Máy kiểm tra ngoại quan

Luận văn này là quá trình tìm tòi, học hỏi để giải quyết một vấn đề trong thực tiễn đời sống sản xuất, đó là thiết kế máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm.. Máy gồm 4 bộ phận chính, bao gồm:

Lời đầu tiên, em xin cảm ơn tất cả quý Thầy Cô tham gia giảng dạy chương trình

Cơ điện tử khóa 2011 đã trang bị cho em những kiến thức cơ sở trong suốt quá trình học tập tại trường

Với sự trân trọng và cảm kích, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đối với TS Lê Thanh Hải, người thầy đã dành nhiều thời gian, tâm huyết hướng dẫn tận tình giúp em hoàn thành đề tài luận văn này

Em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến quý Thầy Cô và các bạn khoa Cơ Khí đã cho em những lời khuyên xác đáng, kịp thời mỗi khi gặp khó khăn trong quá trình làm luận văn Ngoài ra, em xin cảm ơn công ty YUWA đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho

em được tìm hiểu, học tập và tiếp cận thực tế

Cuối cùng, em xin gửi lời cảm ơn đến cha mẹ, những người thân trong gia đình

đã hết lòng chăm sóc, luôn ủng hộ, động viên để em có thể vượt qua mọi khó khăn và hoàn thành luận văn tốt nghiệp này

Luận văn này là quá trình tìm tòi, học hỏi để giải quyết một vấn đề trong thực tiễn đời sống sản xuất, đó là thiết kế máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm Máy có chức năng kiểm tra sản phẩm ngành phun ép nhựa, giúp tiết kiệm thời gian, nhân công và từng bước tiến tới tự động hóa trong khâu kiểm tra

Máy gồm 4 bộ phận chính, bao gồm: bộ phận phát hiện sản phẩm; bộ phận vận chuyển sản phẩm; bộ phận nhận dạng khuyết tật và bộ phận phân loại sản phẩm Máy

sử dụng cảm biến quang có chức năng phát hiện sản phẩm, vòi phun khí có nhiệm vụ phân loại sản phẩm Bộ phận vận chuyển là mâm xoay làm bằng nhựa acrylic trong suốt, chống tĩnh điện Bộ phận nhận dạng khuyết tật được trang bị webcam LOGITECH C920 có chức năng chụp ảnh với sự hỗ trợ của đèn chiếu sáng Ngoài ra, phần thiết kế cơ khí đã lựa chọn sử dụng nhôm định hình làm khung máy

Phần thiết kế bộ điều khiển, luận văn sử dụng PLC điều khiển hoạt động của hệ thống và giao tiếp với máy tính thông qua module chuyên dùng FX2N-232IF Ngoài

ra, máy sử dụng bộ đếm tốc độ cao để đọc tín hiệu xung về từ encoder Phần xử lý nhận dạng khuyết tật, thiết kế chương trình được viết bằng phần mềm MATLAB trên

cơ sở của thuật toán“ phân tích các thành phần chính” Trong đề tài, đối tượng được

chọn thử nghiệm là nút áo với 3 khuyết tật: mất hình dạng, bít lỗ và trầy

Qua quá trình xử lý nhận dạng khuyết tật, kết quả thu được là đã có thể kiểm tra

3 khuyết tật với kết quả thu được khá tốt về độ chính xác, cũng như tốc độ xử lý Tuy nhiên, hệ thống vẫn còn một số khuyết điểm về cơ khí và chương trình xử lý ảnh cần được phát triển để có thể hoạt động đa dạng, hiệu quả và tối ưu hơn

Luận văn được chia làm 6 chương với các phần chính: tổng quan; thiết kế cơ khí; thiết kế mạch điện và bộ điều khiển; xử lý ảnh và nhận dạng khuyết tật; thực nghiệm

và đánh giá kết quả; kết luận và hướng phát triển đề tài Cụ thể sẽ được trình bày trong phần nội dung tiếp theo

TÓM TẮT LUẬN VĂN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH HÌNH ẢNH v

