Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot scara

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌCSƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH CNKT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY ROBOT SCARA

TỔNG QUAN

Đặt vấn đề

Trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0, việc áp dụng tự động hóa và trí tuệ nhân tạo vào sản xuất và kinh doanh trở thành xu hướng tất yếu để nâng cao năng suất lao động Nhiều nhà máy trên thế giới đã triển khai hệ thống dây chuyền sản xuất hoàn toàn tự động, sử dụng robot để thay thế sức lao động của con người, từ đó giảm thiểu số lượng nhân công nhưng vẫn đảm bảo sản phẩm đạt chất lượng cao và độ chính xác tối ưu.

Trong quá trình kiểm tra bề mặt, ký tự và mã vạch, QR code, việc xác định hướng, vị trí, hình dạng sản phẩm và linh kiện thường gặp khó khăn khi thực hiện thủ công, tốn thời gian và chi phí Tuy nhiên, với công nghệ tiên tiến hiện nay, việc này có thể được thực hiện dễ dàng và nhanh chóng, mang lại hiệu quả kinh tế cao thông qua ứng dụng xử lý ảnh trong sản xuất.

Nhiều quốc gia như Mỹ, Nhật Bản và Pháp đã nhanh chóng áp dụng xu hướng sử dụng robot kết hợp với camera trong sản xuất Các hãng nổi tiếng như Mitsubishi và ABB cung cấp nhiều dòng sản phẩm, trong đó cánh tay robot MELFA FR Series được ưa chuộng.

Nhận thấy được xu hướng trên toàn cầu hiện tại nhóm đi đến quyết định lựa chọn đề tài “HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY

Robot SCARA được thiết kế để phát triển một hệ thống ứng dụng cao, phục vụ cho việc học tập và nghiên cứu, đồng thời cải tiến hiệu suất so với các hệ thống hiện tại.

Mục tiêu

Nghiên cứu này tập trung vào việc sử dụng PLC cùng với các thiết bị như cánh tay Robot, HMI, cảm biến và camera để phát triển một mô hình phân loại sản phẩm hiệu quả và chính xác Mục tiêu chính là xây dựng hệ thống hoạt động tốt trong việc phân loại sản phẩm.

Hệ thống phân loại được sản phẩm theo hình dạng (tròn, vuông, lục giác) với độ chính xác hơn 80%.

Tốc độ phân loại trên 5 sản phẩm/phút.

Nhận diện được sản phẩm với mọi góc lệch khác nhau.

Robot gắp sản phẩm và đặt đúng vị trí quy định trong hộp.

Phát hiện và loại bỏ các sản phẩm bị lỗi.

Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển hệ thống trên HMI và PC.

Truy vấn dữ liệu hệ thống trên Webserver.

Nội dung nghiên cứu

Đề tài “HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY

ROBOT SCARA” gồm các nội dung như sau:

Chương 1: TỔNG QUAN Ở chương này nhóm đặt ra vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, ý nghĩa thực tiễn cũng như phạm vi của đề tài.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Nguyên lý hoạt động của hệ thống, tổng quan về các khái niệm xử lý ảnh, PLC.

Sơ lược về SQL server, Webserver cũng như robot trong công nghiệp sẽ được trình bày trong chương này.

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG Ở chương này nhóm nêu lên những yêu cầu của hệ thống sau đó tính toán và thiết kế.

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Ở chương này nhóm sẽ tiến hành thi công lắp đặt hệ thống dựa trên những tính toán và thiết kế ở trước.

Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Kết quả đạt được của hệ thống sẽ được trình bày ở chương này.

Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Dựa trên những kết quả đạt được nhóm sẽ nêu lên những kết luận và hướng phát triển ở chương cuối cùng.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Giới thiệu về hệ thống

Băng tải cấp sản phẩm và băng tải cấp hộp đựng được bố trí vuông góc, với robot đặt ở giữa Khi hoạt động, băng tải chứa sản phẩm cần phân loại sẽ đi qua khu vực xử lý ảnh, nơi có một camera trong hộp đen Hình ảnh thu nhận được sẽ được xử lý bằng phần mềm LabVIEW, và dữ liệu sẽ được truyền xuống PLC.

PLC sẽ điều khiển các động cơ Servo để robot thực hiện việc gắp sản phẩm từ băng tải 1 và đặt vào hộp trên băng tải 2 Tất cả các quá trình này sẽ được đồng bộ hóa Thông số hệ thống và trạng thái các khâu sẽ được hiển thị trên màn hình HMI và giao diện LabVIEW trên máy tính.

Số liệu liên quan đến hệ thống sẽ được lưu trên SQL server và gửi lênWebserver để giám sát.

Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay

Hệ thống phân loại là giải pháp công nghiệp tự động hóa, thay thế con người trong việc phân loại sản phẩm Giải pháp này chuyển đổi từ phương pháp thủ công sang hệ thống tự động, giúp phân chia sản phẩm dựa trên các đặc tính mà người sử dụng quy định.

