuyển điều khiển lại được chuyển về lệnh tiếp theo trong chương trình chính nằm ngay sau lệnh gọi chương trình con. Từ một chương trình con có thể gọi một chương trình con khác trong nó, có thể gọi như vậy nhiều nhất là 8 lần trong S7_200. Đệ quy (trong một chương trình con có một lệnh gọi đến chính nó) về nguyên tắc không bị cấm song phải chú ý đến giới hạn này.

Nếu lệnh nhảy hay lệnh gọi chương trình con được thực hiện thì đỉnh ngăn xếp luôn có giá trị bằng 1. Bởi vậy trong chương trình con các lệnh có điều kiện được thực hiện như các lệnh không có điều kiện. Sau các lệnh LBL (đặt nhãn) và SBR, lệnh LD trong STL sẽ bị vô hiệu hóa.

Khi một chương trình con được gọi, toàn bộ nội dung của ngăn xếp sẽ được cất đi, đỉnh của ngăn xếp nhận giá trị logic mới là 1, các bit còn lại của ngăn xếp nhận giá trị là 0 và điều khiển được chuyển đến chương trình con đã gọi. Khi thực hiện xong chương trình con và trước khi điều khiển được chuyển trở lại chương trình đã gọi nó, nội dung ngăn xếp đã được cất giữ trước đó sẽ được chuyển trở lại ngăn xếp.

Nội dung của thanh ghi AC không được cất giữ khi gọi chương trình con, nhưng khi chương trình xử lý ngắt được gọi, nội dung của thanh ghi AC sẽ được cất giữ trước khi thực hiện chương trình xử lý ngắt và nạp lại khi chương trình xử lý ngắt đã được thực hiện xong. Bởi vậy, chương trình xử lý ngắt có thể tự do sử dụng bốn thanh ghi AC của S7_200.

JMP, CALL. LBL, SBR: lệnh nhảy JMP và gọi chương trình con SBR cho phép chuyển điều khiển từ vị trí này đến vị trí khác trong chương trình. Cú pháp

322


của lệnh nhảy và lệnh gọi chương trình con trong LAD và trong STL đềi có toán hạng là nhãn chỉ đích (nơi nhảy đến, nơi chứa chương trình con).

5.3.8. Các lệnh can thiệp vào thời gian vòng quét.

MEND, END, STOP, NOP, WDR: Các lênh này được dùng để kết thúc chương trình đang thực hiện kéo dài khoảng thời gian của một vòng quét. Trong LAD và STL chương trình chính phải được kết thúc bằng lệnh kết thúc không điều kiện MEND. Có thể sử dụng kết thúc có điều kiện END trước lệnh kết thúc không điều kiện.

Lệnh STOP kết thúc chương trình nó chuyển điều khiển chương trình đến chế độ STOP. Nếu như gặp lệnh STOP trong chương trình chính, hoặc trong chương trình con thì chương trình đang thực hiện sẽ kết thúc ngay lập tức. Nếu như gặp lênh STOP trong chương trình xử lý ngắt thì chương trình xử lý ngắt sẽ kết thúc ngay lập tức và các tín hiệu ngắt chờ xử lý sau đó đều bị bỏ qua và không được thực hiện. Phần còn lại của chương trình cũng sẽ không đươc thực hiện. Việc thực sự chuyển sang chế độ STOP được thực hiện ở cuối chu kỳ quét hiện thời, sau giai đoạn giao tiếp với ngoại vi của vòng quét.

Lệnh rỗng NOP không có tác dụng gì trong việc thực hiện chương trình. Cần lưu ý lệnh NOP phải được đặt ngay trong chương trình chính, chương trình con hoặc chương trình xử lý ngắt.

Lệnh WDR sẽ khởi đông lại đồng hồ quan sát (Watch Dog Timer), và chương trình tiếp tục được thực hiện trong vòng quét ở chế độ quan sát. Khi trong chương trình có những lệnh lặp hoặc thời gian trễ quá lớn thì những quá trình sau đây sẽ bị hạn chế:

- Truyền thông (loại trừ kiểu Freeport).

- Cập nhật vào ra (trừ trường hợp vào ra tức thời).- Cập nhật cưỡng bức.

- Cập nhật các bit kiểu SM (SM0 và SM25 đến SM29 không cập nhật được).

- Chẩn đoán thời gian chạy.- Với các vong quét lớn hơn 25 giây thì các bộ timer có độ phân giải 10ms

và 100ms sẽ làm việc không chính xác.Nếu thời gian của vòng quét lớn hơn 300ms, hoặc một xử lý ngắt có

chương trình xử lý ngắt với thời gian chạy chương trình lâu hơn 300ms thì cần phải sử dụng lệnh WDR để khởi động lại đồng hồ quan sát.

Nhằm sử dụng lệnh WDR một cách hữu hiệu, S7_200 cung cấp 3 từ liền nhau trong vùng nhớ đặc biệt có địa chỉ SMW22. SMW24, SMW26 để ghi các giá trị về thời gian vòng quét kể từ khi S7_200 đưa vào chế độ RUN như thời gian quét ngắn nhất (trong từ SMW24), thời gian quét dài nhất (trong từ SMW26) và thời gian quét vừa được thực hiện (trong từ SMW22). Các từ này chỉ có thể truy nhập để đọc bằng chương trình. Chúng thuộc vùng nhớ chỉ đọc (Read Only).

323


5.3.9. Các lệnh về điều khiển Timer.

Timer là nộ tạo thời gian trễ giữa tín hiệu vào và tín hiệu ra nên trong điều khiển thường được gọi là khâu trễ. Nếu ký hiệu tín hiệu (logic) vào là x(t) và thời gian trễ được tạo ra bằng timer là τ thì tín hiệu đầu ra của timer đó là x(t-τ).

S7_200 có 128 timer (với CPU214) được chia làm hai loại khác nhau, đó là:

- Timer tạo thời gian trễ không có nhớ (On-Delay Timer), ký hiệu là TON.- Timer tạo thời gian trễ có nhớ (Retentive On-Delay Timer), ký hiệu là

TONR.Hai kiểu timer của S7_200 (TON và TONR) phân biệt với nhau ở phản ứng

của nó đối với trạng thái tín hiệu đầu vào.Cả hai timer kiểu TON và TONR cùng bắt đầu tạo thời gian trễ tín hiệu kể

từ thời điểm có sườn lên ở tín hiệu đầu vào, tức là khi tín hiệu đầu vào chuyển trạng thái logic từ 0 lên 1, được gọi là thời điểm timer được kích và không tính khoảng thời gian khi đầu vào có giá trị là 0 vào thời gian trễ tín hiệu được đặt trước.

Khi đầu vào có giá trị logic bằng không, TON tự động RESET còn TONR thì không tự động RESET. Timer TON được dùng để tạo thời gian trễ trong một khoảng thời gian ngắn (miền liên thông), còn với TONR thời gian trễ sẽ được tạo ra trong nhiều khoảng thời gian khác nhau.

Timer TON và TONR bao gồm ba loại với 3 độ phân giải khác nhau: 1ms, 10ms, 100ms. Thời gian trễ τ được tạo ra chính là tích của độ phân giải timer được chọn và giá trị đặt trước cho timer. Ví dụ timer có độ phân giải là 10ms và giá trị đặt trước là 50 thì thời gian trễ sẽ là τ =500ms.

Timer của S7_200 có những tính chất cơ bản như sau:- Các bộ timer được điều khiển bởi một cổng vào và giá trị đếm tức thời

của timer được nhớ trong thanh ghi 2 byte (gọi là T_word) của timer, xác định khoảng thời gian trễ kể từ khi timer được kích. Giá trị đặt trước của timer được ký hiệu trong LAD và STL là PT. Giá trị đếm tức thời của thanh ghi T-Word thường xuyên được so sánh với giá trị đặt trước của timer.