DANH SÁCH BẢNG BIỂU viii

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Lý do chọn đề tài 1

1.2 Khái niệm kiểm tra ngoại quan và các khuyết tật điển hình 2

1.2.1 Khái niệm kiểm tra ngoại quan 2

1.2.2 Các khuyết tật điển hình trong quá trình kiểm tra 2

1.3 Một số hệ thống kiểm tra sản phẩm 4

1.3.1 Hệ thống camera kiểm tra khuôn của hãng USHIO 4

1.3.2 Máy kiểm tra sản phẩm tự động của hãng ASV Software 6

1.3.3 Nguyên lý hoạt dộng chung của máy kiểm tra 7

1.4 Mục tiêu hướng tới 7

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi đề tài 8

1.6 Tổ chức luận văn 8

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 9

2.1 Khung máy 9

2.1.1 Lựa chọn phương án 9

2.1.2 Kích thước 10

2.2 Bộ phận vận chuyển sản phẩm 12

2.2.1 Lựa chọn phương án 13

2.2.2 Kích thước và vật liệu 14

2.2.3 Tính toán chọn động cơ 15

2.3 Bộ phận phân loại sản phẩm 19

2.3.1 Lựa chọn phương án 19

2.3.2 Tính toán, lựa chọn van khí nén 21

2.4 Các chi tiết phụ khác 23

2.5 Tính toán bền 26

3.2 Driver điều khiển động cơ 31

3.3 Giao tiếp máy tính và PLC 34

3.3.1 Giao tiếp trên PLC-Module FX2N-232IF 34

3.3.2 Giao tiếp trên máy tính- MATLAB 38

3.4 Bộ đếm tốc độ cao (High Speed Counter-HSC) 39

3.5 Xây dựng giải thuật điều khiển 40

3.5.1 Đầu bài 40

3.5.2 Lưu đồ giải thuật 41

3.5.3 Một số lệnh sử dụng trong lập trình PLC 45

CHƯƠNG 4 XỬ LÝ ẢNH- NHẬN DẠNG KHUYẾT TẬT SẢN PHẨM 46

4.1 Tổng quan về hệ thống xử lý ảnh 46

4.2 Đặt vấn đề 47

4.3 Giải quyết vấn đề 48

4.3.1 Chọn lựa camera- đèn 48

4.3.2 Thuật toán PCA- nhận dạng khuyết tật sản phẩm 50

4.3.3 Giao diện chương trình nhận dạng khuyết tật 57

CHƯƠNG 5 THỰC NGHIỆM- ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ 58

5.1 Thực nghiệm khả năng phát hiện lỗi 58

5.1.1 Khuyết tật mặt trên 58

5.1.2 Khuyết tật mặt dưới 61

5.2 Đánh giá kết quả 62

5.3 Kết luận 62

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 63

6.1 Những kết quả đạt được 63

6.2 Những kết quả chưa đạt được 63

6.3 Hướng phát triển đề tài 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

Hình 1.1 Khu vực kiểm tra sản phẩm

Hình 1.7 Hệ thống kiểm tra khuôn của hãng USHIO

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của hệ thống kiểm tra khuôn

Hình 1.9 Máy kiểm tra sản phẩm tự động của hãng ASV Software Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động chung của máy kiểm tra ngoại quan Hình 2.1 Kích thước và biên dạng của nhôm định hình HFS63030 Hình 2.2 Kích thước và biên dạng của Bracket HBLFSN6

Hình 2.3 Tải trọng cho phép của gối đỡ Bracket HBLFSN6

Hình 2.4 Khoảng cách từ vị trí robot thả sản phẩm tới nền xưởng Hình 2.5 Khoảng cách từ tấm đỡ trên tới nền xưởng

Hình 2.6 Khoảng cách giữa 2 máy phun ép

Hình 2.7 Sơ đồ bố trí các thiết bị

Hình 2.8 Chiều rộng- chiều dài máy

Hình 2.9 Băng tải vận chuyển sản phẩm

Hình 2.10 Mâm xoay vận chuyển sản phẩm

Hình 2.11 Kích thước mâm xoay

Hình 2.12 Thông số động cơ HCKFS053G7

Hình 2.13 Kích thước động cơ HC-KFS053G7

Hình 2.16 Bộ phận phân loại sử dụng tay máy gắp, hút sản phẩm Hình 2.17 Bộ phận phân loại sử dụng vòi phun

Hình 2.18 Thông số kỹ thuật của van khí nén 2P02506

Hình 2.19 Bảng thông số các loại ống nối

Hình 2.20 Bộ lọc khí AFR của hãng AIRTAG

Hình 2.30 Kết quả phân tích bền khung máy

Hình 2.31 Kết quả mô phỏng ứng suất, chuyển vị đồ gá cảm biến Hình 2.32 Kết quả mô phỏng ứng suất, chuyển vị của đồ gá đèn Hình 3.1 Sơ đồ chân PLC FX2N-16MT-E/UL

Hình 3.2 Motor HCKFS và Servo Drive

Hình 3.3 Sơ đồ đấu dây servo amplier MRJ2S và motor HCKFS053 Hình 3.4 Sơ đồ chân servo amplier MRJ2S

