Luận văn Thiết kế tủ PLC điều khiển mổ phỏng quá trình di chuyển của tay may theo chu trình đặt trước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO 
TRƯỜNG 
Luận văn 
Thiết kế tủ PLC điều khiển mổ phỏng quá trình di 
chuyển của tay may theo chu trình đặt trước. 
1 
Lời Mở Đầu 
Trong nền sản xuất công nghiệp hiện nay các nhà máy xí nghiệp có quy mô lớn 
với quy trình công nghệ sản xuất tiên tiến hiện đại phát triển ngày càng nhiều. Từ các 
dây chuyền cáng thép, đúc phôi thép có dây truyền dài đến vài trăm mét đến hệ thống 
dây chuyền đóng gói sản phẩm liên hoàn,Trong hầu hết các xí nghiệp nhà máy đều 
cần phải có các cơ cấu di chuyển dùng để di chuyển các máy chạy trên đường ray, 
hoặc không có đường ray, các cơ cấu nâng hạ. Trong xu thế phát triển hiện nay các 
nhà máy xí nghiệp ứng dụng kỹ thuật rôbot trong công nghiệp để nâng cao năng suất 
dây truyền công nghệ, nâng cao chất lượng và khả năng cạnh tranh của sản phẩm, 
đồng thời cải thiện điều kiện lao đông . Sự cạnh tranh hàng hoá đặt ra một vấn đề thời 
sự là làm sao để hệ thống tự động hoá sản xuất phải có tính linh hoạt nhằm đáp ứng 
với sự biến động thường xuyên của thị trường hàng hoá. Các cơ cấu di chuyển và nâng 
hạ công nghiệp là bộ phận cấu thành không thể thiếu trong hệ thống sản xuất tự động 
linh hoạt đó. 
Trong quá trình hiện đại hóa nền công nghiệp hiện nay của nước ta, rất nhiều 
máy móc và dây truyền hiện đại được nhập về. Trong đó được các nhà máy xí nghiệp 
quan tâm nhiều nhất là các cơ câu di chuyển và các cơ cấu nâng hạ để nâng cao năng 
suất của dây truyền công nghệ. Hầu hết các hệ thống này đều sử dụng thiết bị điều 
khiển khả trình PLC, nó có khả năng tự động hóa và tối ưu điều khiển rất cao. Thiết bị 
điều khiển khả trình PLC đã và đang được áp dụng rãi trong các dây chuyền sản xuất, 
nó làm giảm giá thành công nghệ, giảm độ phức tạp của mạch điều khiển, có khả năng 
làm việc trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Tuy nhiên nó cũng đòi hỏi đội ngũ kĩ sư và 
công nhân kỹ thuật lành nghề để vận hành hệ thống an toàn cho con người và cho thiết 
bị cũng như đạt năng suất và hiệu quả cao nhất. 
Sau quá trình học tập tại trường em được giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế tủ 
PLC điều khiển mổ phỏng quá trình di chuyển của tay may theo chu trình đặt 
trƣớc.” 
Đồ án bố cục gồm 4 chương : 
Chương 1 : Tổng quan về cơ cấu di chuyển 
2 
Chương 2 : Giới thiệu tổng quát về PLC và ngôn ngữ lập trình của PLC 
S7-200 của SIEMENS 
Chương 3 : thiêt kế bộ điều khiển trượt cho tay máy roobot 2 bậc tự do 
Chương 4 : Mô hình mô phỏng quá trình di chuyển của tay máy 
3 
CHƢƠNG 1 
TỔNG QUAN VỀ CÁC CƠ CẤU DI CHUYỂN 
1.1 Tổng quan về các cơ cấu di chuyển 
1.1.1 Giới thiệu 
Cơ cấu di chuyển dùng để di chuyển các máy trục chạy trên đường ray hoặc 
không có đường ray, loại này có thể di chuyển trên mặt đất. 
Thông thường các cơ cấu di chuyển gồm các bộ phận chính sau : 
- Động cơ điện. 
- Hệ thống phanh. 
- Hộp giảm tốc. 
- Các bánh xe. 
- Các trục truyền động và khớp nối từ hộp giảm tốc ra các bánh xe di chuyển. 
Cơ cấu di chuyển không cần đường ray 
Hình 1.1. Máy xúc gàu ngược di chuyển bằng xích 
4 
Hình 1.2. Máy xúc gàu ngược di chuyển bằng bánh lốp 
Cơ cấu di chuyển trên đường ray. 
Hình 1.3. Cầu trục hai dầm kiểu hộp di chuyển trên ray 
5 