- Mỗi bộ time ngoài thanh ghi T_word lưu giá trị đếm tức thời, còn có một bit ký hiệu bằng T_bit, vhỉ thị trạng thái logic đầu ra. Giá trị logic của bit này phụ thuộc vào giá trị so sánh giữa giá trị đếm tức thời và giá trị đặt trước.

- Trong khoảng thời gian tín hiệu x(t) có giá trị logic 1, giá trị đếm tức thời trong T-word luôn được cập nhật và thay đổi tăng dần lên cho đến khi nó đạt giá trị cực đại. Khi giá trị tức thời lớn hơn hay bằng giá trị đặt trước thì T_Bit có giá trị logic là 1.

Các loại timer của S7_200 (đối với CPU212 và CPU214) chia theo TON và TONR và độ phân giải bao gồm:

324


Lệnh Độ phân giải

Giá trị cực đại

CPU214

TON

1ms 32,767s T32,T96

10ms 327,67s T33÷T36 ,T97÷T100

100ms 3276,7s T37÷T63

TONR

1ms 32,767s T0,T64

10ms 327,67s T1÷T4,T65÷T68

100ms 3276,7s T5÷T31,T69÷T95

Chú ý:Khi sử dụng timer kiểu TONR, giá trị đếm tức thời được lưu lại và

không bị thay đổi trong khoảng thời gian khi tín hiệu đầu vào có logic 0. Giá trị của T_ bit không được nhớ mà hoàn toàn phụ thuộc vào kết quả so sánh giữa giá trị đếm tức thời và giá trị đặt trước.

Các timer được đánh số từ 0 đến 63 (với CPU 212) hoặc từ 0 đến 127 (với CPU214). Mỗi timer được đặt tên là Txx với xx là số hiệu của Timer. Txx đồng thời cũng là địa chỉ hình thức, song T_word và T-Bit vẫn được phân biệt nhau nhờ kiểu sử dụng với Txx. Khi dùng lệnh làm việc với từ thì Txx được hiểu là địa chỉ của T-Word, ngược lại khi sử dụng lệnh làm việc với tiếp điểm thì Txx được hiểu là dịa chỉ của T-Bit.

Một Timer đang làm việc có thể đưa trở lại trạng thái khởi động ban đầu bằng cách RESET với lệnh RESET.

Khi reset một bộ timer, T-word và T-Bit của nó đồng thời được xóa và có giá trị bằng 0. Có thể reset bất cứ bộ timer nào của S7_200 bằng lệnh R(ESET).

Có hai phương pháp để reset một timer kiểu TON: xóa tín hiệu đầu vào hoặc dung lệnh reset (R).

Sau khi timer được kích, chúng làm việc độc lập với vòng quét (Scan) tức là thời điểm PLC cập nhật T_word và T-Bit để thay đổi giá trị đếm tức thời và trạng thái tín hiệu logic đầu ra không phụ thuộc vào chương trình và cũng không phụ thuộc vào trạng thái của T-bit. Tuy nhiên tần số cập nhật phụ thuộc vào độ phân giải của timer.

a) Cập nhật Timer có độ phân giải 1ms:CPU của S7-200 có các bộ timer có độ phân giải 1ms, cho phép timer cập

nhật và thay đổi giát trị đếm tức thời trong T_word mỗi một ms một lần. Các bộ timer với độ phân giải thấp cho phép thao tác chính xác một điều khiển.

Ngay sau khi bộ timer với độ phân giải 1ms được kích, việc cập nhật để thay đổi giá trị đếm tức thời trong T-word hoàn toàn tự động. Chỉ nên đặt giá trị rất nhỏ cho PT của bộ Timer có độ phân giải 1ms, tần số cập nhật để thay đổi giá trị đếm tức thời và của T-Bit của mỗi bộ timer không phụ thuộc vào vòng quét (Scan) của bộ điều khiển và vòng quét của chương trình chạy.

325


Do việc cập nhật T-word hoàn toàn tự động nên thời gian đặt trước có thể bị trôi trong khoảng 1ms. Do vậy, ví dụ đẻ có thể có được bộ thời gian trễ không quá 56ms thì nên đặt giá trị ban đầu PT cho timer là 57.

b) Cập nhật Timer có độ phân giải 1ms:

CPU của S7-200 có các bộ timer có độ phân giải 10ms, cho phép timer cập nhật và thay đổi giát trị đếm tức thời và trạng thái logic đầu ra của các bộ timer này không phụ thuộc vào chương trình và được tiến hành hoàn toàn tự động mỗi vòng quét một lần tại thời điểm đầu vòng quét.

Do việc cập nhật T-word hoàn toàn tự động nên thời gian đặt trước có thể bị trôi trong khoảng 10ms. Do vậy, ví dụ đẻ có thể có được bộ thời gian trễ không quá 140ms thì nên đặt giá trị ban đầu PT cho timer là 15.

c) Cập nhật Timer có độ phân giải 1ms:

Hầu hết các bộ Timer S7-200 là các bộ timer có độ phân giải 100ms. Giá trị để lưu trữ trong bộ timer 100ms được tính tại đầu mỗi vòng quét và thời gian để tính sẽ là khoảng thời gian từ đầu vong quét trước đó.

Việc cập nhật để thay đổi giá trị đếm tức thời của timer được tiến hành ngay tại thời điểm có lệnh khi báo cho timer trong chương trình. Bởi vậy quá trình cập nhật giá trị đếm tức thời không phải là quá trình tự động và không nhất thiết phải được thực hiện một lần mỗi vòng quét ngay cả khi Timer đã được kích. Đối với trường hợp lệnh timer 100ms được khai báo nhiều lần trong một vòng quét thì có thể xảy ra hiện tượng giá trị lưu trữ bị cộng nhiều lần với giá trị đếm tức thời. Vì vậy nên sử dụng lệnh khai báo timer 100 ms chính xác một lần trong một vòng quét.

d) Hiệu quả của việc cập nhật giá trị đếm tức thời của Timer 1ms, 10ms, 100ms.

Việc cập nhật giá trị đếm tức thời của các timer với độ phân giải khác nhau dược thực hiện tại những thời điểm khác nhau phụ thuộc vào cách sử dụng timer đó.

5.3.10. Các lệnh điều khiển Counter.

Counter là bộ đếm hiện chức năng đếm sườn xung trong S7_200. Các bộ đếm của S7_200 được chia làm hai loại: bộ đếm tiến (CTU) và bộ đếm tiến/lùi (CTUD).

Bộ đếm tiến CTU đếm số sườn lên của tín hiệu logic đầu vào, tức là đếm số lần đổi trạng thái logic từ 0 lên 1 của tín hiệu. Số sườn xung đếm được được ghi vào thanh ghi hai byte của bộ đếm gọi là thanh ghi C_Word.

Nội dung của C_Word, gọi là giá trị đếm tức thời của bộ đếm, luôn được so sánh với giá trị đặt trước của bộ đếm, được ký hiệu là PV. Khi giá trị đếm tức thời bằng hoặc lớn hơn giá trị đặt trước này thì bộ đếm báo ra ngoài bằng cách đặt giá trị logic 1 vào một bit đặc biệt của nó, được gọi là C_bit. Trường hợp giá trị đếm tức thời của nó nhỏ hơn giá trị đặt trước thì C_bit có giá trị logic là 0.

326


Khác với các bộ timer, các bộ đếm CTU đều có chân nối với tín hiệu điều khiển xóa để thực hiện lại việc đặt lại chế độ khởi phát ban đầu (reset) cho bộ đếm. Khi bộ đếm được reset cả C_word và C_bit đều nhận giá trị 0.

Bộ đếm tiến/lùi CTUD đếm tiến khi gặp sườn lên của xung vào cổng đếm tiến (CU trong LAD và bit thứ 3 trong ngăn xếp trong STL) và đếm lù khi gạp sườn lên của xung vào cổng đếm lùi (CD trong LAD hoặc bit thứ 2 trong ngăn xếp trong STL).

