ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ Đề Tài NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢNPHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP

Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự hác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiếtđộng dựa trên l

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CƠ KHÍ

- -ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ

Đề Tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN

PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP

Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Văn Nghĩa

Nhóm sinh viên thực hiện : Nhóm 1

Hà Nội - 2022

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý do chọn đề tài

Với điều kiện cụ thể ở nước ta công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa thì cần sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm Điều này hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt

Xuất phát từ những đợt đi thực tế tại các nhà máy, các khu công nghiệp và tham quan các doanh nghiệp sản xuất đã thấy rất nhiều khâu tự động hóa trong quá trình sản xuất Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa là hệ thống phân loại sản phẩm

Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động

Đặc biệt là hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa chưa được áp hoàn toàn trong khâu phân loại mà còn sử dụng nhân công, chính vì lý do đó nhiều khi cho năng suất thấp chưa đạt hiệu quả cao Từ những nhu cầu sản xuất thực tế và quá trình học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội và sự góp ý và hướng

dẫn của thầy Nguyễn Xuân Thuận, nhóm đã tiến hành “Nghiên cứu, thiết kế hệ

thống phân loại sản phẩm theo màu sắc”.

1.2 Các vấn đề đặt ra

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ bảo trì, sửa chữa, lắp đặt

Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và

hệ thống hoạt động tự hác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiếtđộng dựa trên lập trình và điều khiển của PLC Ngoài ra còn có các vấn đề k

Các vấn đề cần được giải quyết đó là:

- Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa

- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động

- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị lỗi, hỏng

1.3 Phương pháp nghiên cứu

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc” , đã

được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện Đồng thời cũng đã

có nhiều sinh viên thiết kế những mô hình đơn giản Mô hình này cũng đã được thiết kế và đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên cứu sau:

 Phương pháp tuần tự và đồng thời

Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: việc đầu tiên là nghiên cứu

mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định thông số cơ bản Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài

 Phương pháp thực nghiệm

Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo hoàn thiện

Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như yêu cầu, hoặc chưa có trên thị trường Sau đó chế tạo thật mô hình Cho chạy thử hết công suất, sau khi đã chạy hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để rút ra giới hạn của hệ thống từ đó cho ra phương án cải tiến hay để thay thế Từ đó rút ra các đánh giá về

hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng, năng suất của hệ thống )

1.4 Phạm vi giới hạn

Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và được phát triển từ lâu Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống phân loại hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:

- Hệ thống nhận dạng và phân loại theo màu sắc

- Kích thước dài x rộng x cao = 1500 x 700 x 400 (mm)

- Khối lượng: (10-15) Kg

- Hệ thống điều khiển: Arduino UNO, Servo

- Cơ cấu phân loại sản phẩm: Tay gắp phân loại sản phẩm

- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều

- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền

- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220 VAC và điện áp một chiều

24 VDC

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm bậc tự do của robot

Về mặt động học, có thể xem robot loại tĩnh tại như là một chuỗi động hở với một khâu cố định gọi là giá và các khâu đông Mỗi khâu động là một vật rắn được liên kết hoặc nối động với nhau nhờ các khớp động Để dễ dàng thực hiện việc điều khiển độc lập các khớp nối động, người ta thường sử dụng những loại khớp chỉ cho phép tthực hiện một chuyển động tương đối giữa hai khâu được liên kết Do đó, các khớp động thường được sử dụng là các khớp tịnh tiến và khớp bản lề

Thông thường các robot có trên một bậc tự do Số bậc tự do hay bậc chuyển động của robot là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong không gian hoạt động Trong lĩnh vực robot học (robotic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển động (có thể là chuyển động thẳng, dọc theo song song với một trục hoặc chuyển động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một tọa độ suy rộng dùng

để xác định vị trí của trục trong không gian hoạt động Mỗi trục của robot đều có

cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng

2.2 Bậc huyển động cơ bản hay chuyển động định vị

Về mặt nguyên lý cấu tạo, robot là một tập hợp các khâu được liên kết với nhau thông qua các khớp chuyển động để hình thành một chuỗi động hở Khớp động được sử dụng trên các robot thường là các khớp tịnh tiến hoặc khớp bản lề để

dễ chế tạo, dễ dẫn đọng bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển Robot dùng trong đề tài sử dụng động cơ servo để điều khiển khớp chuyển động Các chuyển động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay Mỗi khâu động trên robot, về nguyên tắc có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và

thường là một Như vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số khả năng chuyển động độc lập mà một robot có thể thực hiện được