1.1.2 Một số sơ đồ động của cơ cấu di chuyển thƣờng dùng trong máy 
trục. 
a. Cơ cấu di chuyển với trục truyền động quay chậm. 
Hình 1.3 Cơ cấu di chuyển với trục truyền động quay chậm 
1. Động cơ điện. 
2. Hệ thống phanh và khớp nối. 
3. Gối đỡ trung gian 
4. Khớp nối. 
5. Hộp giảm tốc 
6. Trục truyền động 
7. Bánh xe 
Ưu điểm : 
 Mômen xoắn lớn. 
 Yêu cầu chế tạo, lắp ráp trục truyền động không cần độ chính xác cao. 
Nhược điểm : 
6 
 Trục truyền to, nặng. 
b. Cơ cấu di chuyển với trục truyền động quay trung bình. 
Hình 1.4 Cơ cấu di chuyển với trục truyền động quay trung bình 
1. Động cơ điện. 
2. Hệ thống phanh và khớp nối. 
3. Bánh xe . 
4. Khớp nối. 
5. Hộp giảm tốc. 
6. Trục truyền động. 
7. Gối đỡ trung gian. 
8. Cặp bánh răng phụ. 
Ưu điểm : 
 Trọng lượng trục truyền, khớp nối và các gối đỡ trục giảm hơn sao với sơ đồ trên. 
Nhược điểm : 
 Có thêm cặp bánh răng phụ hoặc hộp gỉm tốc tại các bánh xe nên công. việc lắp đặt 
gặp khó khăn hơn. 
 Tăng giá thành sản xuất do có thêm nhiều chi tiết hơn. 
7 
 Giảm hiệu suất truyền động tới các bánh xe. 
c. Cơ cấu di chuyển với trục truyền động quay nhanh. 
Hình 1.5 Cơ cấu di chuyển với trục truyền động quay nhanh 
1. Động cơ điện. 
2. Hệ thống phanh và khớp nối. 
3. Khớp nối. 
4. Hộp giảm tốc. 
5. Bánh xe. 
6. Gối đỡ trung gian. 
Ưu điểm : 
 Đường kính trục truyền nhỏ hơn 2-3 lần so với 2 trường hơp trên. 
 Khối lượng trục truyền nhỏ hơn 4-6 lần so với 2 trường hợp trên. 
Nhược điểm : 
 Trục quay nhanh nên momen xoắn nhỏ. 
 Chế tạo lắp ráp phải chính xác. 
 Các gối đỡ phải đủ cứng vững. 
 Dùng nhiều gối đỡ nên giảm hiệu suất truyền động. 
8 
d. Cơ cấu di chuyển gồm hai dẫn động riên biệt, không có trục truyền động. 
Hình 1.6 Cơ cấu di chuyển gồm hai dẫn động riêng biệt 
1. Động cơ điện. 
2. Khớp nối và phanh. 
3. Hộp giảm tốc. 
4. Khớp nối. 
5. Bánh xe. 
Ưu điểm : 
Sử dụng khi tầm rộng lớn. 
Đảm bảo độ cứng vững của máy. 
Kết cấu nhỏ gọn. 
 Tăng hiệu suất truyền động do không qua nhiều khớp và gối đỡ. 
Nhược điểm : 
 Mômen xoắn nhỏ. 
 Dể bị lệch khỏi mặt phẳng ngang. 
 Yêu cấu lắp ráp phải chính xác. 
Thông qua việc phân tích các loại sơ đồ động của cơ cấu di chuyển, trong luận văn này 
chọn sơ đồ (d) làm sơ đồ thiết kế cơ cấu di chuyển. 
9 
1.2 Xác định kích thƣớc bánh xe 
1.2.1 Khái niệm và phân loại bánh xe 
a. Khái niệm 
Bánh xe là bộ phận giúp toàn bộ hệ thống máy di chuyển trên đường ray. Yêu cầu cơ 
bản của bánh xe là khi làm việc không trật khỏi đường. Để đảm bảo điều đó, các bánh 
xe có thể có hai gờ ở hai bên hay có một gờ. Tác dụng của gờ là dẫn cho bánh xe chạy 
trên đường ray mà không bị trật khỏi đường ray. nếu bánh xe có một gờ thì để cho 
bánh xe không trượt trật khỏi đường ray, các gờ bánh xe trên hai đường ray nên đặt đối 
xứng nhau. Trong trường hợp bánh xe không có gờ thì để bánh xe không trật khỏi ray 
người ta đặt các con lăn dọc hai bên của đường ray. 
b. Phân loại 
 Theo nhiệm vụ có thể chia ra bánh xe dẫn và bánh xe bị dẫn. Bánh xe dẫn được 
truyền chuyển động từ cơ cấu di chuyển và lăn được trên ray nhờ lực bám giữa bề mặt 
bánh xe và bề mặt ray. Bánh xe bị dẫn chỉ làm nhiệm vụ tựa và quay quanh trục của 
nó. 
 Theo hình dáng bề mặt lăn có thể chia làm ba loại : hình trụ, hình nón, hình trống. 
Bánh xe hình trụ được sử dụng rộng rãi nhất trong các máy trục chạy trên đường thẳng 