Một số ứng dụng của hệ thống phân loại trong thực tế hiện nay như:

Ngành công nghiệp may mặc

Ngành công nghiệp dược phẩm.

Các loại hệ thống phân loại đang hiện hành ngoài thị trường hiện nay có thể kể tên như:

Hệ thống phân loại Cross belt – Sorter (Hình 2-

1) Hệ thống phân loại Vertical Crossbelt (Hình

2-2) Hệ thống phân loại Pop – Up (Hình 2-3).

Hệ thống phân loại Wave – Sorter (Hình 2-4).

Hình 2-1 Hệ thống phân loại Cross belt – Sorter [1]

Hình 2-2 Hệ thống phân loại Vertical Crossbelt [1]

Hình 2-3 Hệ thống phân loại Pop – Up [1]

Hình 2-4 Hệ thống phân loại Wave – Sorter [1]

Tổng quan về robot trong công nghiệp

Robot công nghiệp, hay còn gọi là Industrial Robotics, được thiết kế đặc biệt để hoạt động trong môi trường sản xuất Chúng có khả năng di chuyển và thực hiện các nhiệm vụ thông qua hai hoặc nhiều trục liên kết với nhau.

Hiện nay, các hãng sản xuất đang tích cực phát triển Robot công nghiệp nhằm nâng cao hiệu suất làm việc và thay thế sức lao động của con người.

Hình 2-5 Cánh tay robot trong ngành công nghiệp ô tô [2]

Hiện nay, thị trường có nhiều loại robot công nghiệp khác nhau Để thuận tiện cho việc kiểm soát và lựa chọn, người ta phân loại robot thành các nhóm cụ thể.

Theo không gian làm việc.

Theo các ngành nghề công nghiệp.

2.3.3 Bài toán động học robot a Động học thuận cánh tay robot Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối khi biết trước tất cả các giá trị biến khớp, mối quan hệ đó biểu diễn như (Hình 2-6) Để giải được bài toán này thì tuân thủ quy tắc Denavit-Hartenberg.

Hình 2-6 Cấu trúc động học thuận

Giả sử trong chuỗi động học của cánh tay robot có n khâu, khâu thứ n nối khớp thứ n với khớp thứ n+1 sẽ có mô hình hóa như (Hình 2-7).

Để mô hình hóa khâu khớp robot bằng cách sử dụng biểu diễn D-H, bước đầu tiên là gắn hệ trục tham chiếu lên mỗi khớp xoay Tất cả các khớp được biểu diễn theo trục Z Đối với khớp quay, trục Z sẽ được định hướng theo hướng dịch chuyển tạo ra sự quay theo quy tắc bàn tay phải, trong khi đối với khớp tịnh tiến, trục Z của khớp sẽ dọc theo hướng di chuyển.

Khoảng cách vuông góc giữa trục \( z_{n-1} \) và \( z_n \) được ký hiệu là \( a \), từ đó hướng của trục \( x_n \) sẽ theo hướng của đoạn \( a \) Hướng của trục \( y \) được xác định dựa trên tam diện thuận của hệ trục tham chiếu Thông tin này được trình bày trong bảng thông số D-H (Bảng 2-1).

Bảng 2-1 Bảng thông số DH i a d

Khoảng cách giữa \( z_{n-1} \) và \( z_n \) so với \( x_{n-1} \) được ký hiệu là \( a \) Góc giữa \( z_{n-1} \) và \( z_n \) so với \( x_{n-1} \) cũng được xác định Khoảng cách giữa \( x_{n-1} \) và \( x_n \) so với \( z_n \) được ký hiệu là \( d \) Cuối cùng, góc giữa \( x_{n-1} \) và \( x_n \) so với \( z_n \) cũng được đề cập.

Ma trận chuyển vị từ hệ i đến hệ i+1 được thể hiện ở công thức (2.1), với các thông số được xác định trong bảng D-H: cos i sin i

0 sin cos cos cos sin

T i 1 i 1 i 1 i i i 1 i sin sin cos sin cos i 1 i 1 i 1 i i

Ma trận chuyển vị của hệ từ hệ 0 đến hệ i được xác định bằng cách nhân các ma trận chuyển vị ở từng khâu theo công thức sau:

Kết quả của quá trình này thu được ma trận có dạng như công thức như sau:

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT n x o x a x p x n o a p

Trong đó, ma trận \( R_{3 \times 3} \) thể hiện hướng, còn ma trận \( P_{3 \times 1} \) biểu diễn vị trí của điểm đầu cuối so với tọa độ gốc Động học nghịch của cánh tay robot là một khía cạnh quan trọng trong việc xác định vị trí và hướng của các khớp.

Bài toán động học nghịch là khái niệm ngược lại với động học thuận, và độ phức tạp của nó phụ thuộc vào cấu trúc của robot.

Việc tìm lời giải cho động học nghịch của robot 3 bậc tự do đơn giản hơn so với robot 6 bậc tự do Điều này cho thấy rằng, với số bậc tự do cao, quá trình tính toán sẽ trở nên phức tạp hơn.

