Robot khí nén
1. Giới thiệu điều khiển chính xác vị trí xi lanh
Hệ truyền động khí nén giữ một vai trò quan trọng trong công nghiệp. Trong bài viết tổng quan về hệ thống khí nén mình đã giới thiệu cho các bạn kiến thức tổng quan hệ thống khí nén trong đó xi lanh khí được coi là trái tim của hệ thống. Trong các ứng dụng thông thường, xi lanh khí chỉ được điều khiển on – off . Việc điều khiển chính xác vị trí xi lanh khí nén gặp rất nhiều khó khăn vì một số nguyên nhân mà mình đã giới thiệu trong bài viết thông số kĩ thuật của xi lanh . Tuy vậy với sự phát triển của bộ điều khiển logic plc việc điều khiển chính xác vị trí xi lanh khí trở nên đơn giản hơn. Trong bài này, mình sẽ giới thiệu cho các bạn.
Trước hết để các bạn cần hiểu được điều khiển xi lanh là thế nào. Trong các ứng dụng thông thường, xi lanh khí hay được điều khiển on – off. Tức là người ta sẽ điều khiển on- off các van khí nén của hệ thống kết nối với xi lanh theo tín hiệu bật tắt. Dựa theo tín hiệu đó xi lanh sẽ chuyển động tới hết hành trình rồi trở về vị trí lúc bắt đầu. Nếu hoạt động như vậy, chúng ta sẽ chỉ có thể đạt được hai vị trí tại hai đầu xi lanh. Điều này là vô cùng hạn chế với những yêu cầu đòi hỏi sự linh hoạt như cánh tay robot. Chính vì vậy, việc tìm cách điều khiển chính xác vị trí xi lanh tới mọi vị trí sẽ giúp ích rất nhiều trong công nghiệp.
Xi lanh đặc biệt
Về các thiết bị chuẩn bị cho việc điều khiển chính xác vị trí xi lanh, các bạn cần có một xi lanh khí nén loại đặc biệt. Đặc biệt ở đây chính là nói đến xi lanh khí nén có chất lượng tốt từ các hãng uy tín trên thế giới chứ không phải là xi lanh chúng ta mua ở các cửa hàng nhỏ lẻ. Chất lượng của xi lanh ảnh hưởng rất lớn tới độ chính xác của vị trí xi lanh trong quá trình điều khiển. Và tất nhiên, xi lanh khí nén loại này thường đắt hơn rất nhiều so với loại thông thường.
Cảm biến hành trình
Thứ hai, chúng ta cần chuẩn bị một cảm biến hành trình. Cảm biến hành trình loại biến trở, tức là dựa vào vị trí, biến trở sẽ xuất ra một tín hiệu dòng điện nhất định với một hiệu điện thế ban đầu cố định. Dựa vào tín hiệu dòng điện thu được, chúng ta có thể điều khiển được vị trí xi lanh khí nén một cách tùy ý.
Van tỉ lệ
Thứ ba là một van tỉ lệ hoặc van Servo- thiết bị giá trị nhất trong bộ thí nghiệm. Đây chính là thiết bị trực tiếp tạo nên sự chính xác của vị trí xi lanh. Tùy thuộc vào độ mở của van mà xi lanh sẽ chuyển động nhanh hay chậm để đạt được vị trí yêu cầu. Van tỉ lệ hay van secvo là một loại vẫn cao cấp nhất trong hệ thống van với các chức năng đặc biệt. Loại van này có khả năng hoạt động ở tần số cao, có chức năng phản hồi đi kèm và đi kèm là một bộ card điều khiển. Nó có độ chính xác cao nhất trong họ nhà van. Vì thế mà giá trị của mỗi chiếc van này thường có giá vài nghìn đô. Trong bài này, mình phải sử dụng van phân phối 5/3.
Van tỉ lệ và card
Tiếp theo các bạn phải chuẩn bị một chiếc plc s7 1200 của siemen. Mình hay dùng loại này nên các bạn thường dùng loại khác hơi khó hiểu một chút. Tuy nhiên, kiểu điều khiển hay tập lệnh vẫn giống như vậy. PLC s7 1200 sẽ nhận tín hiệu từ cảm biến và xuất tín hiệu dòng điện để điều khiển việc đóng mở van. Phần viết chương trình, mình sẽ giới thiệu cho các bạn ở phần tiếp theo.
Đó là tất cả các thiết bị các bạn cần chuẩn bị để có thể điều khiển chính xác vị trí xi lanh. Tất nhiên, còn một số thiết bị phụ như nguồn khí nén, cút nối ống khí thì mình không cần trình bày nữa. Chúng ta bắt đầu vào phần thực hành thôi nào.
2. Điều khiển chính xác vị trí xi lanh
a. Nguyên lí điều khiển
Khác với điều khiển on – off bộ điều khiển chỉ nhận tín hiệu rời rạc, khi điều khiển chính xác vị trí xi lanh khí, bộ điều khiển cần liên tục nhận tín hiệu gửi về từ cảm biến để biết chính xác vị trí xi lanh đang ở và gửi tín hiệu liên tục để điều khiển vị trí mở của van. Chính vì vậy mà bộ điều khiển plc luôn luôn phải quét vòng lặp chu kì với thời gian rất nhỏ, cỡ mili giây. Đó là tín hiệu dạng analog.