như các xe lăn và cầu trục. Tuy nhiên khi chuyển động các gờ sẽ tự động điều chỉnh xe 
lăn, cầu trục khỏi bị lệch nghiêng khỏi đường ray, do đó các gờ bánh xe làm tăng lực 
cản lăn và làm bánh xe nhanh mòn. Với các máy trục chạy trên đường cong nên dùng 
các bánh xe dẫn động hình nón để tăng tính linh hoạt di chuyển và để giảm nhỏ lực 
cản di chuyển. Còn các bánh xe hình trống chủ yếu dùng cho xe con chạy trên cạnh 
đường ray chữ I. Các bánh xe bị dẫn bao giờ cũng làm có dạng hình trụ. 
 Đối với các bánh xe, bề mặt lăn và mặt trong của gờ cần đảm bảo độ bóng khi gia 
công không thấp hơn ∇5. Với mục đích bù trừ sai lệch khi lắp ráp, bề rộng làm việc 
của bánh xe thường lấy lớn hơn bền rộng ray : đối với bánh xe hai gờ hình trụ lớn hơn 
30 mm và hình nón 40 mm ; đối với bánh xe xe lăn 15-20 mm; đối với bánh xe một gờ 
30 mm. 
 Khi làm việc bánh xe chiệu tải rất lớn nên rất mau mòn. Vì thế để đảm bảo độ bền 
lâu các bánh xe được chế tạo bằng thép cácbon 45, 55 hay thép hợp kim. bề mặt lăn 
của bánh xe cần được nhiệt luyện đạt độ cứng 300-350 HB với độ sâu 15 mm. Các 
10 
bánh xe lăn bằng gang đúc không thấp hơn gang GX 15-32 và chỉ dùng trong các cơ 
cấu di chuyển dẫn động bằng tay. Các bánh xe có đường kính lớn để tiết kiệm kinm 
loại tốt, chỉ dùng vòng thép mỏng ghép vào vành bánh xe. 
 Để giảm lực cản lăn, tăng độ ổn định và tiện lợi trong sử dụng, các bánh xe của xe 
lăn và máy trục thường dùng ổ lăn, ít ùng ổ trượt. đường kính lớn nhất của bánh xe 
không nên lớn hơn 1000 mm. 
1.2.2 Chọn loại và kích thƣớc bánh xe 
Trong luận văn này nghiên cứu sử dụng loại bánh xe không có gờ bên, các bánh 
xe được dẫn hướng nhờ hai con lăn ở hai bên má ray. 
 Hình 1.7. Bánh xe và cụm con lăn dẫn hướng 
Theo ГОСТ 3569-60. Đường kính bánh xe sơ bộ chọn Dbx=630 mm . Căn cứ kích 
thước bánh xe theo ГОСТ 3569-60, tương ứng với Dbx=630 mm chọn thép vuông 
100 x 100 để làm ray cho máy di chuyển. 
Tải trọng tácdụng lên bánh xe : Do đặc thù của máy dùng để cào liệu, vì vậy tải trọng 
tác dụng lên bánh xe chủ yếu là trọng lượng bản thân máy tác dụng lên. trọng lượng 
của vật cào bé hơn rất nhiều lần so với trọng lượng máy nên trong tính toán ta bỏ qua 
thành phần này. Khi máy cào không làm việc xem như tải trọng phân bố điều trên các 
bánh xe. Khi máy làm việc do quá trình nâng hạ cần cào nên trọng tâm của máy thay 
11 
đổi. Trường hợp xấu nhất là tải trọng chỉ tập trung lên hai bánh xe của cùng một 
đường ray. Khi đó áp lực lớn nhất tác dụng lên một bánh xe tính theo : 
Pmax=G0+Q2=5000002=250000N 
Trong đó 
 0+ Trọng lượng bản thân máy và bộ phận mang vật. 
 Chọn sơ bộ 500000 N 
Tải trọng tương đương tác dụng lên bánh xe tính theo công thức 3.65[1] : 
Pbx=γ.kbx.Pmax=0,8.1,2.250000=240000N 
Trong đó : 
=0,8 bảng 3.13 [1] 
=1,2 bảng 3.12 [1] 
Sức bền dập của bánh xe : 
Bánh xe được chế tạo bằng thép đúc 55Л. Để đảm bảo lâu mòn, vành bánh xe được tôi 
bề mặt đạt độ cứng 300-350 HB. 
 Ứng suất dập theo công thức (2-67[1]) : 
 =190 . =190.250000100.315=535 / 2 
 Ứng suất dập cho phép theo bảng 2-19.[1] là : =750 / 2 
Vậy kích thước bánh xe đã chọn là an toàn. 
1.3 Tính và chọn động cơ điện 
1.3.1 Phân loại và phạm vi sử dụng 
Chọn động cơ điện để dẫn động máy móc hoặc các thiết bị công nghệ là giai 
đoạn đầu tiên trong quá trình tính toán thiết kế máy. Nó có phạm vi ảnh hưởng rất lớn 