Hình 2-8 Cấu trúc động học nghịch Để tìm được đáp số người thiết kế robot sử dụng một số phương pháp:

Phương pháp đại số: Ưu điểm: Tìm đầy đủ các nghiệm nên không bị sót nghiệm.

Nhược điểm: Nếu robot quá phức tạp việc tính toán hệ phương trình nhiều ẩn sẽ rất khó khăn.

Phương pháp hình học: Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu.

Nhược điểm: Dễ bị sót nghiệm

Phương pháp kết hợp đại số và hình học: Ưu điểm: Trực quan, dễ hình dung, dễ hiểu.

Nhược điểm: Đòi hỏi cần có kiến thức chắc giữa đại số và hình học.[3]

Giới thiệu về động cơ AC – Servo

2.4.1 Định nghĩa Động cơ Servo là một hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu và thực hiện nhanh chóng, chính xác theo lệnh từ PLC Những thiết bị đi kèm khi sở hữu bộ động cơ AC – Servo sẽ bao gồm 1 bộ điều khiển Servo (Servo Driver), 1 động cơ Servo và 1 Encoder để phản hồi tín hiệu từ động cơ về bộ điều khiển (Hình 2-9).

Servo được sử dụng để điều khiển vị trí một cách chính xác, điều chỉnh moment phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau và có khả năng thay đổi tốc độ rất nhanh, với thời gian phản hồi chỉ trong mili giây.

Hình 2-9 Driver và động cơ AC – Servo [4]

2.4.2 Cấu tạo Động cơ Servo là một thành phần trong hệ thống Servo Động cơ Servo nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và cung cấp lực chuyển động cần thiết cho các thiết bị máy móc khi vận hành với tốc độ và độ chính xác cực kỳ cao. Động cơ Servo được chia thành 2 loại gồm động cơ AC Servo và động cơ DC Servo AC Servo có thể xử lý các dòng điện cao hơn và có xu hướng được sử dụng trong máy móc công nghiệp DC Servo không được thiết kế cho các dòng điện cao và thường phù hợp cho các ứng dụng nhỏ hơn.

Cấu tạo của động cơ AC Servo bao gồm 3 phần là stator, rotor (thường là loại nam châm vĩnh cửu) và encoder (Hình 2-10).

Stator bao gồm một cuộn dây được quấn quanh lõi, được cấp nguồn để cung cấp lực cần thiết làm quay rotor.

Rotor được cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh.

Encoder được gắn sau đuôi động cơ có chức năng phản hồi chính xác tốc độ và vị trí của động cơ về bộ điều khiển.[4]

Hình 2-10 Cấu tạo của động cơ AC – Servo [4]

Giới thiệu về động cơ bước

Động cơ bước, hay còn gọi là Step Motor, là một loại động cơ điện đặc biệt với nguyên lý hoạt động và ứng dụng khác biệt so với các động cơ điện thông thường Chúng là động cơ đồng bộ, có khả năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành các chuyển động góc quay hoặc giữ rotor ở các vị trí cố định cần thiết.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển riêng bên ngoài được gọi là Driver (Hình 2-12) Động cơ bước và bộ điều khiển được thiết kế sao cho động cơ có thể giữ nguyên bất kỳ vị trí cố định nào cũng như quay đến một vị trí bất kỳ khác.

Trên Driver, người dùng có thể điều chỉnh nhiều thông số để đáp ứng yêu cầu điều khiển, bao gồm dòng điện tối đa cung cấp cho động cơ và số xung trên mỗi vòng quay của động cơ.

Hình 2-12 Driver động cơ bước [6]

Giới thiệu về xử lý ảnh

2.6.1 Khái niệm về xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một lĩnh vực con của xử lý tín hiệu số, trong đó tín hiệu được xử lý là hình ảnh Đây là một ngành khoa học mới đang phát triển mạnh mẽ trong những năm gần đây Xử lý ảnh bao gồm nhiều kỹ thuật và ứng dụng khác nhau.

Xử lý ảnh bao gồm bốn lĩnh vực chính: nâng cao chất lượng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh và truy vấn ảnh Sự phát triển trong lĩnh vực này mang lại nhiều lợi ích thiết thực cho cuộc sống con người.

Xử lý ảnh số là một lĩnh vực quan trọng trong tin học ứng dụng, tương tự như xử lý dữ liệu bằng đồ họa Trong đó, các ảnh nhân tạo được coi là cấu trúc dữ liệu và được tạo ra thông qua các chương trình.

Xử lý ảnh số là tập hợp các phương pháp và kỹ thuật biến đổi nhằm truyền tải hoặc mã hóa các ảnh tự nhiên Mục đích chính của xử lý ảnh là cải thiện chất lượng hình ảnh và tối ưu hóa thông tin hình ảnh.

Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh.

