Thiết kế, chế tạo máy tự động kiểm tra và phân loại nhãn in trên sản phẩm trong công đoạn đóng gói

Công đoạn này đòi hỏi sự tập trung cao của công nhân để kiểm tra sự sai sót trong việc in ấn nhãn, mà trong đó các lỗi hay gặp như :nhãn in mờ, không rõ nét, nhãn không in, sai code sản

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ ĐẮC VĂN NHÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY TỰ ĐỘNG KIỂM TRA

VÀ PHÂN LOẠI NHÃN IN TRÊN SẢN PHẨM TRONG CÔNG ĐOẠN ĐÓNG GÓI

Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện tử

Mã số : 60.52.01.14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1 : PGS.TS LÊ CUNG

Phản biện 2 : PGS.TS LÊ VIẾT NGƯU

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử họp tại Trường Đại học Bách Khoa vào ngày 17 tháng 6 năm 2017

Có thể tìm hiểu luận văn tại:

 Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách Khoa

 Thư viện Khoa Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa - ĐHĐN

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa –hiện đại hóa đất nước, do đó việc đẩy mạnh vai trò của lao động sang tạo cải tiến trong công việc để nâng cấp công nghệ và hợp lý hóa sản xuất nâng cao chất lượng , tăng năng suất lao động là việc rất cần thiết Hiện nay chi phí nhân công ngày tăng cao, từ năm 2010 đến năm 2016 mức lương tối thiểu tăng 200% đối với doanh nghiệp FDI Thêm vào

đó ngày càng nhiều công ty mới xuất hiện từ các quốc gia Ấn Độ, Trung Quốc, Braxin cạnh tranh về cả công nghệ và giá thành Do vậy yêu cầu không ngừng cải tiến thiết bị máy móc tại các phân xưởng sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí lao động đang là vấn đề hết sức được chú trọng

Bên cạnh đó, yêu cầu của khách hàng ngày càng khắc khe, các tiêu chuẩn trong đo lường, kiểm tra truy vết sản phẩm được đòi hỏi chỉnh chu và kỹ lưỡng trước khi giao sản phẩm đến khách hàng Trong nhà máy hiện nay, chủ yếu vẫn sử dụng lao động thủ công để kiểm tra công đoạn dán nhãn mã vạch trong công đoạn đóng gói Công đoạn này đòi hỏi sự tập trung cao của công nhân để kiểm tra sự sai sót trong việc in ấn nhãn, mà trong đó các lỗi hay gặp như :nhãn

in mờ, không rõ nét, nhãn không in, sai code sản phẩm…Do vậy dẫn đến các sản phẩm đóng gói không đạt yêu cầu được gửi đến khách hàng, vấn đề này khi xảy ra ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến công tác quản lý chất lượng của nhà máy cũng như uy tín của công ty chưa kể các khoảng đền bù khá lớn do sai sót

Đứng trước thực tế đó, nhiều giải pháp được đưa ra, trong đó việc sử dụng robot scara được trang bị hệ thống vision dùng để phân

loại và kiểm tra sản phẩm khá khả thi như là robot scara ADTECH, TOSHIBA THL400, YAMAHA YK400XG, EPSON LS3-401, những Robot này thường có chi phí đầu tư tương đối cao khoảng từ 20,000-30,000 USD, do vậy việc áp dụng và nhân rộng tại nhà máy khó triển khai

Xuất phát nhu cầu thực tế nêu trên, người nghiên cứu đã chon

đề tài “ Thiết kế và chế tạo máy tự động kiểm tra và phân loại nhãn in trên sản phẩm trong công đoạn đóng gói” để nghiên cứu

và thực hiện luận văn

2 Mục tiêu nghiên cứu

 Thiết kế cụm máy có chức năng kiểm tra các nhãn in sót lỗi: sai model, sai code khách hàng, in thiếu nét không rõ nét,hoặc chưa dán nhãn

 Phân loại các nhãn in đạt yêu cầu (OK) chuyển tiếp sang công đoạn kế tiếp, loại ra nhãn in không đạt (NG) vào khu vực riêng