đến khả năng và chế độ làm việc của máy. Muốn chọn đúng động cơ cần hiểu rõ đặc 
tính và phạm vi sử dụng của từng loại, đồng thời cần chú ý đến các yêu cầu làm việc 
của thiết bị cần được dẫn động. 
Các loại động cơ điện : 
Động cơ điện một chiều (kích từ mắc song song, nối tiếp hoặc hỗn hợp) và hệ thống 
động cơ - máy phát (dùng dòng điện kích từ điều chỉnh) cho phép thay đổi trị số của 
mômen và vận tốc góc trong một phạm vi rộng (3 : 1 đến 4 :1 đối với động cơ điện 
12 
một chiều và 100 :1 đối với động cơ - máy phát), đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo 
chiều đễ dàng, do đó được dùng rộng rãi trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, 
thang máy, máy trục và các thiết bị thí nghiệm v.v . Nhược điểm của chúng là giá 
thành cao, riêng loại động cơ điện một chiều lại khó kiếm và phải tăng thêm vốn đầu 
tư để dặt các thiết bị chỉnh lưu. 
Động cơ điện xoay chiều bao gồm hai loại : một pha và ba pha. 
Động cơ điện một pha có công suất tương đối nhỏ, có thể mắc vào mạng điện 
chiếu sáng, do vậy dùng thuận tiện cho các dụng  ... ay máy n bậc tự do 
 Mô hình động lực học của tay máy: 
),()( qqhqqH  (3.40) 
73 
với H(q) là ma trận quán tính xác định dương, đối xứng. 
Chúng ta giả sử rằng các giá trị ước lượng )(ˆ qH và ),(ˆ qqh  quan hệ với giá trị 
thực )(qH và ),( qqh  bởi bất đẳng thức sau: 
)()()(ˆ 1 qqHqH (3.41) 
và ),(),(ˆ),( max qqhqqhqqh  (3.42) 
với )(q và ),(max qqh  là những hàm đã biết. 
Viết lại biểu thức động lực học dưới dạng: 
)(),( qBqqfq  (3.43) 
Với ),()(),(
1 qqhqHqqf  (3.44) 
)()( 1 qHqB (3.45) 
Nhiệm vụ của điều khiển là tìm mô men thích hợp τ sao cho vector vị trí q của 
tay máy bám theo quỹ đạo mong muốn qd. 
Chúng ta định nghĩa sai lệch trạng thái e và mặt trượt như sau: 
qqe d (3.46) 
0; TCCeCeS  (3.47) 
Rõ ràng rằng S=0 thì )()( tqtq q . Quả thực với S=0 ta có thể viết lại như sau: 
CeeeCeS  00 
Như vậy hệ thống ổn định tiệm cận nếu có e = 0 và theo đó điều kiện bám 
)()( tqtq q sẽ được đảm bảo. 
Do vậy vấn đề điều khiển là phải tìm mô men τ thích hợp sao cho vector trạng 
thái của hệ thống có thể bám được trên mặt trượt. Hay phải tìm τ thỏa mãn điều kiện 
trượt. Điều kiện trượt có thể xác định theo tiêu chuẩn Lyapunov. 
Chúng ta định nghĩa hàm Lyapunov như sau: 
74 
0
2
1
SSV T (3.48) 
Đạo hàm của (3.48) có dạng: 
SSV T  (3.49) 
Như vậy, nếu 0V thì với 0V dẫn tới 0S và 0e 
Do vậy, điều kiện đủ của điều kiện trượt là: 
0SST  (3.50) 
Khi đó điều kiện trượt đảm bảo cho hệ kín ổn định toàn cục, tiệm cận và điều 
kiện bám được thực hiện mặc dù mô hình không chính xác, nhiễu, 
Nếu điều kiện trượt có thể thỏa mãn theo đó: 
n
i
i
T SSSSS
1
2;0;0 (3.51) 
Tiếp đó, mặt phẳng trượt S=0 sẽ đạt được với thời gian giới hạn nhỏ hơn T0 ở 
đó: 
))0((
2
1
0 qST (3.52) 
Biểu thức trên được chứng minh như sau: 
Từ (29) ta có: 
S
SS T 
 (3.53) 
Thay SSV T  và 2
1
)2( VS vào (3.53) sau đó tích phân hai vế với t=0→treach , 
S(q(treach))=0 ta có: 
0
0 0
2
))0((
2
))0((
2
1
)2(
2
1
2
1
T
qS
tt
qS
Vdt
V
V
reachreach
t treach reach
 (3.54) 
Bây giờ chúng ta tìm đầu vào bộ điều khiển τ thỏa mãn điều kiện trượt. 
75 
Lấy đạo hàm biểu thức (3.47) ta có: 
dqqeCS 
 (3.55) 
 Thay biểu thức (3.39) vào ta có: 
dqqBqqfeCS 
 )(),( (3.56) 
Do đó tín hiệu điều khiển có dạng 
)(ˆ 1 sKSgnB eq (3.57) 
với: 
T
n
eq
sSgnsSgnsSgnsSgn
qqfeCq
)(),...,(),()(
),(ˆ
21