Tự động nhận dạng ảnh, đoán nhận ảnh, đánh giá các nội dung của ảnh.[7]

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Để dễ tưởng tượng, ta xét các bước cần thiết trong xử lý ảnh như ở (Hình 2-13):

Các bước xử lý ảnh cơ bản bao gồm việc thu nhận ảnh từ camera màu hoặc trắng đen Ảnh thường được thu nhận qua camera tương tự, như camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, cho ra 25 dòng mỗi ảnh Ngoài ra, còn có loại camera đã số hóa, chẳng hạn như CCD (Change Coupled Device), sử dụng photodiot để tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh.

Camera thường dùng là loại quét dòng, tạo ra hình ảnh hai chiều Chất lượng hình ảnh thu được phụ thuộc vào thiết bị và môi trường như ánh sáng và phong cảnh Tiền xử lý ảnh là bước quan trọng trong quá trình xử lý hình ảnh.

Sau khi thu nhận, ảnh có thể bị nhiễu và có độ tương phản thấp, do đó cần sử dụng bộ tiền xử lý để cải thiện chất lượng Bộ tiền xử lý có chức năng chính là lọc nhiễu và nâng cao độ tương phản, giúp ảnh trở nên rõ nét hơn Phân đoạn ảnh hay phân vùng ảnh cũng là một bước quan trọng trong quá trình xử lý.

Phân vùng ảnh là quá trình tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần, đóng vai trò quan trọng trong phân tích và nhận dạng ảnh Đây là một trong những bước phức tạp nhất trong xử lý ảnh, dễ dẫn đến lỗi và làm giảm độ chính xác của kết quả Do đó, chất lượng của công đoạn này ảnh hưởng lớn đến hiệu quả nhận dạng ảnh.

Để nhận dạng chữ hoặc mã vạch trên phong bì thư nhằm phân loại bưu phẩm, cần tách các câu chữ về địa chỉ hoặc tên người thành các từ, chữ cái và số riêng biệt.

Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT d Biểu diễn ảnh Đây là phần sau phân đoạn chứa các điểm ảnh của vùng ảnh (ảnh đã phân đoạn) cộng với mã liên kết ở các vùng lân cận Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết cho xử lý tiếp theo bằng máy tính.

Trích chọn đặc trưng (Feature Extraction) là quá trình lựa chọn các tính chất của ảnh, nhằm tách biệt các đặc tính dưới dạng thông tin định lượng Điều này giúp phân biệt các lớp đối tượng khác nhau trong ảnh nhận được.

Trong nhận dạng ký tự trên phong bì thư, việc mô tả các đặc trưng của từng ký tự là rất quan trọng để phân biệt chúng với nhau.

Nhận dạng ảnh là quá trình xác định và phân tích hình ảnh bằng cách so sánh với các mẫu chuẩn đã được học trước đó Quá trình này bao gồm việc nội suy, tức là đưa ra phán đoán dựa trên kết quả của nhận dạng.

Một loạt chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thư có thể được chuyển đổi thành mã điện thoại Có nhiều phương pháp phân loại khác nhau cho hình ảnh Theo lý thuyết nhận dạng, các mô hình toán học về hình ảnh được chia thành hai loại nhận dạng cơ bản.

Nhận dạng theo tham số.

Nhận dạng theo cấu trúc.

Hiện nay, một số phương pháp nhận dạng phổ biến trong khoa học và công nghệ bao gồm nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữ ký điện tử), nhận dạng văn bản, nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch và nhận dạng khuôn mặt.

Xử lý ảnh với phần mềm LabVIEW

LabVIEW là một môi trường lập trình đồ họa cho phép người dùng nhanh chóng và hiệu quả phát triển các ứng dụng với giao diện người dùng chuyên nghiệp Hàng triệu kỹ sư và nhà khoa học đã tin tưởng sử dụng LabVIEW để tạo ra các ứng dụng đo lường, kiểm thử và điều khiển tinh vi thông qua các biểu tượng trực quan và dây nối tín hiệu.

Giới thiệu về PLC Mitsubishi

PLC Mitsubishi là sản phẩm của tập đoàn Mitsubishi Nhật Bản PLC Mitsubishi được ứng dụng rộng rãi trong điều khiển các hệ thống trong công nghiệp.

MELSEC iQ-R Series là bộ điều khiển lập trình đa dạng, được thiết kế với bus hệ thống tốc độ cao, giúp nâng cao hiệu suất và khả năng xử lý thông minh Dòng sản phẩm này bao gồm bộ điều khiển đa năng hiệu suất cao với cấu hình mạng CC-Link IE nhúng, cho phép thay đổi dung lượng bộ nhớ, cùng với bộ điều khiển chuyển động vị trí có độ chính xác cao.

Hình 2-17 PLC Mitsubishi dòng iQ-R [9]

TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Yêu cầu hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot và xử lý ảnh gồm những yêu cầu theo từng quy trình được mô tả ở (Bảng 3-1).

Bảng 3-1 Quy trình và yêu cầu của hệ thống

Yêu cầu đặt ra hoạt động

- Hộp di chuyển trên băng tải 2 đến khi chạm cảm biến thì băng tải 2

Vận chuyển dừng. hộp đựng- Hộp được giữ nguyên vị trí suốt quá trình phân loại sản phẩm.