CTUD cũng được đưa về trạng thái khởi phát bằng hai cách: dùng lệnh reset với C_bit của bộ đếm hoặc cung cấp tín hiệu đầu vào logic của chân xóa.

CTUD có giá trị đếm tức thời đúng bằng giá trị đang đếm và được lưu trong thanh ghi 2 byte C_word của bộ đếm. Giá trị đếm tức thời luôn được so sánh với giá trị đặt trước PV của bộ đếm. Nếu giá trị đếm tức thời lớn hơn hoặc bằng giá trị đặt trước thì giá trị C_bit có giá trị bằng 1 còn các trường hợp còn lại C_bit có giá trị logic bằng 0.

Bộ đếm CTU có miền giá trị đếm tức thời từ 0 đến 32767. Bộ đếm tiến/lùi có miền giá trị đếm tức thời từ -32768÷32767.

Các bộ đếm được đánh số từ 0 đến 63 (đối với CPU 212) hoặc từ 0 đến 127 (đối với CPU 214) và được ký hiệu bằng Cxx, trong đó xx là số thứ tự của bộ đếm. Ký hiệu Cxx cũng là địa chỉ hình thức của C_word và C_bit. Tuy chúng có địa chỉ hình thức giống nhau nhưng chúng có thể phân biệt nhau nhờ cách truy xuất bit hay truy xuất từ.

5.3.11. Các lệnh về số học.

Những điểm cần lưu ý khi sử dụng toán tử với số nguyên và số thực:- Đối với các phép tính số học số nguyên:

• Nếu SM1.3 có giá trị logic bằng 1 trong khi đang thực hiện phép chia thì các bit thông báo trạng thái kết quả khác giữ nguyên và giá trị đầu vào các toán hạng không bị thay đổi.

• Giá trị logic của tất cả các bit thông báo trạng thái kết quả của phép tính số học đều đúng nghĩa sau khi đã thực hiện hoàn chỉnh phép tính đó.

- Đối với các phép tính số học trên số thực:

• Nếu SM1.3 có giá trị logic bằng 1 trong khi đang thực hiện phép chia thì các bit thông báo trạng thái kết quả khác giữ nguyên và giá trị đầu vào các toán hạng không bị thay đổi. SM1.1 dùng để báo lỗi khi kết quả bị tràn hoặc các kết quả đầu vào không hợp thức.

• Trường hợp SN1.1 có giá trị logic bằng 1, giá trị logic trịng thái của SM1.0 và SM1.2 sẽ không còn ý nghĩa và giá trị đầu vào toán hạng các toán hạng không bị thay đổi. Còn khi giá trị SM1.1 có giá trị logic bằng 0 (SM1.3 cũng không có giá trị logic bằng 1 nếu như đang thực hiện phép chia) thì phép tính số

327


học được hoàn thành với kết quả hợp thức và SM1.0 và SM1.2 có giá trị logic đúng bằng kết quả tính toán.

Các lệnh:a) ADD_I (trong LAD) hoặc +I (trong STL):là lệnh cộng hai số nguyên 16

bit (IN1 và IN2) kết quả được cất trong OUT(LAD) hoặc trong IN2(STL).b) SUB-I (trong LAD) hoặc -I (trong STL):là lệnh trừ hai số nguyên 16 bit

(IN1 và IN2) kết quả được cất trong OUT(LAD) hoặc trong IN2(STL).Các toán hạng:

IN1, IN2 (Word):VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số,*VD, *AC.

OUT (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, *VD, *AC.c) ADD_DI (trong LAD) hoặc +D (trong STL):là lệnh cộng hai số nguyên

32 bit (IN1 và IN2) kết quả được cất trong OUT(LAD) hoặc trong IN2(STL).d) SUB_DI (trong LAD) hoặc -D (trong STL):là lệnh trừ hai số nguyên 32

bit (IN1 và IN2) kết quả được cất trong OUT(LAD) hoặc trong IN2(STL).Các toán hạng:

IN1, IN2 (Double Word):VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD, *AC.

OUT (Double Word): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.e) ADD_R (trong LAD) hoặc +R (trong STL):là lệnh cộng hai số nguyên

32 bit (IN1 và IN2) kết quả được cất trong OUT(LAD) hoặc trong IN2(STL).f) SUB_R (trong LAD) hoặc -R (trong STL):là lệnh trừ hai số nguyên 32

bit (IN1 và IN2) kết quả được cất trong OUT(LAD) hoặc trong IN2(STL).Các toán hạng:

IN1, IN2 (Double Word):VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD, *AC.

OUT (Double Word): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.g) MUL: thực hiện nhân hai số nguyên 16 bit (IN1, IN2 trong LAD) hoặc

nhân số nguyên 16 bit n1 và số nguyên chứa trong từ thấp của toán hạng 32 bit n2 (trong STL) và cho ra kết quả chứa trong từ kép OUT(4 byte trong LAD) hoặc n2 (32 bit).

Toán hạng:

IN1, IN2, n1 (word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số,*VD, *AC.

OUT, n2(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.h) DIV: thực hiện nhân hai số nguyên 16 bit (IN1, IN2 trong LAD) hoặc

nhân số nguyên 16 bit n1 và số nguyên chứa trong từ thấp của toán hạng 32 bit n2

328


(trong STL) và kết quả 32 bit chứa trong OUT hoặc n2 gồm thương số ghi trong từ thấp (16 bit từ 0÷15) và phần dư ghi trong từ cao (16 bit từ 16÷31).

Toán hạng:IN1, IN2, n1 (word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng

số,*VD, *AC.OUT, n2(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.

i) MUL_R (trong LAD) hoặc *R trong STL: thực hiện nhân hai số thực 32 bit (IN1, IN2 trong LAD và STL) và cho ra kết quả chứa trong từ kép OUT(4 byte trong LAD) hoặc IN2 (32 bit).

Toán hạng:

IN1, IN2, n1 (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD, *AC.

OUT, n2(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.j) DIV_R (trong LAD) hoặc /R trong STL: thực hiện chia hai số thực 32

bit (IN1, IN2 trong LAD và STL) và cho ra kết quả chứa trong từ kép OUT(4 byte trong LAD) hoặc IN2 (32 bit).

Toán hạng:IN1, IN2, n1 (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD,

*AC.OUT, n2(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.

k) SQRT: lệnh thực hiện việc lấy căn bậc hai của số thực 32 bit IN. Kết quả cũng là một số thực 32 bit được ghi vào từ kép OUT (4 Byte).

Toán hạng:IN1, IN2, n1 (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD,

*AC.OUT, n2(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.

5.3.12. Lệnh tăng, giảm một đơn vị và lệnh giá trị thanh ghi.

Các lệnh tăng giảm và đảo sử dụng những ô nhớ đặc biệt mà lệnh đó sử dụng được trình bày trong bảng sau:

Lệnh Kiểu lệnh SM1.0

(kết quả 0)

SM1.1

(báo tràn)

SM1.2

(kết quả âm)

SM1.3

(Chia cho 0)

INVW Không dấu Có Không Không Không

INVD Không dấu Có Không Không Không

INCW Nguyên Có Có(1) Có Không

INCD Nguyên Có Có(1) Có Không

DECW Nguyên Có Có(1) Có Không

DECD Nguyên Có Có(1) Có Không

329


(1) Kết quả tràn khung.

a) INC_W (trong LAD) hoặc INCW (trong STL):lệnh cộng số nguyên 1 vào nội dung từ đơn. Kết quả được ghi vào OUT (trong LAD) hoặc ghi lại vào (IN trong STL).

Các toán hạng:IN (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số,*VD, *AC.

OUT (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, *VD, *AC. b) INC_W (trong LAD) hoặc INCW (trong STL):lệnh cộng số nguyên 1

vào nội dung từ kép. Kết quả được ghi vào OUT (trong LAD) hoặc ghi lại vào (IN trong STL).