 (3.58) 
K>0, K là ma trận khuyếch đại nxn. 
Ma trận khuyếch đại K phải chọn đủ lớn để điều kiện trượt được thỏa mãn mặc 
dù có tham số không rõ, nhiễu, 
Trong trường hợp ước lượng chính xác ffBB ˆ,ˆ thì điều kiện trượt được 
viết lại như sau: 
SsKSgnSSS TT )( (3.59) 
Nếu chọn ;IK (3.60) 
và SSSSSSS
m
i
i
m
i
i
T
1
2
1
 (3.61) 
thì chế độ trượt xảy ra. 
Ta nhận thấy rằng, đầu vào điều khiển được gián đoạn qua s(t) như cho ở biểu 
thức (3.57). Hiện tượng chattering xảy ra. Bởi vì trong thực tế, sự chuyển đổi là không 
lý tưởng. Trong trường hợp sai số ước lượng là không đủ nhỏ thì việc chọn K là không 
đơn giản như biểu thức trên. 
Trong trường hợp đó S cho dưới dạng: 
76 
)(ˆ)(ˆ)(),( 11 sKSgnBqBBqBqqfeCqS eqd 
 (3.62) 
đặt 1ˆ)();ˆ(ˆ BqBRffff dẫn tới: 
 )()ˆ()( sRKSgnffIRS eq
 (3.63) 
Từ đây, điều kiện trượt là: 
)()()()( sSgnSsRKSgnffIRSSS Teq
TT  (3.64) 
Do vậy, nếu chọn K để: 
)()ˆ()()( sSgnSffIRSsRKSgnS Teq
TT (3.65) 
thì điều kiện trượt như ở trên 0SS  được thỏa mãn và điều kiện trượt đạt 
được. 
 )(ˆ
11 qBBR (3.66) 
Từ biểu thức (3.41) và (3.42) ta có bất đẳng thức: 
 )(ˆ
11 qBBR (3.67) 
 max
1 ˆ)ˆ(ˆ)ˆ( hBhhBffR (3.68) 
Từ đây, ta có thể chọn ma trận K thoả mãn điều kiện trượt như sau: 
 IhBIK eq max
ˆ)1( (3.69) 
3.4.3. Ứng dụng Điều khiển trƣợt cho tay máy Robot 2 bậc tự do 
3.4.3.1. Phƣơng trình động lực học tay máy hai bậc tự do toàn khớp 
quay 
Bộ thông số tay máy: m1 = m2 = 1 kg 
 l1 = l2 = 1 m 
Phương trình động lực học: 
77 
2
1
2
1
2221
1211
2
1
2221
1211
2
1
g
g
cc
cc
hh
hh
F
F