- Kích thước hộp 222x76x30 (mm) với mỗi ô 70x70x27 (mm).

Vận chuyển - Sản phẩm được vận chuyển khi trong dây chuyền có hộp. sản phẩm

- Kích thước sản phẩm (max) (60x60x15 mm).

Nhận dạng - Sản phẩm được phân loại theo đúng hình dáng (vuông, tròn, lục giác).

- Có thể phân loại sản phẩm ở mọi vị trí trên băng tải và góc xoay khác sản phẩm nhau.

Phân loại sản phẩm liên tục là phương pháp tối ưu, không cho phép băng tải dừng lại trong quá trình phân loại Điều này giúp tăng tuổi thọ của băng tải và giảm chi phí điện năng.

- Thiết kế giao diện vận hành và giám sát hệ thống đơn giản, dễ sử dụng

Giám sát & trên phần mềm LabVIEW và trên HMI GS2110-WTBD.

- Thiết kế giao diện Webserver trực quan, dễ truy cập dữ liệu liên quan đến hệ thống.

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Sơ đồ khối của hệ thống

“HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG CÁNH TAY ROBOT

SCARA” có sơ đồ khối được thể hiển ở (Hình 3-1).

Khối vận chuyển (Băng tải, Robot)

Khối xử lý trung tâm

Khối vận hành và giám sát (HMI, PC)

Hình 3-1 Sơ đồ khối của hệ thống

Với chức năng của từng khối như sau:

Khối nguồn cung cấp điện áp 220VAC và 24VDC cho toàn bộ hệ thống, trong khi khối xử lý trung tâm nhận tín hiệu từ ngõ vào, xử lý thông tin và đưa ra phương pháp điều khiển cho các thiết bị trong hệ thống hoạt động hiệu quả.

Khối nhận dạng: Camera chụp ảnh, xử lý và phân loại sản phẩm theo hình dạng; Cảm biến nhận khi có sản phẩm.

Khối vận chuyển: Băng tải vận chuyển hộp và sản phẩm; Robot thực hiện hút và thả vật theo đúng vị trí phân loại.

Khối vận hành và giám sát: Điều khiển và giám sát trạng thái vận hành của hệ thống trên HMI và PC.

Thiết kế và chọn thiết bị phần cứng

3.3.1.Lựa chọn thiết bị a Khối nguồn

Hệ thống yêu cầu hai nguồn cấp chính là 24 VDC và 220 VAC Nguồn 24 VDC được sử dụng để cung cấp năng lượng cho các cảm biến, nút nhấn, đèn báo, mạch điều khiển driver MR-J4-20B và động cơ bước Trong khi đó, nguồn 220 VAC cung cấp cho mạch động lực driver MR-J4-20B để cấp năng lượng cho động cơ servo và module R62P trên base.

Nguồn 220 VAC được lấy từ lưới điện dân dụng, trong khi nguồn 24 VDC sử dụng nguồn Omron S8VS-12024 với các thông số kỹ thuật được trình bày trong bảng 3-2.

Hình 3-2 Nguồn Omron S8VS – 12024 Bảng 3-2 Thông số kỹ thuật nguồn Omron S8VS – 12024 Điện áp đầu vào 100 – 240 VAC

Công suất 120 W Điện áp đầu ra 24 VDC

Dòng điện định mức 5A Điện trở cách điện 100 MΩ

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG b Khối điều khiển hệ thống

Nhóm lựa chọn điều khiển hệ thống bằng bộ điều khiển lập trình PLC mang lại khả năng mở rộng dễ dàng với nhiều ngõ vào/ra, không bị ảnh hưởng bởi nhiễu trong môi trường công nghiệp Bộ điều khiển này còn tích hợp các cổng kết nối thuận tiện cho việc kết nối với các thiết bị ngoại vi khác và có tốc độ xử lý cao.

Nhóm CPU R04CPU (MELSEC iQ-R Series) tích hợp module R71EN71 với khả năng giao tiếp Ethernet, cho phép kết nối với các thiết bị ngoại vi mà không cần mua thêm module Thông số kỹ thuật chi tiết được trình bày trong Bảng 3-3.

Bảng 3-3 Thông số kỹ thuật module R04ENCPU [13]

Dòng STANDARD CPU (CC-LINK IE)

Nhóm sử dụng Base R312B (Hình 3-4) có khả năng gắn tới 12 module cho hệ thống để thuận tiện cho việc kết nối và phát triển hệ thống trong tương lai.

3 Module nguồn Để cấp nguồn cho các module được gắn trên Base nhóm sử dụng module nguồn R62P (Hình 3-5) với thông số như ở (Bảng 3-4)

Bảng 3-4 Thông số kỹ thuật module R62P

Dòng ra 24V 0.6 A c Khối tín hiệu I/O

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG Để nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến, nút nhấn,… Nhóm sử dụng module Input RX42C4 (Hình 3-6) với thông số như ở (Bảng 3-5).