3 Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

 Nghiên cứu ứng dụng Labviews trong xử lý ảnh

 Nghiên cứu hệ thống dẫn động băng tải

 Nghiên cứu thiết kế cụm robot 3 trục XYZ

 Nghiên cứu hệ thống điều khiển PLC và HMI

3.2 Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu xử lý ảnh phân tích chuỗi ký tự của phần mềm Labview ứng dụng trong việc kiểm tra sản phẩm, đo lường , đánh giá của dây chuyền sản xuất

 Nghiên cứu hệ thống phân loại của các dây chuyền tự động ở các nhà máy khác

4.Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp khảo sát, lý thuyết và thực nghiệm: Phương pháp khảo sát: Trên hiện trường dây chuyền sản xuất,

đo cycle time thực hiện thao tác tại công đoạn kiểm tra nhãn in và phân loại sản phẩm vào khay thành phẩm Lập checksheet ghi lại các danh mục cần kiểm tra lỗi nhãn in và các lưu ý đặc biệt khi công nhân thao tác tại công đoạn này

Phương pháp lý thuyết: Cơ sở lý thuyết ứng dụng Labview trong phân tích xử lý ảnh để nhận diện các ký tự.Tính toán thiết kế các cụm chi tiết máy băng tải, cơ cấu chấp hành khí nén, hệ thống điều khiển bằng PLC

Phương pháp thực nghiệm: Quan sát mô hình máy mô phỏng trên file 3D, thử nghiệm các loại camera để biết các mức độ nhận diện so sánh, đánh giá

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học : làm chủ công nghệ điều khiển hệ

thống thiết bị kiểm tra nhãn in tương tự hệ thống kiểm tra vision

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

 Loại bỏ những sai sót nhầm lẫn ở công đoạn in nhãn, nâng cao chất lượng của quy trình kiểm soát ở công đoạn đóng gói thành phẩm Nâng cao uy tín của công ty đối với khách hàng

 Chi phí đầu tư thấp giảm đến 50% chi phí đầu tư cho 1 hệ thống robot scara có trang bị hệ thống vision

 Giảm chi phí nhân công 1 người ở công đoạn kiểm tra nhãn

in sản phẩm Toàn nhà máy có 30 dây chuyền, như vậy giảm được 30 người và chi phí ước tính cho một nhân công 400 USD/tháng Tiết kiệm 12,000 $/tháng

6 Cấu trúc của luận văn

MỞ ĐẦU

 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu

 Phương pháp nghiên cứu

 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu các loại băng tải nhẹ trong công nghiệp đóng gói, phân tích công đoạn đóng gói hiện tại, đưa ra các bước thiết kế trang

bị công nghệ cho công đoạn đóng gói cải tiến

Chương 2: PHÂN TÍCH XỬ LÝ ẢNH BẰNG ỨNG DỤNG LABVIEW

Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của xử lý ảnh bằng ứng dụng Labview Xây dựng giao diện chương trình xử lý ảnh, đồng thời chọn lựa chọn trang thiết bị phù hợp để thực hiện việc xử lý ảnh

Chương 3: THIẾT KẾ CỤM MÁY ROBOT GẮP HÚT VÀ TRUYỀN ĐỘNG BĂNG TẢI

Thiết kế xây dựng mô hình 3D của cụm máy robot gắp hút, lựa chọn trang bị công nghệ bố trí phù hợp của cơ cấu truyền động băng tải và robot gắp hút

Chương 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

TỰ ĐỘNG PLC VÀ THIẾT LẬP GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI

Lựa chọn trang bị điện để lập trình và Thiết kế chương trình trên PLC Delta cùng với chương trình giám sát giao diện HMI điều khiển tọa độ robot gắp hút

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

1.1 TỔNG QUAN NHÀ MÁY FOSTER ELECTRIC ĐÀ NẴNG

Foster Electric, một trong những tập đoàn hàng đầu chuyên sản xuất các thiết bị điện tử, hệ thống loa, tai nghe, micro speaker, loa thiết bị âm thanh, loa xe hơi có trụ sở chính đặt tại Tokyo-Nhật Bản đến nay tập đoàn đã có hơn 32 nhà máy, chi nhánh hoạt động trên khắp thế giới