Toán hạng:IN (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD, *AC.

OUT (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.c) DEC_W (trong LAD) hoặc DECW (trong STL):lệnh bớt nội dung từ

đơn đi một đơn vị. Kết quả được ghi vào OUT (trong LAD) hoặc ghi lại vào (IN trong STL).

Các toán hạng:IN (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số,*VD, *AC.

OUT (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, *VD, *AC.

d) DEC_DW (trong LAD) hoặc DECDW (trong STL):lệnh bớt nội dung từ đơn đi một đơn vị. Kết quả được ghi vào OUT (trong LAD) hoặc ghi lại vào (IN trong STL).

Toán hạng:

IN (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD, *AC.OUT(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.

e) INV_W (trong LAD) hoặc INVW (trong STL):lệnh đảo giá trị từng bit của từ đơn IN. Kết quả được ghi vào OUT (trong LAD) hoặc ghi lại vào (IN trong STL).

Các toán hạng:

IN (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số,*VD, *AC.OUT (Word): VW, T, C, IW, QW, MW, SMW, AC, *VD, *AC.

f) INV_DW (trong LAD) hoặc INVDW (trong STL):lệnh đảo giá trị từng bit của từ kép IN. Kết quả được ghi vào OUT (trong LAD) hoặc ghi lại vào (IN trong STL).

Toán hạng:

IN (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số,*VD, *AC.OUT (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.

330


5.3.13. Các lệnh dịch chuyển nội dung ô nhớ.

a) MOV_B (trong LAD) hoặc MOVB (trong STL): lệnh sao chép nội dung của byte IN sang byte OUT.

Toán hạng:

In: VB, IB, QB, MB, SMB, AC, hằng số, *VD, *AC.Out (BYTE): VB, IB, QB, MB, SMB, AC, *VD, *AC.

b) MOV_W (trong LAD) hoặc MOVW (trong STL): lệnh sao chép nội dung của từ IN sang byte OUT.

Toán hạng:In (từ): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số, *VD, *AC.

Out (từ): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, *VD, *AC.c) MOV_DW (trong LAD) hoặc MOVD (trong STL): lệnh sao chép nội

dung của từ kép IN sang byte OUT. Toán hạng:

In (từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số, *VD, *AC, &VB, &IB, &QB, &MB, &T, &C.

Out(từ kép): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.d) MOV_R (trong LAD) hoặc MOVR (trong STL): lệnh sao chép nội dung

của số thực IN sang byte OUT.Toán hạng:

In (từ): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, HC, hằng số, *VD, *ACOut(từ): VD, ID, QD, MD, SMD, AC, *VD, *AC.

e) SWAP: lệnh trao đổi nội dung của byte thấp và byte cao trong từ đơn IN.Toán hạng:

In (từ): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, *VD, *AC.

5.3.14. Các lệnh làm việc với mảng.

a) BLKMOV_B (LAD) hoặc BMB (STL): lệnh di chuyển nội dung của một mảng byte. Độ dài của mảng được xác định bởi N có kiểu byte, do vậy lớn nhất mảng chỉ có 255 byte. Byte đầu của mảng là IN (kiểu byte). Nơi đến xác định bằng byte đầu là OUT.

Toán hạng:In: VB, IB, QB, MB, SMB, *VD, *AC.

Out (BYTE): VB, IB, QB, MB, SMB, *VD, *AC.N(byte): VB, IB, QB, MB, SMB, AC, *VD, *AC, hằng số.

b) BLKMOV_B (LAD) hoặc BMB (STL): lệnh di chuyển nội dung của một mảng từ đơn. Độ dài của mảng được xác định bởi N có kiểu byte, do vậy lớn

331


nhất mảng chỉ có 255 từ đơn. Từ đơn đầu của mảng là IN (kiểu từ đơn). Nơi đến xác định bằng từ đơn đầu là OUT.

Toán hạng:In (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AIW, *VD, *AC.

Out (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AQW, *VD, *AC.N (từ đơn): ): VB, IB, QB, MB, SMB, AC, *VD, *AC, hằng số.

c)FILL_N (trong LAD) hoặc FILL (STL):lệnh ghi vào một mảng từ đơn giá trị của từ IN. Độ dài của mảng được xác định bởi N có kiểu byte, do vậy lớn nhất mảng chỉ có thể là 255 từ. Từ đơn của mảng là OUT (kiểu từ).

Toán hạng:

In (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AIW, hằng số, *VD, *AC.Out (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AQW, *VD, *AC.

N (từ đơn): ): VB, IB, QB, MB, SMB, AC, *VD, *AC, hằng số.

5.3.15. Các lệnh dịch chuyển thanh ghi.

a) Nhóm lệnh với thanh ghi có độ dài 16 hoặc 32 bit:Khi sử dụng các lệnh dịch chuyển các bit của từ đơn hay từ kép cần chú ý:

- Sẽ không thực hiện việc dịch chuyển nếu như số đếm lần đẩy bằng 0.- Nếu số đếm lần đẩy lớn hơn 0, bit nhớ tràn SM1.1 có giá trị logic cuối

cùng được đẩy ra.- Nếu số đếm lần đẩy lớn hơn hoặc bằng 16 khi dịch chuyển từ đơn hay 32

khi dịch chuyển từ kép, thì lệnh sẽ chỉ thực hiện với số đếm lần đẩy lớn nhất là 16 hoặc 32.

- Lệnh SRW (đẩy các bit từ đơn sang phải) và SRD (đẩy các bit từ kép sang phải) sẽ chuyển giá trị logic 0 vào bit cao nhất của từ hoặc từ kép tại mỗi lần đẩy. Sau khi thực hiện lệnh, bit SM1.1sẽ có giá trị logic của bit thứ N-1 của từ đơn hoặc từ kép, trong đó N là số lần đẩy.

- Lệnh SLW (đẩy các bit từ đơn sang trái) và SLD (đẩy các bit từ kép sang trái) sẽ chuyển giá trị logic 0 vào bit thấp nhất của từ hoặc từ kép tại mỗi lần đẩy. Sau khi thực hiện lệnh, bit SM1.1 sẽ có giá trị logic của bit thứ 16-N đối với từ đơn hoặc 32-N đối với từ kép, trong đó N là số lần đẩy.

- Bit báo kết quả 0 (bit SM1.0) sẽ có giá trị logic bằng 1 nếu sau khi thực hiện lệnh đẩy nội dung của từ đơn hay từ kép bằng 0.

Khi sử dụng các lệnh quay các bit của từ đơn hay từ kép cần chú ý:- Lệnh quay thực hiện phép đẩy vòng tròn sang trái hoặc sang phải các bit

của một từ đơn hoặc một từ kép. Tại mỗi một lần quay, giá trị logic của bit bị đẩy ra khỏi đầu này cũng là giá trị logic được đưa vào đầu kia của từ kép.

- Lệnh quay sẽ không được thực hiện nếu như số lần quay có giá trị bằng 0 hay là bằng một bội số của 16 ( đối với từ đơn) hoặc 32 (đối với từ kép).

332


- Đối với các giá trị khác của số đếm lần quay lớn hơn 16(đối với từ đơn) hoặc 32 (đối với từ kép), lệnh sẽ thực hiện với số đếm lần quay mới bằng phần dư của số đếm lần quay cũ chia cho 16 (đối với từ đơn) hoặc 32 (đối với từ kép).

- Lệnh RRW (quay sang phải đối với từ đơn) và RRD (lệnh quay sang phải từ kép) tại mỗi lần quay giá trị logic của bit thấp nhất trong từ hoặc từ kép được ghi vào báo tràn SM1.1. Sau khi thực hiện lệnh, bit SM1.1 sẽ có giá trị logic của bit thứ 16-N đối với từ đơn hoặc 32-N đối với từ kép, trong đó N là số lần đẩy.