Hình 3-7 Sơ đồ kết nối của Module RX42C4 [14]

Bảng 3-5 Thông số kỹ thuật module RX42C4 [14]

Để phát tín hiệu từ PLC đến các thiết bị như đèn báo tín hiệu và van điện từ, nhóm đã sử dụng module Output RY42NT2P (Hình 3-8) với các thông số được trình bày trong (Bảng 3-6).

Hình 3-8 Module output RY42NT2P [14]

Hình 3-9 Sơ đồ kết nối của Module RY42NT2P [14]

Bảng 3-6 Thông số kỹ thuật module RY42NT2P [14]

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG d Khối điều khiển động cơ

1 Servo Amplifier MR-J4-20B Để điều khiển động cơ HG-KR23 ta sử dụng bộ điều khiển servo MR-J4-20B (Hình 3-10) với thông số kỹ thuật như ở (Bảng 3-7).

Hình 3-11 Sơ đồ nối dây Servo Amplifier MR-J4-20B [15]

Bảng 3-7 Thông số kỹ thuật của Servo Amplifier MR-J4-20B [15]

Ngõ ra Điện áp định mức 3 pha 170VAC

Dòng điện định mức 1.5A Điện áp/Tần số 3 pha hoặc 1 pha 200 đến 240VAC, 50/60Hz

Dòng điện định mức (khi

Ngõ vào dùng nguồn 3 pha) nguồn

Dao động điện áp cho

3 pha hoặc 1 pha 170 đến 264VAC cấp điện mạch phép

Dao động tần số cho phép Trong khoảng ±5% động lực

Công suất nguồn cấp điện 0.5kVA Dòng điện khởi động 30A (giảm xuống xấp xỉ 3A trong 20ms) Điện áp/Tần số 1 pha 200 đến 240VAC, 50/60Hz

Ngõ vào Dòng điện định mức 0.2A

Dao động điện áp cho nguồn

1 pha 170 đến 264VAC cấp điện phép mạch Dao động tần số cho phép Trong khoảng ±5% điều Công suất tiêu thụ 30W khiển

Dòng điện khởi động 20 đến 30A (giảm xuống xấp xỉ 1A trong

Nguồn Điện áp 24VDC ± 10% cấp điện chân giao

Dòng điện 0.3A (gồm các tín hiệu đầu cắm CN8) tiếp

Phương pháp điều khiển PWM sóng sin, dòng điện

Phanh động Được lắp trong

Chu kỳ giao tiếp SSCNET III/H 0.222ms, 0.444ms, 0.888ms Điều khiển vòng kín hoàn toàn Tương thích

Chức năng đo định tỉ lệ Tương thích

Giao tiếp encoder phía tải Giao thức nối tiếp tốc độ cao của Mitsubishi

Chức năng truyền thông USB

Xung ngõ ra encoder Tương thích (xung pha A/B/Z)

R16MTCPU là một bộ vi xử lý có khả năng thực thi lệnh điều khiển vị trí và tốc độ cho bộ khuếch đại servo, cũng như bật/tắt bộ khuếch đại này Nó hỗ trợ điều khiển đồng bộ giữa các trục thông qua kết nối với bộ khuếch đại servo qua cáp SSCNET III/H, với thông số kỹ thuật chi tiết được trình bày trong bảng 3-8.

Bảng 3-8 Thông số kỹ thuật Modulet R16MTCPU [15]

Số trục điều khiển tối đa 16 trục

Dòng tiêu thụ nội (5VDC) 1.2A

Chu kỳ vận hành 0.444 ms/ 3 đến 8 trục

0.888 ms/ 9 đến 16 trục Nội suy tuyến tính 2, 3 hoặc 4 trục Chức năng nội suy Nội suy cung tròn 2 trục

Nội suy xoắn ốc 3 trục bao gồm các phương pháp điều khiển PTP (Điểm tới Điểm), điều khiển tốc độ và chuyển đổi tốc độ-vị trí Hệ thống sử dụng nguồn cấp dữ liệu cố định và cho phép điều khiển quỹ đạo liên tục cùng với theo dõi vị trí Phương pháp điều khiển soát tốc độ với vị trí dừng cố định, điều khiển dao động tốc độ cao, và điều khiển moment-tốc độ cũng được áp dụng Ngoài ra, điều khiển áp lực và điều khiển đồng bộ nâng cao là những yếu tố quan trọng trong quy trình điều khiển máy Hệ thống hỗ trợ điều khiển mã G và các phương pháp tăng/giảm tốc hình thang, S-curve, cũng như S-curve nâng cao Ngôn ngữ lập trình Motion SFC và các lệnh riêng biệt được sử dụng để tối ưu hóa hiệu suất điều khiển.

Số điểm vị trí 6400 điểm (dữ liệu vị trí có thể được chỉ định gián tiếp)

3 Module đếm xung tốc độ cao RD62P2E Để điều khiển tốc độ cho 2 động cơ Step kéo băng tải nhóm sử dụng Module

RD62P2E (Hình 3-13) với thông số kỹ thuật được mô tả ở (Bảng 3-9).