Hình 3.5 Module FX2N-232IF

Hình 3.6 Thông số module giao tiếp FX2N-232IF

Hình 3.9 Lưu đồ giải thuật khối phát hiện sản phẩm

Hình 3.10 Lưu đồ giải thuật kiểm tra số xung

Hình 3.11 Lưu đồ giải thuật khối nhận dạng

Hình 3.12 Lưu đồ giải thuật khối phân loại sản phẩm

Hình 4.1 Các bước cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh

Hình 4.2 Một số sản phẩm trong ngành phun ép nhựa

Hình 4.14 Ảnh sau khi phân ngưỡng

Hình 4.15 Ảnh sau khi loại bỏ đối tượng hình đĩa bán kính r

Hình 4.16 Ảnh sau khi cắt

Hình 4.17 Lưu đồ thuật toán trích chọn đặc trưng

Hình 4.18 Công cụ Image AcquisitionTool

Hình 4.19 Thuật toán khâu nhận dạng khuyết tật

Bảng 2.1 Bảng phân tích, lựa chọn khung máy

Bảng 2.2 Bảng các thông số tính toán động cơ

Bảng 2.3 Thông số động cơ HCKFS053

Bảng 3.1 Bảng yêu cầu các ngõ vào/ ngõ ra

Bảng 3.2 Thông số PLC FX2N-16MT-E/UL

Bảng 3.3 Thông số của servo amplier MRJ2S-10A

Bảng 3.4 Chức năng của một số chân servo sử dụng

Bảng 3.5 Một số buffer sử dụng trong module FX2N-232IF

Bảng 3.6 Truyền nhận dữ liệu giữa PLC và PC

Bảng 3.7 Thông số giao tiếp

Bảng 3.8 Bảng chuyển đổi dữ liệu truyền/ nhận từ ASCII sang HEX Bảng 3.9 Một số lệnh sử dụng trong lập trình PLC

Bảng 4.1 Phân tích, lựa chọn camera( webcam)

Bảng 4.2 Các loại đèn và ứng dụng

Bảng 5.1 Kết quả nhận dạng lỗi trầy mặt trên

Bảng 5.2 Kết quả nhận dạng lỗi mất hình dạng mặt trên

Bảng 5.3 Kết quả nhận dạng lỗi bít lỗ mặt trên

Bảng 5.4 Kết quả nhận dạng sản phẩm không lỗi mặt trên

Bảng 5.5 Kết quả nhận dạng lỗi trầy mặt dưới

Bảng 5.6 Kết quả nhận dạng sản phẩm không lỗi

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

Chương này sẽ trình bày về lý do chọn đề tài, các vấn đề liên quan tới công việc kiểm tra ngoại quan sản phẩm trong lĩnh vực phun ép nhựa Tiếp theo, ta sẽ tìm hiểu

về một số hệ thống kiểm tra sản phẩm hiện nay Trên cơ sở đó, ta rút ra nguyên lý hoạt động chung của một hệ thống kiểm tra ngoại quan sản phẩm Cuối cùng là phần mục tiêu hướng tới của máy; nhiệm vụ và phạm vi đề tài; tổ chức luận văn

1.1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay, các sản phẩm phun ép nhựa được sử dụng rộng rãi trong ngành điện- điện tử, ô tô, y tế, và tất cả các lĩnh vực của đời sống Các sản phẩm đó được sản xuất với yêu cầu chất lượng rất cao và độ chính xác ngày càng lớn, đặc biệt những linh kiện phục vụ cho ngành ô tô, y tế, Trong quy trình tạo ra sản phẩm như vậy, thường trải qua các khâu kiểm tra, đánh giá chất lượng khác nhau với các tiêu chuẩn như tiêu chuẩn về chất cấm, tiêu chuẩn kiểm tra kích thước, tiêu chuẩn kiểm tra chức năng ( kết hợp, độ bền, …) và tiêu chuẩn kiểm tra ngoại quan ( bavia, bọt khí, bụi,… ) Trong đó, việc kiểm tra ngoại quan được kiểm tra với toàn bộ bề mặt sản phẩm từ một đến hai lần trong suốt quá trình sản xuất với số lượng nhân công rất lớn Trong quá trình kiểm tra đó, người kiểm tra phải tiếp xúc với từng sản phẩm thông qua kính hiển vi, kính lúp Điều này gây ảnh hưởng xấu tới sức khỏe mắt người kiểm tra Hơn nữa, việc di chuyển nhân sự qua lại giữa các khu vực kiểm tra cũng tốn nhiều thời gian Đôi khi, người kiểm tra cũng mắc phải những lỗi mang tính chất khách quan như: tâm trạng mệt mỏi, buồn ngủ, làm ảnh hưởng tới chất lượng kiểm tra

Trong thời gian thực tập, tôi đã có cơ hội được quan sát quy trình, phương pháp kiểm tra sản phẩm như vậy và nhận thấy tầm quan trọng của việc cải tiến khâu kiểm tra trong quá trình sản xuất Đồng thời, với yêu cầu của công ty là mong muốn từng bước đưa tự động hóa vào khâu kiểm tra nhằm tiết kiệm nhân công, giải phóng sức lao động và nâng cao chất lượng kiểm tra Từ những điều trên và nhu cầu thực tế, tôi đã quyết định chọn đề tài “ THIẾT KẾ MÁY KIỂM TRA NGOẠI QUAN SẢN PHẨM”