 (3.70) 
Trong đó F1, F2 là lực được tạo ra ở các khớp động, ma trận H là ma trận xác 
định dương và đối xứng, ma trận C là ma trận lực ly tâm, G là ma trận lực trọng 
trường. 
 Giá trị của các ma trận khi thay giá trị được xác định như sau: 
- Ma trận H: 
1
cos2/31
cos35
22
22112
211
h
hh
h
 (3.71) 
- Ma trận C: 
0
sin3
sin2/3
sin3
22
2121
2212
2211
c
c
c
c



 (3.72) 
- Ma trận G: 
)cos(15
)cos(15cos15
212
2111
g
g
 (3.73) 
3.4.3.2. Mô hình động lực học tay máy hai bậc tự do 
Chúng ta đặt các biến trạng thái là tín hiệu góc quay và vận tốc của các khớp 
tay máy: 
Khớp 1: 
112
11112
111


x
xx
x
 (3.74) 
Khớp 2: 
78 
222
22122
221


x
xx
x
 (3.75) 
Tín hiệu vào u: 
22
11
Fu
Fu
 (3.76) 
Từ biểu thức (3.70) ta có: 
2
11
2
1
2221
12111
2
11
1
1
g
g
H
cc
cc
H
F
F
H




 (3.77) 
trong đó H-1 là ma trận nghịch đảo của ma trận H. 
Tính H
-1
 và kết hợp tất cả các phương trình trên và thay vào (3.77) để tính 
được: 
Khớp 1 
11 12
12 1 22 12 22 21 11 212
21
2
21 2 12 21 11 21
1 3
( (2 )sin 15(cos cos ))
4 9 4cos 2
3 3
(1 cos )( sin 15cos( ))
2 2
x x
x u x x x x x x
x
x u x x x x


 (3.78) 
Khớp 2: 
21 22
22 21 1 22 12 22 21 11 212
21
2
21 2 12 21 11 21
1 3 3
( (1 cos )( (2 )sin 15(cos cos )))
4 9 4cos 2 2
3
(5 3cos )( sin 15cos( )))
2
x x
x x u x x x x x x
x
x u x x x x