- Lệnh RLW (quay sang trái đối với từ đơn) và RLD (lệnh quay sang trái từ kép) tại mỗi lần quay giá trị logic của bit cao nhất trong từ hoặc từ kép được ghi vào báo tràn SM1.1. Sau khi thực hiện lệnh, bit SM1.1 sẽ có giá trị logic của bit thứ N-1 đối với từ đơn hoặc từ kép, trong đó N là số lần đẩy.

- Bit báo kết quả 0 (bit SM1.0) sẽ có giá trị logic bằng 1 nếu sau khi thực hiện lệnh quay nội dung của từ đơn hay từ kép bằng 0.

Lệnh Kiểu lệnh SM1.0

(kết quả 0)

SM1.1

(báo tràn)

SM1.2

(kết quả âm)

SM1.3

(chia cho 0)

SRW Không dấu có có Không Không

SLW Không dấu có có Không Không

SRD Không dấu có có Không Không

SLD Không dấu có có Không Không

RRW Không dấu có có Không Không

RLW Không dấu có có Không Không

RRD Không dấu có có Không Không

RLD Không dấu có có Không Không

SHRB Không dấu Không có Không Không

Những điều sau đây chỉ đúng với các hàm dịch chuyển bit của từ đơn và từ kép:

- Nếu bộ đếm chuyển dịch có giá trị lớn hơn 0 thì bit nhớ tràn SM1.1 có giá trị logic của bit cuối cùng được đẩy ra.

- Bit báo kết quả 0 SM1.1 có giá trị logic 1 nếu sau khi lệnh được thực hiện, từ hoặc từ kép có nội dung bằng 0.

Những điều sau đây chỉ đúng với các hàm dịch chuyển bit của từ đơn và từ kép:

- Nếu bộ đếm dịch chuyển không phải là bội số nguyên của 16 (đối với việc quay từ) hoặc 32 (đối với việc quay từ kép) thì giá trị của bit cuối cùng bị đẩy ra ngoài sẽ được gán cho bit nhớ tràn SM1.1.

- Nếu bit báo kết quả 0 có giá trị logic 1 thì giá trị của từ hay từ kép được quay bằng 0.

b) Nhóm lệnh với độ dài thanh ghi tùy ý:

333


SHRB lệnh dịch chuyển các bit của thanh ghi một vị trí trong một vòng quét. Thanh ghi được xác định trong lệnh bằng các toán hạng S_bit chỉ địa chỉ bit thấp trong thanh ghi và N chỉ độ dài thanh ghi. Dấu của toán hạng N xác định chiều dịch chuyển từ bit thấp sang bit cao (N>0) hay ngược lại từ bit cao sang bit thấp (N<0). Tóan hạng DATA của lệnh là địa chỉ bit mà giá trị logic của nó sẽ được đẩy vào thanh ghi. Giá trị logic của bit bị đẩy ra khỏi thanh ghi được ghi vào bit báo tràn SM1.1.

5.3.16. Các lệnh làm việc với bảng:(chỉ có trong CPU214).

Bảng được định nghĩa là một mảng từ đơn xếp liền nhau từ địa chỉ thấp ở đầu bảng đến địa chỉ cao nhất ở cuối bảng. Hai từ đơn đầu tiên của bảng được dùng để quản lý bảng. Dữ liệu được ghi vào bảng bắt đầu từ từ đơn thứ ba trong bảng, mỗi dữ liệu chiếm một từ đơn. Một bảng nhiều nhất chỉ có thể chứa được 100 dữ liệu.

Hai từ đơn đầu bảng có ý nghĩa như sau:

- Từ đơn đầu, ký hiệu TL, chứa kích thước của bảng không kể hai từ đơn quản lý bảng, tức là số các từ đơn trong bảng được dùng để ghi dữ liệu.

- Từ đơn thứ hai, ký hiệu EC, của bảng dùng để ghi các dữ liệu hiện có trong bảng.

a) AT_T_TBL (LAD) hoặc ATT (trong STL):Lệnh ghi thêm vào bảng một dữ liệu kiểu từ đơn, được xác định bằng nội

dung của toán hạng DATA (kiểu từ) trong lệnh. Bảng được chỉ định trong lệnh bằng toán hạng TABLE xác định từ đầu tiên của bảng, tức là TL. Nếu bảng đầy tức là EC=TL, bit SM1.4 sẽ có giá trị logic bằng1. Dữ liệu mới được đưa vào sẽ nằm trong từ chưa dùng đầu tiên, tức là ngay sau dữ liệu được nhập trước đó. Khi lệnh được thực hiện xong nội dung của EC tăng lên một đơn vị.

Toán hạng:

- DATA (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số, *VD, *AC.

- TABLE (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, *VD, *AC.b) LIFO:

Lệnh lấy dữ liệu cuối của bảng ra khỏi bảng, tức là dữ liệu được nhập sau cùng. Nếu bảng trống tức là dữ liệu đã được lấy ra hết, hay EC=0, thì bit SM1.4 sẽ có giá trị logic bằng 1. Dữ liệu lấy ra được đưa vào DATA kiểu từ. Khi lệnh thực hiện xong nội dung của DATA giảm đi một đơn vị.

Toán hạng:- DATA (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AQW, *VD, *AC.

- TABLE (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, *VD, *AC.c) FIFO:

334


Lệnh lấy dữ liệu đầu tiên của bảng ra khỏi bảng, tức là dữ liệu được nhập đầu tiên. Nếu bảng trống tức là dữ liệu đã được lấy ra hết, hay EC=0, thì bit SM1.4 sẽ có giá trị logic bằng 1. Dữ liệu lấy ra được đưa vào DATA kiểu từ. Các dữ liệu còn lại trong bảng được dồn lên một vị trí để lấp chỗ trống vừa được lấy ra. Khi lệnh thực hiện xong nội dung của DATA giảm đi một đơn vị.

Toán hạng:

- DATA (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AQW, *VD, *AC.- TABLE (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, *VD, *AC.

5.3.17. Các lệnh tìm kiếm: Chỉ sử dụng đối với CPU214.

Chỉ sử dụng lệnh tìm kiếm để tìm dữ liệu trong bảng theo mẫu định trước. Mẫu định trước là nội dung của toán hạng PATRN của lệnh. Có bốn luật tìm kiếm: so sánh bằng nhau (=), só sánh khác nhau (<>), so sánh lớn hơn (>), so sánh nhỏ hơn (<).

Lệnh TBL FIND (trong LAD) hoặc END= (<>, >,<) SRC, PATRN, INDX: thực hiện việc tìm kiếm trong bảng xác định bởi SCR, bắt đầu từ vị trí INDX ô nhớ chứa dữ liệu theo mẫu PATRN luật tìm kiếm được quy định bởi CMD (có giá trị từ 1÷4 trong LAD) hoặc (+, <>, >, < trong STL). Khi tìm thấy INDX chỉ vào dữ liệu đầu tiên tìm được trong bảng và lệnh kết thúc. Do đó để tìm kiếm dữ liệu tiếp theo, INDX phải được tăng lên 1 và gọi lại lệnh này. Nếu như không tìm thấy, INDX có giá trị đúng bằng giá trị của bộ đếm EC.

5.3.18. Các hàm đổi dữ liệu.

a) ENCO: hàm xác định chỉ số thấp nhất có giá trị logic 1 trong một từ đơn.

b) DECO: hàm chuyển đổi một số nguyên trong khoảng 0÷15 thành chỉ số của bit trong một từ đơn.

c) ATH: Hàm chuyển đổi mã ASCII sang số nguyên hệ cơ số 16.d) HTA: hàm chuyển đổi một số nguyên hệ cơ số 16 thành mã ASCII.

e) SEG: hàm chuyển đổi sốnguyên hệ cơ số 16 trong khoảng 0÷F sang thành giá trị bit tương ứng của thanh ghi 7 nét.

f) BCDI (hoặc BCD_I trong LAD): hàm chuyển đổi một số nhị thập phân sang số nguyên.

g) IBCD (hoặc I_BCD trong LAD): hàm chuyển đổi một số nguyên sang số nhị thập phân.

h) TRUNC: hàm chuyển đổi số thực 32 bit sang số nguyên 32 bit có dấu, chỉ sử dụng đối với CPU214.

i) DTR (DI_REAL trong LAD): hàm chuyển đổi số nguyên 32 bit có dấu sang số thực 32 bit, chỉ sử dụng đối với CPU214.