Trường hợp mỗi khâu động trên robot có một khả năng chuyển động độc lập thì robot có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng

ấy khớp động hay trục Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một robot là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định ddeeesn dạng hình học của không gian hoạt động của nó như đã trình bày ở phần phân loại Các chuyển động này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của robot trong không gian hoạt động được gọi là các chuyển động định vị

Phần ngoài cùng của robot hay còn gọi là khâu tác động cuối ( End Effector) thường có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác, có thể tác động trực tiếp với đối tượng thao tác hoặc được thay thế bở các dụng cụ công nghệ như là ống đưa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun men, đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v… Chuyển động kẹp của tay gắp không dduowjc kể khi tính bậc chuyển động của robot bởi vì chuyển động này không ảnh hưởng đến vị trí, tọa độ của tay máy Để thuận tiện trong việc điều khiển, mỗi bậc chuyển động của robot thường là có nguồn dẫn động riêng, có thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện

2.3 Bậc chuyển động bổ sung (Bậc chuyển động định hướng)

Mỗi robot đều yêu vầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối (End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn, v.v… có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hoàn thành nhiệm vụ công nghệ đặt ra Để hoàn toàn định hướng đến tư thế làm việc đối với đối tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động soay của cổ tay người, các khớp loại 5 được sử dụng để xoay quanh

khâu tác động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng đứng và quay quanh trục của nó

Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp robot có thể dễ dàng định hướng của khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng tao tác, cũng như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học của robot

Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một mặt sẽ làm tăng sự linh hoạt của robot, mặt khác cũng kéo theo hệ quả làm tăng thêm sai số dịnh chuyển, tức là làm tăng sai số tích lũy trong điều khiển vị trí của khâu tác động cuối

2.4 Bài toán động học

2.4.1 Bài toán động học thuận

Trong đại đa số các trường hợp, tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo bởi một số khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp Một đầu của chuỗi nối với giá (Bơse), còn đầu kia nối với phần công tác Mỗi khâu hình thành cùng với khớp phía trước nó một cặp khâu – khớp Tuỳ theo kết cấu của mình mà mỗi loại khớp đảm bảo cho khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định

Mỗi khớp (thực chất là cặp khâu – khớp) được đặc trưng bởi 2 loại thông số: – Các thông số không thay đổi giá trị trong quá trình làm việc của tay máy được gọi là tham số

– Các thông số thay đổi khi tay máy làm việc được gọi là các biến khớp

Hai loại khớp thông dụng nhất trong kỹ thuật tay máy là khớp trượt và khớp quay Chúng đều là loại khớp có một bậc tự do

Bài toán thuận nhằm mô tả thế (vị trí và hướng) của phần công tác dưới dạng hàm số của các biến khớp Cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố chuyển động thể hiện bằng các tọa độ suy rộng q ta phải xác định quy luật chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối nói riêng hoặc của điểm bất kỳ trên một khâu nào đó của robot nói chung trong hệ trục tọa độ vuông góc (hệ trục tọa độ Descartes) Bài toán động học thuận ở robot có nội dung gần giống như bài toán phân tích động học cơ cấu

Sơ đồ mô tả bài toán động học 2.5 Thuật giải cho bài toán động học thuận

Hình 1

Kích thước động

d và vị trí của các

khâu thành viên

(tọa độ suy rộng)

q

Vị trí và hướng của khâu tác động cuối trong hệ tọa độ Descartes: xp, yp,

zp, zi

Bài toán động học ngược Bài toán động học thuận

Việc giải bài toán động học thuận bao gồm các bước sau đây:

1 Đưa robot về vị trí gốc, còn gọi là vị trí HOME, là vị trí mà dịch chuyển của các khâu bắt đầu được tính từ đó

2 Gắn trên mỗi khâu động một hệ trục tọa độ (hệ trục tọa độ tương đối)

3 Mô tả chuyển động tương đối giữa cvasc khâu liên tiếp bằng các tọa độ suy rộng (bao gồm các chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay).\

4 Định nghĩa (viết) các ma trận Aj cho các khâu tương ứng

5 Nhân các ma trận Aj để tính ma trận chuyển đổi TN

6 Lập phương trình ma trận chuyển đổi của robot và ma trận chuyển đổi tổng quát thể hiện mối liên hệ về vị trí giữa tọa độ của khâu đầu cuối trong hệ tọa độ Descartes với tọa độ suy rộng của các khâu thành phần