(3.79) 
3.4.3.3. Thiết kế bộ điều khiển trƣợt cho tay máy 2 bậc tự do 
Xác định bậc tƣơng đối cho khớp 1 và khớp 2: 
Từ phương trình trạng thái của các khớp (3.78), (3.79) và biểu thức (3.24) ta có 
được ngay là trong trường hợp này là p=n hay bậc tương đối của từng khớp p=2. 
79 
Xây dựng mặt trượt cho từng khớp: 
2222
1111
eeS
eeS


 (3.80) 
ở đây: 
222
111
rd
rd
xxe
xxe
 (3.81) 
1, 2 là những số thực dương. 
Điều kiện để xảy ra chế độ trượt cho hệ trên: 
0SSV  (3.82) 
Xây dựng bộ điều khiển: 
Từ (3.78) và (3.79) nếu đặt: 
),()( 1112
1211
uxgxfx
xx


 (3.83) 
và: 
),()( 2222
2221
uxgxfx
xx


 (3.84) 
Ta có: 
)(),())((
)),()((
111111111
1111111111111111
ShKuxgxfxe
uxgxfxexxeeeS
d
dd


 (3.85) 
1
1111111
1
))(()(
),(
xfxeShK
uxg d

 Tương tự ta cũng có: 
2
2222222
2
))(()(
),(
xfxeShK
uxg d

 (3.86) 
 Theo (3.77) ta có: 
80 
 uH
uxg
uxg
1
2
1
),(
),(
 (3.87) 
2
11
22
12
2221
12111
2
1
)(
)(
g
g
H
x
x
cc
cc
H
xf
xf
 (3.88) 
 Chú ý: ),(11 uxgg 
 Từ (3.58) ta có được: 
)(
)(
)(
)(
2
2
22222
1
1
11111
2
1
xf
xeShK
xf
xeShK
H
u
u
d
d


 (3.89) 
Thay (3.88) vào (3.89) ta có được bộ điều khiển: 
2
1
22
12
2221
1211
2
22222
1
11111
2
1
)(
)(
g
g
x
x
cc
cc
xeShK
xeShK
H
u
u
d
d