335


5.3.19. Xây dựng cấu trúc vòng lặp.

Sử dụng vòng lặp FOR… NEXT để thiết kế một vòng lặp với số vòng lặp được chỉ định trong lệnh bằng hai toán hạng ITL kiểu từ đơn chỉ điểm khởi phát và FNL cũng kiểu từ đơn để chỉ điểm kết thúc. Ngoài ra lệnh còn sử dụng một từ đơn IDX để lưu số vòng lặp tức thời.

Tại thời điểm bắt đầu thực hiện vòng lặp FOR, từ đơn IDX nhận giá trị của ITL. Sau đó mỗi khi kết thúc một vòng lặp, tức là khi gặp lệnh NEXT, nội dung của IDX được tăng lên 1 và được so sánh với nội dung của FNL. Nếu nội dung của IDX chưa lớn hơn FNL, chương trình sẽ thực hiện lại vòng lặp, ngược lại khi nội dung của IDX đã lớn hơn FNL chương trình kết thúc lệnh FOR… NEXT bằng cách thực hiện lệnh nằm ngay sau câu lệnh NEXT. Khi gặp lệnh bit đầu tiên của ngăn xếp nhận giá trị là 1.

Toán hạng:IDX (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, *VD, *AC.

ITL (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số, *VD, *AC.

FNL (từ đơn): VW, T,C, IW, QW, MW, SMW, AC, AIW, hằng số, *VD, *AC.

5.3.20. Đồng hồ thời gian thực.

Chỉ được dùng trong CPU214. Các dữ liệu đọc ghi với đồng hồ thời gian thực trong LAD và trong STL có độ dài một byte và phải được mã hóa theo hệ nhị thập phân. Chúng nằm trong bộ đệm gồm 8 byte nằm liền nhau theo thứ tự.

Byte 0 Năm từ 0÷99

Byte 1 Tháng từ 0÷12

Byte 2 Ngày từ 0÷31

Byte 3 Giờ từ 0÷23

Byte 4 Phút từ 0÷59

Byte 5 Giây từ 0÷59

Byte 6 0

Byte 7 0 Ngày trong tuần

READ_RTC (trong LAD) hoặc TODR (trong STL): lệnh đọc nội dung của đồng hồ thời gian thực vào bộ đệm 8 byte được chỉ thị trong lệnh bằng toán hạng T.

SET_RTC (trong LAD) hoặc TODW (trong STL): lệnh ghi nội dung của bộ đệm 8 byte được chỉ thị trong toán hạng T vào đồng hồ thời gian thực.

336


Chú ý: Không được sử dụng các lệnh đọc và ghi của đồng hồ thời gian thực vừa trong chương trình chính vừa trong chương trình xử lý ngắt. Khi thực hiện chương trình xử lý ngắt thì các lệnh đọc và ghi đồng hồ thời gian thực sẽ không được thực hiện. Bit SM4.5 sẽ có giá trị logic 1 trong trường hợp như vậy.

5.3.21. Truyền thông trên mạng nhiều chủ.

Các lệnh đọc và ghi dữ liệu từ một trạm này đến bộ nhớ của bất cứ trạm (PLC) nào khác trong mạng nhờ cổng truyền thông. Các trạm được xác định để giao lưu với nhau thông qua địa chỉ quy ước của chúng (PLC station address). Một mạng thông thường có thể có tới 32 trạm. Nếu sử dụng bộ lặp (repeaters), số trạm trong mạng có thể được nâng lên con số tối đa là 125. Số dữ liệu nhiều nhất cho một lần truyền là 16 byte.

Các lệnh đọc ghi mảng dử liệu của một trạm khác qua cổng PORT là NETR và NETW. Kiểu truyền thông và mạng liên kết được xác định bằng nội dung quản lý bộ đệm truyền thông được chỉ thị trong lệnh bằng một toán hạng TABLE. Cùng một lúc chỉ có thể sử dụng tối đa 8 lệnh đọc và ghi trong mạng.

Toán hạng:

TABLE (Byte): VB, MB, *VD, *AC.PORT (Byte): hằng số 0.

Ngoài ra, để đảm bảo việc truyền thông đựơc an toàn cần phải khai báo sử dụng PPI protocol trước khi sử dụng lệnh NETR và NETW, tốt nhất là tại vòng quét đầu tiên của PLC.

PPI protocol là một bộ xác lập kiểu truyền tin nối tiếp 11 bit cho PLC bao gồm 1 bit Start, 8 bit dữ liệu (byte), 1 bit kiểm tra chẵn lẻ và 1 bit Stop.

Bộ đệm truyền thông có nhiều nhất là 23 byte được chia làm hai vùng: vùng các thông tin quản lý gồm 7 byte và vùng dữ liệu. Vùng dữ liệu có thể có tới 16 byte.

Cấu trúc của bộ đệm truyền thông, giả sử được khai báo trong trạm A để giao lưu dữ liệu với trạm B như sau:

Byte 7 6 5 4 3 2 1 0

0 Các bit trạng thái Xem bảng dưới

1Địa chỉ trạm B

Địa chỉ của trạm B mà trạm A giao lưu để truyền thông.

23

45

Con trỏ gián tiếp chỉ vùng địa chỉ trong B

Con trỏ chỉ vào đầu mảng dữ liệu được truyền thông trong trạm B

337


6 Độ dài mảng dữ liệu

7 Dữ liệu 0

8 Dữ liệu 1

… …

22 Dữ liệu 15

Mãng dữ liệu truyền thông trong trạm A. nếu kiểu truyền thông với B là để đọc thì sau khi thực hiện lệnh NETR, dữ liệu đọc được của B được ghi vào đây. Ngược lại nếu kiểu truyền thông là gửi thì dữ liệu của A gửi sang B phải được ghi vào mảng này trước khi gọi lệnh NETW.

Byte đầu tiên của bộ đệm gồm 8 bit truyền thông có cấu trúc như sau:

0

3

1

2

3

0 không có lỗi truyền thông.1 Lỗi quá thời gian trạm B không trả lời

2 Lỗi tín hiệu nhận (chẵn/lẽ)3 Lỗi ghép nối( lặp địa chỉ hoặc lỗi phần cứng).

4 Lỗi xếp hàng, quá nhiều lệnh NETR và NETW.5 Không khai báo PPI Protocol trong SM30.

6 Lỗi tham số. Bộ đệm truyền thông có tham số sai.7 Trạm B bận.

8 Lỗi tổ chức.9 Lỗi dữ liệu thông báo…

A_F chưa sử dụng

4 0

50 Không có lỗi.

1 Có lỗi

6 0 Không làm việc.

1 Có làm việc

7 0 Chưa thực hiện xong việc truyền thông.

1 Thực hiện xong việc truyền thông

5.3.22. Ngắt và xử lý ngắt.

Nguyên tắc cơ bản của một chế độ ngắt cũng giống như việc thực hiện lệnh gọi một chương trình con, sự khác nhau ở đây là việc gọi chương trình con được gọi một cách chủ động bằng lệnh CALL, còn xử lý ngắt được gọi bị động bằng một tín hiệu báo ngắt, hệ thống sẽ tổ chức gọi và thực hiện chương trình con tương ứng với tín hiệu báo ngắt đó, hay nói cách khác hệ thống sẽ tổ chức xử lý tín hiệu ngắt đó. Chương trình con này gọi là chương trình xử lý ngắt.