Chúng ta đều biết rằng, bộ điều khiển” không có mắt” vì thế chúng không thể nào biết được vị trí mà xi lanh đang ở và cần bao nhiêu thời gian để đạt được vị trí đó. Chính vì thế, chúng ta cần một công cụ chuyển đổi vị trí thành tín hiệu mà bộ điều khiển logic có thể dễ dàng hiểu hơn. Đó chính là tín hiệu dòng điện hoặc hiệu điện thế.
Tín hiệu bộ điều khiển logic plc nhận được là giá trị dòng điện mà cảm biến trả về tùy thuộc vào vị trí xi lanh. Dựa vào tín hiệu dòng điện đó, bộ điều khiển sẽ chuyển đổi thành số nhị phân và so sánh với ” mốc” cần đạt. Sau đó sẽ xuất tín hiệu để điều khiển độ mở của van. Nếu như khoảng cách hiện tại ở rất xa khoảng cách cần đạt được, van sẽ được mở to hết cỡ. Càng nhỏ thì độ mở của van sẽ nhỏ dần. Đó là nguyên lí điều khiển chính xác xi lanh.
Nếu các bạn học điều khiển tự động hóa, thì sẽ dễ dàng hơn cho việc hiểu phần tiếp theo mình sẽ nói. Tuy nhiên, mình sẽ cố gắng diễn đạt để các bạn không thuộc chuyên ngành này hiểu. Các bạn chuyên ngành tự động hóa có thể bỏ qua phần này và chuyển sang phần tiếp theo. Trong điều khiển, người ta luôn quan tâm tới 3 thông số đó là giá trị thay đổi, thời gian đáp ứng được ” mốc”, và làm thế nào để không vượt quá giá trị mong muốn.
Robot trong phòng mổ ứng dụng điều khiển chính xác vị trí xi lanh
Giá trị thay đổi được xác định theo tỉ lệ sai số. Có thể hình dung thế này, tại một vị trí nhất định, bộ điều khiển sẽ thực hiện động tác lấy hiệu của “mốc” và vị trí hiện tại. Đây chính là giá trị của sai số mà mình vừa nhắc đến. Nếu giá trị sai số này càng lớn, thì khoảng thay đổi mỗi lần càng phải lớn để xi lanh sớm đạt tới vị trí mong muốn. Ví dụ như bạn nhìn thấy nhà bạn ở rất xa, bạn cần phải giang rộng bước chân của mình để nhanh chóng về nhà. Đó là ý nghĩa của giá trị thay đổi. Dân chuyên ngành gọi là hệ số Kp. Tuy nhiên, việc xác định ” bước chân” này cần phải thận trọng vì nếu bước quá đà, bạn sẽ đi qua nhà. Trong điều khiển, người ta tránh trường hợp này vì bạn cứ giả sử, nếu như bạn dùng xi lanh để điều khiển vị trí dao mổ, nếu quá đà thì chuyện gì sẽ xảy ra ?
Tiếp theo là thời gian xảy ra sự thay đổi đó.Tức là thời gian để các bạn dơ chân ra bước. Trên đây khi bước, chúng ta mới chỉ đề cập tới độ lớn bước chân Kp. Thời gian dơi bước chân hay còn gọi là tần suất bước chân của chúng ta sẽ giúp chúng ta bước được nhiều bước hơn. Do vậy, chúng ta sẽ nhanh về nhà hơn rất nhiều. Dân chuyên ngành người ta gọi là thời gian đạt tới ” mốc”. Tất nhiên, chúng ta mong muốn thời gian này càng nhỏ càng tốt. Đó là hệ số Ki. Nếu tần số này quá cao thì cũng tăng nguy cơ chúng ta đi qua nhà.
Cuối cùng là thông số hạn chế việc bạn đi qua nhà. Nó đảm bảo cho bạn bước những bước nhỏ tránh việc đi xa mất kiểm soát và tăng độ ổn định của hệ thống song lại bị hạn chế bởi việc kéo dài thời gian đáp ứng. Thông số này có tác dụng ngược với hai thông số trên.
Như vậy là các bạn đã biết hết các thông số làm quá trình điều khiển của chúng ta đạt được những kết quả tối ưu nhất. Các hệ số Kp, Ki, Kd có thể xác định được bằng thủ công hay tự động. Nếu các bạn là người mới bắt đầu thì nên để bộ điều khiển tự động xác định các hệ số trên. Kết quả thu được tương đối tốt. Nếu các bạn đã có chút kinh nghiệm hay kiến thức về điều khiển thì có thể tự xác định các hệ số.
Phần chương trình điều khiển, mình xin hướng dẫn ở bài tiếp theo do hiện tại các hệ số mình muốn tối ưu hơn nữa.
THỦY KHÍ HÙNG ANH là công ty phát triển và cung cấp các phần tử thủy lực uy tín và chất lượng từ các hãng Rexroth, Parker, Yuken, Festo hay SMC. Chúng tôi cam kết mang đến sự lựa chọn tuyệt vời và tư vấn miễn phí cho các bạn. Còn chần chừ gì nữa mà không gọi ngay cho chúng tôi để có được sự hài lòng nhất. Với đội ngũ tiến sĩ kỹ sư trẻ năng động trong và ngoài nước trên 5 năm kinh nghiệm hy vọng sẽ mang lại sự lựa chọn tốt nhất cho khách hàng.
Sự cố của các bạn là trách nhiệm của chúng tôi! Gọi ngay đi!