1.2 Khái niệm kiểm tra ngoại quan và các khuyết tật điển hình

1.2.1 Khái niệm kiểm tra ngoại quan

- Kiểm tra ngoại quan là kiểm tra hình dạng, kích thước, hình ảnh bên ngoài

của sản phẩm bằng thị giác

- Phương pháp kiểm tra: phương pháp chủ yếu hiện nay là trực tiếp bằng mắt,

hoặc thông qua các dụng cụ hỗ trợ như kính lúp, kính hiển vi

- Khu vực kiểm tra: Công việc kiểm tra được thực hiện ở 2 khu vực: một là

kiểm tra trực tiếp tại xưởng sản xuất; hai là khu vực kiểm tra bằng kính hiển vi Ngoài

ra, đối với những sản phẩm có tiêu chuẩn cao về độ sạch trong ngành xe hơi, y tế đòi hỏi phải kiểm tra trong phòng sạch

Hình 1.1 Khu vực kiểm tra sản phẩm

- Tên gọi khi kiểm tra: OK ( sản phẩm không lỗi), NG (No Good-sản phẩm lỗi) 1.2.2 Các khuyết tật điển hình trong quá trình kiểm tra

1.2.2.2 Mất hình dạng

Mất hình dạng là hình dạng sản phẩm khác với hình được hiển thị trên bản vẽ Nguyên nhân gây ra do thiết kế, gia công hoặc lắp ráp khuôn sai [9]

Hình 1.3 Sản phẩm lỗi mất hình dạng 1.2.2.3 Bít lỗ

Bít lỗ là hiện tượng lỗ bị bít do đóng khuôn không kín xảy ra ba vớ hoặc chi tiết tạo lỗ trong khuôn bị gãy [9]

1.2.2.4 Trầy, xước

Trầy, xước là hiện tượng có dấu vết để lại trên sản phẩm Nguyên nhân là do sự

va chạm giữa các sản phẩm với nhau khi đóng gói, kiểm tra; hay trên khuôn có dấu trầy làm in dấu trầy trên sản phẩm [9]

Hình 1.4 Sản phẩm lỗi trầy xước 1.2.2.5 Rạn nứt, vết nứt

Rạn nứt là hiện tượng có vết rạn, nứt trên bề mặt sản phẩm Nguyên nhân gây ra

do các đối lực môi trường, đối lực bên ngoài, đối lượng còn sót khi tạo hình [9]

Hình 1.5 Sản phẩm lỗi rạn nứt

1.2.2.6 Bọt khí

Bọt khí là hiện tượng có bọt khí nổi trên bề mặt sản phẩm, làm cho bề mặt bị phình ra Nguyên nhân là do trong suốt quá trình điền khuôn, không khí được giữ lại bên trong sản phẩm tại những vùng gần bề mặt sản phẩm.[9]

Hình 1.6 Sản phẩm lỗi bọt khí

Ngoài ra còn có các lỗi khác như: bụi, dính dầu, thiếu liệu, lõm, biến màu,…

1.3 Một số hệ thống kiểm tra sản phẩm

1.3.1 Hệ thống camera kiểm tra khuôn của hãng USHIO

Hình 1.7 Hệ thống kiểm tra khuôn của hãng USHIO 1.3.1.1 Mục đích

Mục đích của hệ thống kiểm tra này giúp khuôn tránh khỏi hư hỏng Trong trường hợp đóng khuôn với áp lực lớn mà sản phẩm hay dị vật vẫn còn trong khuôn dễ gây ra hiện tượng hư hỏng khuôn, gây thiệt lớn về kinh tế

1.3.1.2 Nguyên lý hoạt động:

Hệ thống bao gồm 1 camera và bộ điều khiển Camera được đặt sao cho có thể quan sát rõ được sản phẩm trong quá trình đóng/ mở khuôn Bộ điều khiển có chức năng xử lý hình ảnh chụp được từ camera Trước khi máy hoạt động, người thao tác tiến hành cài đặt camera với các thông số (vùng kiểm tra, độ nhạy,… ) và chụp 2 ảnh: ảnh chụp khi vừa mới mở khuôn ( gọi là ảnh 1) và ảnh chụp sau khi đẩy pin ( gọi là ảnh 2)

Khi khuôn mở hoàn toàn, camera chụp lần 1 nhằm phát hiện các lỗi như bụi, dị vật Nếu ảnh chụp khác với ảnh 1, máy sẽ cảnh báo và dừng lại Ngược lại, nếu không phát hiện thấy lỗi, pin đẩy tiến hành đẩy sản phẩm ra Sau khi robot gắp sản phẩm ra, pin lùi về hoàn toàn, camera chụp lần 2 nhằm phát hiện sản phẩm hay dị vật còn ở trong khuôn không Cũng giống như lần 1, nếu lần chụp 2 phát hiện còn sản phẩm trong khuôn, máy cảnh báo và dừng lại Nếu không phát hiện lỗi, máy sẽ đóng khuôn lại, tiếp tục chu trình phun ép tiếp theo

Mở khuôn hoàn toàn Camera chụp lần 1

Kiểm tra

Pin đẩy

Pin đẩy về hoàn toàn

Camera chụp lần 2

Kiểm tra

Cảnh báo Dừng lại S

Đ S Đ

S

Đ Bắt đầu

Hình 1.8 Nguyên lý hoạt động của hệ thống kiểm tra khuôn

1.3.1 Máy kiểm tra sản phẩm tự động của hãng ASV Software

Hình 1.9 Máy kiểm tra sản phẩm tự động của hãng ASV Software [10]