Trong CPU214 có các kiểu tín hiệu báo ngắt sau:

- Tám ngắt vào/ra theo sườn lên và sườn xuống của các cổng I0.0 ÷I0.3.

- Hai ngắt thời gian.

338


- Hai ngắt truyền thông nối tiếp (nhận và truyền).- Bảy ngắt bộ đếm tốc độ cao (CV=PV trên HSC0 và thay đổi, xóa ngoài và

CV=PV trên HSC1 và HSC2).- Hai ngắt đầu ra truyền xung là PTO0 và PTO1.

a) Thứ tự ưu tiên:

Nhóm ưu tiên CPU 214

Ngắt truyền thông 4

Ngắt vào/ra 16

Ngắt thời gian 4

b) Khai báo và hủy toàn cục chế độ ngắt:

Khi ở chế độ RUN toàn bộ chế độ ngắt khai báo trước sẽ tự động bị vô hiệu hóa, tất cả các chế độ ngắt có thể được kích cùng lúc bằng việc thực hiện việc kích chế độ ngắt toàn cục ENI.

Lệnh hủy toàn cục DISI sẽ vô hiệu hóa tất cả các chế độ ngắt. Tuy vậy vẫn cho phép các tín hiệu ngắt được xếp hàng chờ, nhưng không cho phép thực hiện bất cứ một chương trình xử lý ngắt nào.

c) Khai báo và hủy một chế độ ngắt:Để khai báo một chế độ ngắt phải thực hiện hai công việc kích tín hiệu báo

ngắt cho chế độ đó bằng lệnh ATCH và khai báo chương trình xử lý ngắt tương ứng bằng lệnh ngắt INT. Có thể gộp nhiều tín hiệu báo ngắt vào một chương trình xử lý ngắt, song một tín hiệu báo ngắt chỉ có thể có nhiều nhất một chương trình xử lý ngắt. Có thể hủy bỏ từng chế độ ngắt riêng biệt bằng lệnh DTCH. Lệnh này sẽ đặt một chế độ ngắt vào trạng thái không tích cực.

d) Chương trình xử lý ngắt:

Cũng giống như một chương trình con, chương trình xử lý ngắt có một nhãn riêng được đánh dấu tại đầu chương trình. Nhãn này được khai báo bằng lệnh INT. Tất cả các lệnh nằm giữa nhãn của chương trình xử lý ngắt và lệnh quay về không điều kiện RETI của chương trình xử lý ngắt đều thuộc về nội dung của chương trình xử lý ngắt.

e) Ngắt truyền thông:

Kiểu điều khiển truyền thông bằng chương trình được gọi là kiểu điều khiển cổng tự do (Freeport Control). Khi sử dụng chế độ truyền thông này, kiểu biên bản truyền thông freeport , tốc độ truyền tín hiệu, số bit được truyền cho một ký tự, chế độ kiểm tra (parity) phải được định nghĩa trước trong byte đặc biệt SMB30 như sau:

SMB30 Giải thích

339


m

m

Kiểu truyền thông:0 Point to Point (PPI)

1 Freeport10 PPI (bình dẳng)

11 Không sử dụng

b

b

b

Tốc độ truyền (Baud):

000 38.400 (CPU214) hay19.200 (CPU212).001 19.200

010 9.600011 4.800

100 2.400101 1.200

110 600111 300

dSố bit truyền:0 8 bit

1 7 bit

p

P

Kiểu kiểm tra (parity):

0 Không kiểm tra.1 Kiểm tra chẵn (even).

10 Không kiểm tra.11 Kiểm tra lẻ (Odd)

f) Ngắt vào/ra:Thuộc nhóm tín hiệu báo ngắt vào/ ra là:

- Tín hiệu báo ngắt khi có sườn lên hoặc sườn xuống của cổng đầu vào.- Tín hiệu báo ngắt của bộ đếm tốc độ cao.

- Tín hiệu báo ngắt của cổng truyền xung.g) Ngắt thời gian:

Tín hiệu báo ngắt theo thời gian được phát ra đều đặn theo chu kỳ thời gian. Chu kỳ phát tín hiệu báo ngắt theo thời gian là một số nguyên trong khoảng 5ms÷255ms và được xác định bởi giá trị của SMB34, cho tín hiệu báo ngắt thời gian 0 và của SMB35 cho tín hiệu báo ngắt thời gian 1.

ATCH: lệnh khai báo sử dụng một chế độ ngắt với kiểu (hay mã hiệu) được xác định bằng toán hạng EVENT(byte). Chương trình xử lý ngắt tương ứng được xác định bằng toán hạng INT(byte) trong lệnh. Sau khi khai báo tín hiệu báo ngắt của chế độ ngắt đó cũng được kích theo.

340


DTCH: Lệnh hủy bỏ một chế độ ngắt đã được khai báo sử dụng trước đó. Kiểu (hay mã hiệu) của nó được xác định bằng toán hạng EVENT (byte) trong lệnh.

INT: Lệnh sử dụng để khai báo một chương trình xử lý ngắt. Nhãn của chương trình được xác định trong toán hạng n của lệnh INT.

CRETI, RETI: là lệnh kết thúc có điều liện và không có điều kiện của một chương trình xử lý ngắt. Lệnh kết thúc không điều kiện thường đặt ở cuối chương trình xử lý ngắt.

DISI: Lệnh hủy bỏ toàn cục các chế độ ngắt đã được khai báo sử dụng trước đó. Lệnh này chỉ có tác dụng treo các tín hiệu báo ngắt lên và không xử lý chúng, nhưng vẫn cho phép chúng được ghi vào hàng chờ xử lý.

ENI: Lệnh khai báo toàn cúc các chế độ ngắt hoặc kích hoạt lại tất cả các chế độ ngắt đã bị hủy trước đó bằng lệnh DISI.

5.3.23. Sử dụng ngắt truyền thông.

a) Ghi dữ liệu lên mạng.Lệnh XMT làm việc với cổng truyền thông nối tiếp của PLC lệnh ghi dữ

liệu lên mạng. Toán hạng TABLE (VB, IB, QB, MB, SMB, *VD, *AC) của lệnh xác định mảng dữ liệu được chuyển. Toán hạng PORT 0 xác định tên cổng truyền thông được sử dụng.

b) Đọc dữ liệu từ mạng.

Khi chế độ ngắt truyền thông kiểu 8 đã được khai báo và chế độ truyền thông freeport phù hợp đã được xác định trong SMB30 thì mỗi khi có dữ liệu cùng kiểu trên mạng, dữ liệu sẽ được chuyển vào ô nhớ SMB2 theo từng byte.

Khác với việc ghi dữ liệu lên mạng, việc nhận dữ liệu nên được tiến hành trong chế độ ngắt truyền thông. Mỗi khi nhận được một ký tự, hệ thống sẽ phát ra một tín hiệu báo ngắt có mã hiệu 8. Những ký tự nhận được được hệ thống cất giữ trong SMB2 và chuyển nó tới vùng mong muốn.

5.3.24. Sử dụng bộ đếm tốc độ cao.

a) Nguyên lý hoạt động của bộ đếm tốc độ cao.HSC0: Bộ đếm HSC0 có một cổng vào là I0.0. Nó chỉ có một chế độ làm

việc duy nhất là đếm tiến và đếm lùi số các sườn lên của tín hiệu đầu vào tại cổng I0.0. Chiều đếm tiến và đếm lùi được quy định bởi trạng thái của bit SM37.3 như sau:

0 đếm lùi theo sườn lên của I0.0.

1 đếm tiến theo sườn lên của I0.0.Tần số đếm cực đại cho phép của HSC0 là 2KHz.