 (3.90) 
3.4.3.4. Tính toán giá trị đặt i cho tay máy hai bậc tự do 
Để tính toán giá trị đặt cho tay máy hai bậc tự do chúng ta cần giải bài toán 
động học ngược, từ đó tính toán giá trị đặt cho các khớp: 
1000
0100
)(0
)(0
1121212
1121212
2
1
1
0
2
0
SSlCS
CClSC
AAA (3.91) 
theo cách biến đổi toạ độ ta có được: 
11
2
2
2
2
0
0
0
0
z
y
x
A
z
y
x
 (3.92) 
Tuy nhiên, trong bài toán này có x2, y2, z2=0 vì ta chỉ quan tâm tới chuyển động 
của tâm bàn kẹp do vậy từ (3.91) và (3.92) ta có: 
81 
)(
)(
1120
1120
SSly
CClx
 (3.93) 
2
22
0
2
0
2
22
22
0
2
0
22
2
0
2
0
2
2
arccos
)cos(
2
2
)cos(22
l
lyx
l
lyx
l
yx
 (3.94) 
 Từ (3.93) ta có: 
2
12
2
10
2
12
2
10
1210
1210
)()(
)()(
lSlSy
lClCx
lSlSy
lClCx
 (3.95) 
1
2
0
2
0
0
1
2
0
2
0
0
2
0
2
0
1010
2
0
2
0
2
0)(2
S
yx
y
C
yx
x
l
yx
SyCxlyx
 (3.96) 
Đặt 
2
0
2
0
0
2
0
2
0
0
)sin(
)cos(
yx
y
yx
x
 (3.97) 
Chọn 1 ta có: 
l
yx
2
arccos(
2
0
2
0
1
 (3.98) 
 Như vậy, nếu yêu cầu của bài toán là điều khiển tâm bàn kẹp đi theo một 
quỹ đạo đã được định trước và được xác định bởi: 
0)(
)(
)(
tzz
tyy
txx
thì giá trị đặt cho các khớp phải là: 
82 
2
22
0
2
0
2
2
0
2
0
1
2
2
arccos
2
arccos
l
lyx
l
yx
 (3.99) 
83 
CHƢƠNG 4 
MÔ HÌNH MÔ PHỎNG QUÁ TRÌNH DI CHUYỂN CỦA 
TAY MÁY 
4.1 Mô tả và yêu cầu công nghệ 
Cho một hệ thống tay máy hoạt đông như sau: Bấm nút start thi tay máy bắt đầu 
hoạt động hệ đi lên từ A tới điểm B thì được phát hiện bởi công tắc hành trình L2 tay 
máy dừng 3s và đi sang phải. Khi tay máy đi sang phải tới điểm C thi đươc phát hiện 
bởi công tắc hành trình L3 tay máy dừng 3 và sang trái, tới điểm B được phát hiện bởi 
công tắc hành trình L4 tay máy dừng 3s và đi sang trái, tới điểm C được phát hiện bởi 
công tắc hành trình L5 tay máy dừng 3s và đi sang phải. Tới điểm B được phát hiện 
bởi công tắc hành trình L6 hệ dừng 3s và đi xuống dưới tới điểm A và được phát hiện 
bởi công tắc hành trình L1 và hệ đi lên. Hệ cứ thế lặp lại đến khi ta tạm dừng hệ thống 
Tóm tắt hoạt động như sau: 
ấn Start (I0.0) =============>bật Q0.0 (đi lên) 
L2 tác động ( I1.1) => dừng 3s rồi bật Q0.1 (sang phải ) 
L3 tác động (I1.2) => dừng 3s rồi bật Q0.2 ( sang trái) 
L4 tác động (I1.3) => dừng 3s rồi bật Q0.3 ( sang trái) 
L5 tác động ( I1.4) => dừng 3s rồi bật Q0.4 (sang phải ) 
L6 tác động ( I1.5) => dừng 3s rồi bật Q0.5 (đi xuống ) 
 L1 tác động (I1.6) => dừng lại và đi lên luôn ( bật Q0.0) 
84 
Hình 4.1 quá trình di chuyển của tay máy 
6 
1 
5 
3 
2 
4 
85 
4.2 Chƣơng trình 
86 
87 
88 
4.3. Mô hình mô phỏng quá trình di chuyển của tay máy 
89 
Hình.4.2 sơ đồ đi dây của mô hình 
90 
Hình.4.3 Mặt trước của mô hình khi cấp nguồn 
91 
Hình.4.4. Nguồn Adapter DC 12v 
Hình.4.5. Modul Rơle trung gian 
92 
Hình.4.6. PLC S7 – 200 của SIEMENS CPU 224 
Hình.4.7. Nguồn Adapter 24v DC 
93 
Kết Luận 
Sau một thời gian tim hiểu theo sự hướng dẫn của thầy giáo hướng dẫn thạc sỹ 
Nguyễn Đức Minh cùng các thầy cô giáo trong khoa Điện tự động công nghiệp, đề tài 
tốt nghiệp của em đã hoàn thành với yêu cầu đặt ra của đề tài. 
 Tìm hiểu về các cơ cấu di chuyển : cấu tạo và nguyên lý hoạt động,chế 
độ vận hành của hệ thống 
 Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tập lệnh điều khiển thiết bị điều 
khiển PLC S7-200 
 Thiết kế mô hình mô phỏng quá trình di chuyển của tay máy 
 Do thời gian có hạn và khả năng còn hạn chế nên đồ án không tránh khỏi 
những thiếu sót, nhưng vấn đề đề cập đến còn rất hạn chế mong thầy cô thông cảm và 
bỏ qua thiếu sót cho em.Với điều kiện cho phép em sẽ nghiên cứu và phát triển thêm 
đề tài của mình. 
Em xin trân trọng cảm ơn! 
94 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
1. Thạc sĩ Châu Chí Đức (1996). Kỹ thuật điều khiển và lập trình PLC SIMATIC 
S7-200 
 2. Nguyễn Huy Mạnh (2006) - Giáo trình PLC NXB KHKT 
 3. Nguyễn Hồng Thái (2002) Xây dựng thuật toán điều khiển và mô phỏng động 
Robot nhiều bậc tự do.Thư viện ĐHBK HN 2002. 
4. www.tailieu.vn 
5. www.timtailieu.vn