(1) Camera: chụp hình sản phẩm cần kiểm tra

(2) Đèn chiếu sáng: hỗ trợ việc chụp hình sản phẩm

(3) Máy tính và màn hình hiển thị: xử lý, kiểm tra và biểu thị hình ảnh (4) Phần cung cấp hàng và phân loại

Hoạt động cơ bản của máy:

Bộ phận cung cấp sản phẩm đưa sản phẩm kiểm tra đến dưới camera Camera chụp hình sản phẩm đưa vào máy tính Phần mềm máy tính xử lý, phân tích hình ảnh đưa ra kết quả kiểm tra và truyền kết quả kiểm tra đó cho bộ phận phân loại Bộ phận phân loại hàng theo kết quả kiểm tra

Ƣu điểm:

- Kiểm tra được những sản phẩm kích thước nhỏ

- Đo được kích thước sản phẩm, khoanh vùng vị trí sản phẩm bị khuyết tật

1.3.3 Nguyên lý hoạt động chung của máy kiểm tra ngoại quan

Sau khi đã tìm hiểu các hệ thống kiểm tra hiện nay, ta rút ra được nguyên lý chung của một máy kiểm tra ngoại quan như sau: sản phẩm được đưa tới bộ phận vận chuyển (mâm xoay, băng tải,…) nhờ vào cơ cấu cấp sản phẩm tự động (phễu rung, thanh rung,…) Sau khi cảm biến phát hiện vật, camera ( webcam) tiến hành chụp ảnh Sau đó, máy tính sẽ xử lý nhận dạng khuyết tật bằng các phầm mềm như C#, Matlab, C++,…và đưa ra kết quả Cuối cùng, bộ phận phân loại sản phẩm ( xi lanh, khí nén, tay gắp,…) sẽ phân loại sản phẩm dựa vào kết quả phán định

Cảm biến phát hiện sản phẩm

Bộ phận chụp ảnh ( Webcam, camera)

Bộ phận vận chuyển sản phẩm ( băng tải, mâm xoay)

Hình 1.10 Nguyên lý hoạt động chung của máy kiểm tra ngoại quan

1.4 Mục tiêu hướng tới

- Tiết kiệm thời gian: kiểm tra trực tiếp tại máy phun ép giúp tiết kiệm được

thời gian di chuyển sản phẩm, nhân sự qua lại giữa 2 khu vực kiểm tra

- Tiết kiệm nhân sự: Thay thế nhân công trong việc kiểm tra các lỗi như trầy,

xước; mất hình dạng, bít lỗ Đồng thời, máy cũng hạn chế những lỗi mang tính chất khách quan từ người công nhân như: tâm trạng, mệt mỏi, buồn ngủ

- Có khả năng phân loại, đếm sản phẩm: hiện nay khâu kiểm tra chưa kiểm

soát được số lượng sản phẩm lỗi

- Tự động hóa: Từng bước đưa tự động hóa vào khâu kiểm tra vốn dĩ tốn rất

nhiều công nhân

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi đề tài:

Nhiệm vụ:

- Tìm hiểu tổng quan về công việc kiểm tra ngoại quan sản phẩm

- Đưa ra các phương án thiết kế máy như lựa chọn vật liệu làm khung máy; phương án vận chuyển và phân loại sản phẩm; chọn lựa thiết bị thu nhận hình ảnh

- Thiết kế cơ khí: thiết kế bộ phận vận chuyển và phân loại sản phẩm; thiết kế chi tiết nâng đỡ webcam, cảm biến, đèn, ; tính toán bền cho khung máy và một số chi tiết nâng đỡ trên phầm mềm Solid works; hoàn thành bản vẽ cơ khí

- Thiết kế mạch điện: chọn lựa bộ điều khiển và động cơ Vẽ sơ đồ đấu dây kết nối các thiết bị

- Viết chương trình điều khiển cho máy: xây dựng lưu đồ giải thuật điều khiển; tìm giải pháp truyền nhận tín hiệu giữa bộ điều khiển và máy tính

- Xây dựng giải thuật nhận dạng khuyết tật sản phẩm bằng MATLAB

- Thiết kế giao diện chương trình nhận dạng khuyết tật

Phạm vi đề tài:

- Đối tượng kiểm tra: sản phẩm bằng nhựa, có kích thước 20x20 (mm)

- Kiểm tra trên 2 mặt của sản phẩm

- Nhận dạng các lỗi: mất hình dạng; bít lỗ; trầy

1.6 Tổ chức luận văn:

Chương 1: Tổng quan đề tài

Chương 2: Thiết kế cơ khí

Chương 3: Thiết kế mạch điện và bộ điều khiển

Chương 4: Xử lý ảnh, nhận dạng lỗi sản phẩm

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá kết quả

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài

CHƯƠNG 2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ

Sau khi đã tìm hiểu tổng quan, ta tiến hành lựa chọn phương án và thiết kế cơ khí cho các bộ phận Phần cơ khí của máy kiểm tra sản phẩm gồm 4 phần chính : khung máy; bộ phận vận chuyển sản phẩm; bộ phận phân loại sản phẩm và các chi tiết phụ