HSC1 ( chỉ có trong CPU214): là bộ đếm linh hoạt, sử dụng bốn đầu vào I0.6, I0.7, I1.0, I1.1 với 12 chế độ làm việc khác nhau:

341



Mô tả

0 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I0.6. Chiều đếm được quy định bởi SM47.3. Hoạt động của HSC1 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

1 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I0.6. Chiều đếm được quy định bởi SM47.3. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

2 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I0.6. Chiều đếm được quy định bởi SM47.3. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài; I1.1 làm tín hiệu khởi phát (start).

3 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I0.6. Chiều đếm được quy định bởi cổng I0.7. Hoạt động của HSC1 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

4 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I0.6. Chiều đếm được quy định bởi cổng I0.7. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

5 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I0.6. Chiều đếm được quy định bởi cổng I0.7. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài; I1.1 làm tín hiệu khởi phát (start).

6 Đếm tiến theo sườn lên của I0.6 và đếm lùi theo sườn lên của I0.7. Hoạt động của HSC1 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

7 Đếm tiến theo sườn lên của I0.6 và đếm lùi theo sườn lên của I0.7. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

8 Đếm tiến theo sườn lên của I0.6 và đếm lùi theo sườn lên của I0.7. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài. I1.1 làm tín hiệu khởi phát (start).

9 Đếm số lần lệch trạng thái của hai cổng vào I0.6 và I0.7 tức là khi kết quả của phép tính logic XOR giữa I0.6 và I0.7 là 1. Hoạt động của HSC1 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

10 Đếm số lần lệch trạng thái của hai cổng vào I0.6 và I0.7 tức là khi kết quả của phép tính logic XOR giữa I0.6 và I0.7 là 1. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

11 Đếm số lần lệch trạng thái của hai cổng vào I0.6 và I0.7 tức là khi kết quả của phép tính logic XOR giữa I0.6 và I0.7 là 1. HSC1 sử dụng I1.0 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài. I1.1 làm tín hiệu khởi phát (start).

HSC2 ( chỉ có trong CPU214): là bộ đếm linh hoạt, cũng giống như HSC1 nhưng chúng làm việc độc lập với nhau; thay vì sử dụng bốn đầu vào I0.6, I0.7,

342


I1.0, I1.1 thì HSC2 sử dụng các đầu vào I1.2, I1.3, I1.4, I1.5 với 12 chế độ làm việc khác nhau:


Mô tả

0 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I1.2. Chiều đếm được quy định bởi SM57.3. Hoạt động của HSC2 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

1 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I1.2. Chiều đếm được quy định bởi SM57.3. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

2 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I1.2. Chiều đếm được quy định bởi SM57.3. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài; I1.5 làm tín hiệu khởi phát (start).

3 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I1.2. Chiều đếm được quy định bởi cổng I1.3. Hoạt động của HSC2 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

4 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I1.2. Chiều đếm được quy định bởi cổng I1.3. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

5 Đếm tiến hoặc lùi sườn lên của I1.2. Chiều đếm được quy định bởi cổng I1.3. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài; I1.5 làm tín hiệu khởi phát (start).

6 Đếm tiến theo sườn lên của I1.2 và đếm lùi theo sườn lên của I1.3. Hoạt động của HSC2 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

7 Đếm tiến theo sườn lên của I1.2 và đếm lùi theo sườn lên của I1.3. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

8 Đếm tiến theo sườn lên của I1.2 và đếm lùi theo sườn lên của I1.3. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài. I1.5 làm tín hiệu khởi phát (start).

9 Đếm số lần lệch trạng thái của hai cổng vào I1.2 và I1.3 tức là khi kết quả của phép tính logic XOR giữa I1.2 và I1.3 là 1. Hoạt động của HSC2 hoàn toàn được điều khiển bởi hệ thống (không có tín hiệu kích và xóa từ bên ngoài).

10 Đếm số lần lệch trạng thái của hai cổng vào I1.2 và I1.3 tức là khi kết quả của phép tính logic XOR giữa I1.2 và I1.3 là 1. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài.

11 Đếm số lần lệch trạng thái của hai cổng vào I1.2 và I1.3 tức là khi kết quả của phép tính logic XOR giữa I1.2 và I1.3 là 1. HSC2 sử dụng I1.4 làm tín hiệu xóa (reset )từ bên ngoài. I1.5 làm tín hiệu khởi phát (start).

b) Thủ tục khai báo sử dụng bộ đếm tốc độ cao.

343


Khai báo sử dụng các bộ đếm HSC0, HSC1, HSC2 nên thực hiện tại vòng quét đầu tiên, khi mà bit SM0.1 có giá trị là 1. Thủ tục tốt nhất nên đựoc lập thành một chương trình con và chương trình con đó được gọi trong vòng quét đầu tiên bằng lệnh CALL.

5.3.25. Sử dụng hàm phát xung tốc độ cao.

CPU 214 sử dụng hai cổng Q0.0 và Q0.1 để phát dãy xung tần số cao hoặc tín hiệu điều xung theo độ rộng.

PTO là một dãy xung vuông tuần hoàn có chu kỳ là một số nguyên trong khoảng 250µs÷65.535µs hoặc từ 2µs÷65.535µs. Độ rộng mỗi xung bằng ½ chu kỳ của mỗi dãy.

PWM là một dãy xung tuần hoàn có chu kỳ là một số nguyên trong khoảng 250µs÷65.535µs hoặc từ 2µs÷65.535µs. Khác với PTO, độ rộng của mỗi xung có thể quy định được là một số nguyên nằm trong khoảng 0µs÷65.535µs hoặc 0ms÷65.535ms. Nếu độ rộng xung được quy định lớn hơn chu kỳ của PWM thì một tín hiệu có giá trị logic bằng 1, ngược lại sẽ có một tín hiệu logic 0.

Lệnh PLS lệnh phát xung tại cổng Q0.0 hoặc Q0.1 theo cấu trúc được định nghĩa trong byte điều khiển và các ô nhớ về chu kỳ độ rộng. Cổng xung phát ra được chỉ định trong toán hạng x (0 cho Q0.0 và 1 choQ0.1) của lệnh.

VI. Chương trình điều khiển băng tải (dùng S7-200)

Sơ đồ các tín hiệu vào ra tương ứng với các bộ phận

344


Network 1 là khởi động động cơ 1 chiều(tác dụng làm xích truyển động). Động cơ này có tín hiệu đầu ra là Q0.2 và tín hiệu đầu vào là I0.2Network 2 khi phôi đi đến công tắc hành trình1 thì trạng thái này sẽ được lưu vào biến nhớ M0.1trong thoài gian là 2.5s(có bộ đếm thời gian T37)

345


Network3 cho thấy sau khi pallet chạm vào công tắc hành trình 1 thì sau 2.5s(T37 có tín hiệu) lúc đó sẽ có tín hiệu đầu ra của Q0.3 tương ứng vứi xi lanh gạt 1 sẽ được đẩy ra và đưa pallet qua làn xích 2. Và sau 0.5s( điều khiển bởi T33) thì xi lanh gạt 1 sẽ tự động rút vềNetwork4 cho thấy ngay khi pallet chạm vào công tắc hành trình 2 (tín hiệu I0.4) thì lập tức xilanh chặn 1(đầu ra Q0.4) sẽ được đẩy ra và sẽ giữ ở vị trí đẩy trong 5s

346


Network 5 có tác dụng giống với network 4. Tức là khi pallet đến vị trí công tắc hành trình 3 (I0.5) thì xilanh chặn 2 (Q0.5) sẽ bắn ra và giữ trạng thái này trong 4sNetwork 6 có tác dụng giống network 2. Khi pallet chạm công tắc hành trình 4(I0.6)thì sẽ lưu trạng thái này vào biến nhớ M2.1. Có T101 điều khiển thời gian(2.5s)

Network 7 sẽ làm nhiệm vụ đẩy xilanh gạt 2 (Q0.6) sau 4s khi pallet chạm công tắc hành trình 4(I0.6). Và sẽ rút xi lanh vào sau 0.5s.

347

báo cáo Đồ án minicim

Documents