Hình 3-14 Sơ đồ nối dây ngõ ra kiểu source giữa Module RD62P2E với tải [17]

Bảng 3-9 Thông số kỹ thuật Module RD62P2E [17]

Chuyển đổi tốc độ đếm 200kpps, 100kpps, 10kpps

Số kênh 2 kênh (CH1 – CH2)

Cấp tín hiệu 5/12/24VDC; 2 – 5mA

Kiểu bộ đếm Đếm đặt trước Lên/Xuống; Đếm vòng

Dải đếm 32-bit có dấu

Ngõ ra PWM DC max 200kHz

Loại ngõ ra Transistor (Kiểu source)

Dòng nội tiêu thụ (5VDC) 0.2A

Kích thước của thiết bị là 106x27.8x110mm (HxWxD) Để vận hành và giám sát hệ thống PLC từ xa, nhóm sử dụng màn hình HMI GS2110 – WTBD, với các thông số kỹ thuật được trình bày trong Bảng 3-10.

Hình 3-15 Màn hình HMI GS2110 – WTBD Bảng 3-10 Thông số kỹ thuật màn hình HMI GS2110 – WTBD

Truyền thông RS232, RS422, RS485, Ethernet, USB

Hỗ trợ PLC Mitsubishi, Siemens,

Phần mềm lập trình GT Designer 3

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG f Các cơ cấu chấp hành còn lại

Hệ thống nguồn cần được trang bị MCB để thực hiện việc đóng cắt và bảo vệ khỏi quá dòng, quá áp khi xảy ra sự cố bên trong hoặc bên ngoài, nhằm đảm bảo an toàn cho các thiết bị và ngăn ngừa hư hỏng.

Nhóm sử dụng MCB BHW-T10 C32 (Hình 3-16) để đóng cắt cho khối điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác với thông số kỹ thuật như ở (Bảng 3-11).

Hình 3-16 MCB BHW-T10 C32 Bảng 3-11 Thông số kỹ thuật của MCB BHW-T10 C32

Dòng điện 32A Điện áp 220 VAC / 440 VAC

Cho từng module điều khiển động cơ servo MR-J4-20B nhóm sử dụng MCB BH-D6 C20 (Hình 3-16) với thông số kỹ thuật được mô tả ở (Bảng 3-12).

Hình 3-17 MCB BH-D6 C20 Bảng 3-12 Thông số kỹ thuật của MCB BH-D6 C20

Dòng điện 20A Điện áp 230 VAC / 400 VAC

2 Cảm biến quang Được sử dụng để phát hiện hộp và sản phẩm được cấp vào làm tín hiệu đồng bộ chuyển động cho robot và hệ thống cấp sản phẩm và cấp hộp hoạt động Nhóm sử dụng cảm biến quang E3F-DS30C4 (Hình 3-18) với thông số như ở (Bảng 3-13)

Hình 3-18 Cảm biến quang E3F-DS30C4

Hình 3-19 Sơ đồ kết nối của cảm biến quang E3F-DS30C4 Bảng 3-13 Thông số kỹ thuật cảm biến quang E3F-DS30C4

Khoảng cách phát hiện 7 – 30 cm

Dòng tiêu thụ 8mA/12V, 15mA/24V

Vì ngõ ra PLC là sinking 24VDC nên nhóm sử dụng van khí nén Airtac 3V210-

08 (Hình 3-20) với thông số kỹ thuật như ở (Bảng 3-14).

Hình 3-20 Van khí nén Airtac 3V210-08 Bảng 3-14 Thông số kỹ thuật van khí nén Airtac 3V210-08

Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG Áp suất hoạt động 0.15 – 0.8 Mpa

Loại Van hơi 3 cửa 2 vị trí (1 đầu Coil điện)

Nhóm sử dụng các nút nhấn và công tắc để điều khiển hệ thống, đồng thời lắp đặt đèn báo trạng thái ở mặt trước tủ điện nhằm theo dõi hoạt động và phát hiện sự cố.

Hình 3-21 Các nút nhấn, công tắc vận hành hệ thống

Hình 3-22 Các đèn báo trạng thái của hệ thống

3.3.2 Thiết kế băng tải a Băng tải

Theo yêu cầu thiết kế, hộp đựng sản phẩm là những hộp mica kích thước 222x76x30 (mm) với sản phẩm được làm bằng mica có kích thước tối đa 60x60x15 (mm).

Nhóm đã quyết định chọn băng tải với các thông số cụ thể: chiều dài 600 mm, chiều rộng 100 mm, chất liệu dây băng tải là PVC, và khung được làm từ nhôm định hình 30x30 mm.

Hình 3-23 Mô hình 2D của băng tải

Hình 3-24 Mô hình 3D của băng tải b Động cơ kéo băng tải

Dựa theo những thông số từ bản thiết kế băng tải gồm:

Tổng khối lượng hàng trên băng chuyền: 0.2 kg

Khối lượng của dây và trục băng tải: W = 1.2 kg

Chiều dài băng tải: 60 cm

Bán kính trục pully: = 2 cm

Thời gian làm việc: 8 giờ/ngày

Tốc độ tối đa của băng tải: V@000 mm/min.