2.1 Khung máy

Khung máy là một phần rất quan trọng của máy, nâng đỡ toàn bộ các bộ phận của máy Vì vậy, khung phải máy đòi hỏi độ cứng vững cao, phù hợp với điều kiện môi trường làm việc tại xưởng sản xuất

- Hạn chế trong việc tháo lắp

- Không linh hoạt khi sử dụng

Phương pháp nối ghép:

- Hàn

Kết luận: Ta chọn nhôm định hình làm vật liệu khung máy

Khung máy được lắp ghép từ các thanh nhôm định hình loại HFS63030 của hãng MISUMI Chúng được cắt với chiều dài khác nhau và liên kết với nhau bằng gối đỡ phụ kiện HBLFSN6 kèm theo

Hình 2.1 Kích thước và biên dạng của nhôm định hình HFS63030

Hình 2.2 Kích thước và biên dạng của Bracket HBLFSN6

Hình 2.3 Tải trọng cho phép của gối đỡ Bracket HBLFSN6 2.1.2 Kích thước

Với yêu cầu máy có khả năng kiểm tra ngay tại khu vực sản xuất mà không cần phải sử dụng bộ phận cấp sản phẩm tự động như phễu rung, thanh rung Robot ( trang

bị sẵn cùng máy phun ép) chỉ có nhiệm vụ lấy sản phẩm từ máy phun ép nhựa và thả vào mâm xoay ở vị trí đã được cài đặt sẵn Sau đó, máy sẽ tự động kiểm tra, nhận dạng lỗi trên sản phẩm Vì vậy, giải pháp đưa ra là máy sẽ được bố trí bên cạnh máy phun

ép nhựa và kích thước phải phù hợp với không gian làm việc tại xưởng sản xuất

2.1.2.1 Chiều cao

Chiều cao khung máy được thiết kế dựa trên phạm vi robot có khả năng thả sản phẩm Sau khi tiến hành đo trực tiếp tại xưởng, khoảng cách tối thiểu từ vị trí robot thả sản phẩm tới nền xưởng là 1,16 m

Hình 2.4 Khoảng cách từ vị trí robot thả sản phẩm tới nền xưởng

 Vì vậy, ta chọn khoảng cách từ tấm đỡ trên tới nền xưởng là 1,2 m

Hình 2.5 Khoảng cách từ tấm đỡ trên tới nền xưởng 2.1.2.2 Chiều rộng, chiều dài:

Diện tích máy phải phù hợp với không gian và hoạt động của xưởng sản xuất: cho phép công nhân có không gian thao tác máy và lấy sản phẩm

Khoảng cách thực tế đo được giữa 2 máy phun ép nhựa là 1,5m

Hình 2.6 Khoảng cách giữa 2 máy phun ép

Đồng thời, diện tích máy phải đủ để lắp đặt các thiết bị khác như webcam, cảm biến, bộ phận vận chuyển sản phẩm

- Có khả năng chống tĩnh điện: Trong quá trình kiểm tra có thể phát sinh bụi do

các yếu tố bên ngoài hoặc do ma sát giữa sản phẩm và bề mặt mâm xoay Bụi bám trên sản phẩm là một dạng khuyết tật của kiểm tra, cũng là một dạng nhiễu của xử lý ảnh

Vì vậy, vật liệu làm mâm xoay đòi hỏi khả năng chống tĩnh điện

- Có tính trong suốt: Với mục tiêu kiểm tra 2 mặt (trên và dưới) sản phẩm nên

vật liệu bộ phận vận chuyển phải có tính trong suốt

- Tiết kiệm diện tích: Vì máy được đặt trực tiếp tại khu vực sản xuất nên đòi hỏi

bộ phận vận chuyển phải có diện tích phù hợp

2.2.1 Lựa chọn phương án

2.2.1.1 Sử dụng băng tải

Hình 2.9 Băng tải vận chuyển sản phẩm

Ưu điểm:

- Băng tải có cấu tạo đơn giản, bền

- Có khả năng vận chuyển theo hướng ngang, nghiêng với khoảng cách lớn

Hình 2.10 Mâm xoay vận chuyển sản phẩm

- Tiết kiệm diện tích

- Mâm xoay làm bằng kính hay mica có kiểm tra 2 mặt của sản phẩm

Kết luận: Ta quyết định chọn mâm xoay làm bộ phận vận chuyển sản phẩm

kế thử và kiểm tra trong solidworks, ta chọn kích thước như hình vẽ

Hình 2.11 Kích thước mâm xoay 2.2.2.2 Vật liệu

Vật liệu làm mâm xoay phải có tính trong suốt, hạn chế bụi gây ra cho ma sát giữa sản phẩm và bề mặt mâm xoay