2.6 Xây dựng mô hình hệ thống nhúng cho robot

Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó, trong bài toán điều khiển robot, hệ thống nhúng sẽ được xây dựng trên board điều khiển Arduino Uno R3 với trung tâm là vi điều khiển Atmega328 Lúc này việc điều khiển các khớp robot chuyển sang bài toán điều khiển động cơ servo bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), khi đó việc xây dựng các giải thuật sẽ được tinh giảm hết mức có thể để phù hợp với hệ thống sẽ sử dụng

Mô hình của hệ thống điều khiển robot được xây dựng theo dạng vòng hở, kiểm soát quá trình điều khiển bằng máy tính.Máy tính sẽ thông qua khối điều khiển bằng board Arduino để đưa ra các thao tác cho robot bằng cách điều khiển các servo

2.7 Khối điều khiển

Khối điều khiển được xây dựng trên board Arduino Uno R3 với trung tâm là

vi điều khiển Atmega328 Đây là một board điều khiển tiên tiến, người lập trình có nhiều thuận lợi khi thao tác với board như sử dụng ngôn ngữ lập trình C để lập trình, cộng đồng hỗ trợ đông đảo, có sẵn nhiều thư viện để việc lập trình vi điều khiển trở nên dễ dàng hơn

Mạch Arduino Uno là dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầu làm

quen, lập trình với Arduino thì mạch Arduino thường nói tới chính là dòng

Arduino UNO và R3 là thế hệ thứ 3 của vi điều khiển này

Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8, ATmega168, ATmega328 Trong đề tài này mạch Uno em sử dụng dùng vi điều khiển ATmega328 Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển đèn LED nhấp nháy, điều khiển động cơ, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD hay lên webserver…

Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thông qua cổng USB hoặc cấp nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V Thường thì cấp nguồn bằng pin vuông 9V là hợp lí nhất nếu bạn không có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng

Arduino UNO

Các chân năng lượng:

+ GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng

các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải được nối với nhau

+ 5V: cấp điện áp 5V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA

+ 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra Dòng tối đa cho phép ở chân này là 50mA

+ Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND

+ IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể được đo

ở chân này Và dĩ nhiên nó luôn là 5V Mặc dù vậy bạn không được lấy nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó không phải là cấp nguồn + RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ

Một vài thông số của Arduino UNO R3

Các thông số của Arduino Uno R3

Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)

Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA

bootloader

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn riêng Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại là một biến thể của C/C++ Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi

là C hay C/C++

2.8 Khối động cơ Servo

Đảm nhận vai trò nhận các tín việu điều khiển từ khối điều khiển để thực thi các lệnh tạo nên các hoạt động của cánh tay robot Servo được sử dụng trong hệ thống là servo sg90

Servo SG90 trong thực tế

Cơ cấu bên trong Servo SG90

Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vòng kín Tín hiệu ra của động cơ được nối với một mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí

sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác Tiếp đến là thông số quan trọng nhất, đó là mô-men xoắn mà động cơ vận hành Với servo SG90 thì mô-men xoắn là 1,8kg /cm có nghĩa là động cơ có thể kéo vật nặng 1,8kg khi bị treo ở khoảng cách 1cm Vì vậy, nếu bạn treo tải ở mức 0,5cm thì động cơ có thể kéo tải 3,6kg tương tự nếu bạn treo tải ở mức 2cm thì chỉ có thể kéo 0,9kg Dựa trên tải mà bạn sử dụng trong dự án, bạn có thể chọn động cơ có mô-men xoắn thích hợp

- Cách sử dụng động cơ Servo SG90

Như chúng ta biết có ba dây đi ra từ động cơ này Để làm cho động cơ này quay, chúng ta phải cấp nguồn cho động cơ với + 5V bằng cách sử dụng dây Đỏ và Nâu và gửi tín hiệu PWM đến dây màu Cam Do đó, chúng ta cần một cái gì đó có thể tạo ra tín hiệu PWM để làm cho động cơ này hoạt động và ở trong hệ thống này

là tín hiệu điều khiển từ Arduino Bây giờ, làm thế nào để điều khiển hướng của động cơ ? Để hiểu điều đó, hãy nhìn vào hình ảnh dưới đây