Tỉ số truyền bằng tỉ số vòng quay pully2/ pully1 là: 3/2

Moment đầu trục băng tải:

T 2 2.4 0.0981 0.24( N m) Moment đầu trục động cơ:

2 1 2 với 3/2 là tỷ số truyền.

Tốc độ quay động cơ:

Theo yêu cầu thiết kế, băng tải vận chuyển sản phẩm phải hoạt động liên tục và đồng bộ với cơ cấu phân loại Vì vậy, nhóm đã quyết định sử dụng động cơ bước 42BYGP40-PG5.18, với thông số kỹ thuật được trình bày trong Bảng 3-15.

Hình 3-25 Động cơ bước 42BYGP40-PG5.18

Bảng 3-15 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 42BYGP40-PG5.18

Số pha 2 Độ phân giải 1.8°

3.3.3 Thiết kế khâu phân loại sản phẩm

Nhóm đã chọn phương pháp xử lý ảnh để phát triển hệ thống phân loại sản phẩm theo hình dạng Để đảm bảo chất lượng hình ảnh, camera cần có độ phân giải cao, cảm biến màu tốt, khả năng nhận biết màu chính xác, và tốc độ khung hình tối thiểu 30 fps Dựa trên các yêu cầu này, nhóm đã quyết định sử dụng camera HBVCAM-F20216HD V22, với thông số kỹ thuật được mô tả trong bảng 3-16.

Bảng 3-16 Thông số kỹ thuật Camera HBVCAM-F20216HD V22

Cảm biến F22 Đ phân gi iộ ả 1920 * 1080 pixels

Ngõ ra và FPS Max: MJPG 1920*1080 30 FPS

Hình 3-26 Camera HBVCAM-F20216HD V22 b.Thiết kế hộp đen đặt camera

Buồng xử lý ảnh là một hộp đen xác hơn, hạn chế bị nhiễu do ánh sáng

3-27) giúp việc nhận dạng sản phẩn dễ dàng và chính tự nhiên Nhóm đã thiết kế hộp đen như (Hình

Hình 3-27 Hộp đen đặt camera c Chuyển đổi hệ trục Camera sang Robot

THI CÔNG HỆ THỐNG

Thi công phần cứng

Sau khi có bản vẽ thiết kế Robot từ Solidworks nhóm tiến hành thi công Robot và đạt được kết quả như ở (Hình 4-1).

Hình 4-1 Cánh tay Robot SCARA

Sau khi hoàn thành Robot nhóm tiến hành thi công mô hình hệ thống gồm:

Băng tải 1 và 2 được bố trí vuông góc, mỗi băng tải được trang bị một cảm biến quang để phát hiện sản phẩm hoặc hộp rỗng Robot được đặt ở vị trí trung tâm giữa hai băng tải.

Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG

Hình 4-2 Mô hình của hệ thống

Hộp đen chứa Camera được đặt trên băng tải 1 (Hình 4-3).

Hình 4-3 Băng tải 1 có hộp đen chứa Camera

Quá trình thi công tủ điện của nhóm diễn ra gồm 2 giai đoạn:

Bố trí, cố định và đi dây cho các thiết bị trên Panel tủ điện (Hình 4-4).

Gắn Panel lên tủ điện và nối dây cho các cơ cấu còn lại (nút nhấn, đèn, động cơ,…) (Hình 4-5).

Hình 4-4 Bố trí, cố định và đi dây cho các thiết bị trên Panel tủ điện

Hình 4-5 Gắn Panel lên tủ điện và nối dây cho các cơ cấu còn lại

KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC

Phần cứng

Sau quá trình thiết kế và thi công nhóm đã đạt được kết quả của phần cứng như ở (Hình 5-1) và (Hình 5-2).

Hình 5-1 Hệ thống sau khi hoàn chỉnh

Hình 5-2 Tủ điện khi đang hoạt động

Phần mềm

5.2.1 Khâu giám sát và vận hành trên HMI và PC

Hình 5-3 Màn hình tổng quan hệ thống

Hình 5-4 Màn hình điều khiển

Hình 5-5 Màn hình điều khiển ở chế độ Manual

Hình 5-6 Màn hình giám sát

Hình 5-7 Màn hình cài đặt

Hình 5-8 Màn hình cảnh báo

Hình 5-9 Màn hình giám sát và điều khiển trên LabVIEW

5.2.2 Truy vấn và giám sát dữ liệu trên Webserver

Hình 5-10 Dữ liệu hệ thống được lưu vào SQL Server

Hình 5-11 Truy vấn dữ liệu hệ thống trên Webserver

Hình 5-12 Trang tổng quan của Webserver

Hình 5-13 Giám sát hệ thống trên Webserver

Tiêu đề	Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot scara
Tác giả	Trần Thị Thanh Vi, Trần Thị Vân Anh, Nguyễn Trọng Nghĩa
Người hướng dẫn	TS. Vũ Văn Phong
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
Thể loại	Đồ án tốt nghiệp
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	148
Dung lượng	14,36 MB