Ta có hai phương án lựa chọn vật liệu làm mâm xoay: một là sử dụng kính; hai là

sử dụng nhựa acrylic trong suốt có tính năng chống tĩnh điện Kính là vật liệu trong suốt, tính thẩm mỹ cao nhưng dễ bám bụi, gia công khó, tỷ lệ sát thương cao khi bị vỡ Acrylic có đặc điểm như trong suốt, khả năng xuyên thấu ánh sáng cao, chống tĩnh điện tốt Ngoài ra, nhiệt độ nóng chảy của acrylic là 240 -270 [10], nên đảm bảo nhiệt độ sản phẩm khi ra khỏi máy phun ép không làm phá hủy bề mặt mâm xoay Từ

những điều trên, ta quyết định chọn vật liệu là nhựa acrylic

2.2.3 Tính toán chọn động cơ

2.2.3.1 Các thông số ban đầu:

Bảng 2.2 Bảng các thông số tính toán động cơ

Số liệu

Tốc độ quay của mâm xoay ⁄ ,

Moment quán tính tải chuyển về trục động cơ (

Moment quán tính động cơ

(Motor inertia moment)

Inertia moment (J) [ 0.053

- Tỉ số truyền:

= 163,52 [5] (2.6)

 i=12,78

Hình 2.12 Thông số động cơ HCKFS053G7 [8]

Dựa vào bảng thông số trên, ta chọn động cơ HC-KFS053G7 với tỉ lệ giảm tốc i

là 11:1; moment quán tính

2.2.3.3 Tính toán, kiểm tra lại

- Moment quán tính tải chuyển về trục động cơ:

(2.7)

), nên thỏa yêu cầu

Kết luận: Ta chọn động cơ HC-KFS053G7 của hãng MITSUBISHI

2.2.3.5 Điều kiện sản phẩm không bị văng ra khỏi mâm xoay

Điều kiện ban đầu:

Hình 2.15 Phân tích lực tìm điều kiện vật không văng khỏi mâm

Điều kiện vật không bị văng ra khỏi mâm xoay là:

Tốc độ mâm xoay là 2,5 (vòng / phút) nên thỏa yêu cầu sản phẩm không bị văng

ra khỏi mâm xoay

2.3 Bộ phận phân loại sản phẩm

2.3.1 Lựa chọn phương án

Yêu cầu:

- Nhanh, chính xác, hoạt động ổn định

- Tiết kiệm chi phí

- Tiết kiệm diện tích không gian vùng làm việc

2.3.1.1 Sử dụng tay máy gắp, tay hút

Hình 2.16 Bộ phận phân loại sử dụng tay máy gắp, hút sản phẩm

- Tiết kiệm diện tích không gian vùng làm việc so với sử dụng tay gắp

- Nhanh, sạch phù hợp với môi trường kiểm tra ngoại quan

- Chi phí thấp hơn so với sử dụng tay gắp

Nhược điểm:

- Dòng khí nén thoát khí ra ở đường dẫn khí gây ra tiếng ồn

Kết luận: Ta quyết định chọn phương án vòi phun

2.3.2 Tính toán lựa chọn van khí nén

Với nguyên lý hoạt động máy, vòi phun khí có 2 chế độ làm việc: thổi hoặc không thổi khí nên ta lựa chọn van 1 chiều Van khí nén sử dụng là: 2P025-06 của hãng AIRTAC

Hình 2.18 Thông số kỹ thuật của van khí nén 2P02506 [10]

2.3.2.1 Kiểm nghiệm

a) Thông số ban đầu:

- Khối lượng sản phẩm kiểm tra : ( sử dụng công cụ mass properties trong solidworks với r =20mm, vật liệu nhựa polyeste resin)

- Ống khí nén có đường kính ngoài , đường kính trong

- Áp suất cung cấp để thổi sản phẩm: p=2 bar (0,5 Mpa), cài đặt thiết bị có thêm

van giảm áp để điều chỉnh

- Bỏ qua hệ số ma sát giữa sản phẩm và mâm xoay

Để sản phẩm có thể di chuyển ra khỏi mâm xoay thì áp lực phun phải thắng lực

ma sát giữa sản phẩm và bề mặt mâm xoay

=> p> =580 (Pa)

-6π.4.10

Áp suất hoạt động van khí nén đã chọn nằm khoảng 0-0,7 Mpa nên thỏa yêu cầu

2.3.2.2 Chi tiết phụ

Vì kích thước ngõ ra van khí nén là G1/8 và đường kính ngoài ống phun khí là 6mm nên ta sử dụng thêm ống nối

Hình 2.19 Bảng thông số các loại ống nối [10]

Dựa vào hình 2.20, ta chọn ống nối PL601 của hãng AIRTAG

Khí nén được tạo ra từ máy nén khí có chứa nhiều chất bẩn như bụi bẩn do không khí hút vào, những cặn bã của dầu bôi trơn Do đó, việc xử lý khí nén cần phải thực hiện bắt buộc Khí nén không được xử lý thích hợp sẽ gây hư hỏng, gây trở ngại của các phần tử khí nén Vì vậy, ta sử dụng thêm bộ lọc khí AFR 1500 của hãng AIRTAG

2.4.2 Đồ gá cảm biến

Hình 2.23 Kích thước cảm biến [10]

Dựa vào kích thước cảm biến trong hình 2.23 , ta sẽ tiến hành thiết kế đồ gá cho cảm biến Cảm biến được thiết kế, lắp đặt sao cho có thể phát hiện sản phẩm đi qua một cách chính xác nhất

Giống với cụm gá đèn,cụm gá cảm biến được thiết kế dựa trên linh kiện LAA và FSS ( vật liệu SUS 304) của MISUMI

Hình 2.24 Đồ gá cảm biến sau khi lắp ráp 2.4.3 Đồ gá webcam

Đồ gá webcam được thiết kế nhằm mục đích hỗ trợ cho quá trình chụp ảnh Khoảng cách từ ống kính webcam tới sản phẩm kiểm tra cần được cố định tốt, không

bị thay đổi dễ dàng bởi các yếu tố bên ngoài như chuyển động của máy Đồng thời, đồ

gá cũng phải cho ta nâng, hạ webcam trong trường hợp đối tượng và khoảng cách kiểm tra thay đổi

Dựa vào cataloge của hãng MISUMI, ta chọn linh kiện ZDTLS [10] Chi tiết này hoạt động dựa theo truyền động bánh răng- thanh răng Bộ phận lắp trực tiếp với chi tiết khác được chuyển động tịnh tiến theo sống trượt mang cá

Hình 2.25 Đồ gá webcam

Theo kết cấu cơ khí của bộ phận gá, webcam không thể lắp trực tiếp lên đồ gá

Vì vậy, ta phải thiết kế tấm lắp trung gian Tấm trung gian được làm bằng vật liệu nhựa POM, với đặc tính như dễ gia công; độ bền cơ học cao, chịu va đập tốt; ứng dụng trong các chi tiết cần độ chính xác cao,ổn định về kích thước

Tấm trên là bộ phận quan trọng của máy vì là nơi gá đặt các thiết bị phục vụ cho quá trình điều khiển Vì vậy, tấm trên phải được thiết kế sao cho có thể lắp đặt các chi tiết một cách phù hợp, vật liệu sử dụng dễ gia công

Với đặc điểm như có khả năng gia công, tạo hình rất tốt; chống ăn mòn tốt nên ta

sử dụng vật liệu SUS304 làm vật liệu cho tấm đỡ phía trên với độ dày 10 mm

Hình 2.28 Tấm đỡ trên và sơ đồ bố trí thiết bị

Ngoài ra, để máy có thể hoạt động tốt, ổn định, ta sử dụng thêm chân cân bằng Dựa vào đặc điểm của nhôm định hình đã chọn, ta sử dụng chân cân bằng FJGNS8 của hãng MISUMI

Hình 2.29 Chân cân bằng 2.5 Tính toán bền

Việc tính toán bền cho máy là rất cần thiết để đảm bảo máy chịu tải tốt, hoạt động tốt trong môi trường công nghiệp với cường độ cao Kiểm tra bền các cơ cấu, chi tiết dựa vào phần mềm solidworks, cụ thể ta sẽ phân tích khung máy, đồ gá đèn và cảm biến

2.5.1 Khung máy

Ta đặt lực tác dụng lên bề mặt tấm đỡ các thiết bị là 250N

Hình 2.30 Kết quả phân tích bền khung máy

Dựa vào kết quả phân tích, ta thấy ứng suất lớn nhất sinh ra ở khung máy là , nhỏ rất nhiều so với ứng suất của nhôm định hình và vật liệu SUS 304 Chuyển vị lớn nhất là , nhỏ rất nhiều so với kích thước của máy

2.5.2 Đồ gá cảm biến, đèn

Như đã trình bày ở phần thiết kế cơ khí, đồ gá cảm biến được làm bằng vật liệu SUS 304 và lực tác dụng lên chi tiết là 5N ( khối lượng cảm biến và 2 thanh gá cảm biến là 0,5 kg)

Hình 2.31 Kết quả mô phỏng ứng suất, chuyển vị đồ gá cảm biến

Với kết quả ứng suất như trên, ta thấy giới hạn ứng suất chảy là lớn hơn rất nhiều so với ứng suất sinh ra trong chi tiết là Chuyển vị lớn nhất là , nhỏ rất nhiều so với kích thước của chi tiết

Hình 2.32 Kết quả mô phỏng ứng suất, chuyển vị của đồ gá đèn

Dựa vào các kết quả phân tích, cho thấy ứng suất sinh ra là , nhỏ rất nhiều so với ứng suất giới hạn là Chuyển vị lớn nhất là , nhỏ rất nhiều so với kích thước của chi tiết