1.2 DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM

1.2.1 Quy trình đóng gói và kiểm tra hiện tại

Quy trình đóng gói là phân đoạn cuối cùng của công đoạn hoàn thành sản phẩm Trong công đoạn này bao gồm : công đoạn in tem, kiểm tra tem nhãn, đóng gói quét tem in và bỏ vào khay chứa

Có thể mô hình hóa công đoạn này theo sơ đồ như sau:

Sơ đồ 1.1 Quy trình đóng gói hiện tại

1.2.2 Ưu điểm và hạn chế của quy trình hiện tại

Ưu điểm:

+ Quy trình đơn giản dễ thực hiện

+ Đào tạo lao động đơn giản

+ Thời gian hoàn thành 1 sản phẩm khá lâu

1.2.3 Cải tiến quy trình đóng gói bằng máy tự động kiểm tra nhãn in trên hộp sản phẩm và phân loại vào khay chứa

Sơ đồ 1.2 Quy trình đóng gói cải tiến

Sơ đồ 1.3 Bảng so sánh kết quả trước và sau khi cải tiến

1.2.4 Cấu tạo nhãn in và phân biệt các lỗi trên nhãn in

c Các lỗi chất lượng in trên tem nhãn

Có thể phân ra các lỗi như sau:

 Lỗi in sai Model Nguyên nhân có nhiều model triển khai trên 1 line nên khi triển khai sản xuất do cài đặt sai ban đầu gây lỗi

in sai model

 Lỗi in mờ,in mất nét

 Nhãn in bị nhăn, rách

 Nhãn không đọc được barcode

1.3 BĂNG TẢI TRONG LĨNH VỰC ĐÓNG GÓI NGÀNH CÔNG NGHIỆP NHẸ

Các băng tải thường dùng để di chuyển các vật liệu đơn chiếc theo phương ngang, phương thẳng đứng hoặc phương xoắn Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện vận chuyển các linh kiện nhẹ và trong một số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm,hóa chất và một số

ngành công nghiệp khác thì dùng để vận chuyển sản phẩm hoàn thành và chưa hoàn thành ở các giai đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng như loại bỏ các sản phẩm không dùng được

1.4 CHỌN CÔNG VIỆC ĐỂ THIẾT KẾ, TRANG BỊ CÔNG NGHỆ

Máy tự động này phải bao gồm các module vận hành được bố trí

như sau:

+ Cụm băng tải chuyển sản phẩm sau khi in dán tem

+ Cụm máy phân tích ảnh

+ Cụm robot có cơ cấu gắp hút

+ Cụm băng tải chuyển sản phẩm hoàn thiện OK

+ Module điều khiển chương trình và các thiết bị sensor phát hiện vật thể

Có thể mô hình hóa các module bẳng sơ đồ như bên dưới :

Sơ đồ 1.4 Sơ đồ mô hình hóa máy tự động kiểm tra

CHƯƠNG 2 PHÂN TÍCH XỬ LÝ ẢNH BẰNG ỨNG DỤNG

LABVIEW

2.1 GIỚI THIỆU LABVIEW

2.1.1 Xử lý ảnh và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh 2.1.2 Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh 2.2 NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LABVIEW

2.2.1 VI (Vitual Instrument) - Thiết bị ảo

2.2.2 Front Panel và Block Diagram

2.2.3 Icon & Connector

2.3 CÁC KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRÊN LABVIEW:

2.5 SUBVI VÀ CÁCH XÂY DỰNG SUBVI

2.5.1 Khái niệm SubVI

Số 1: Mã hóa code 39

Số 2: Trạng thái NG/OK

Số 3: Hiển thị barcode từ camera xử lý ảnh

Số 4: Trạng thái kiểm tra Passed và NG của barcode

Số 5: Thông số cài đặt để kiểm tra nhãn in

Số 6: Hiển thị ký tự từ camera xử lý ảnh

Số 7: Trạng thái Passed và NG của chuỗi ký tự

Số 8: Cổng COM kết nối Camera vào Máy tính

Số 9: Độ trễ thời gian ghi dữ liệu từ camera

Số 10: Thông số truyền từ RS232 to COM truyền thông đến

PLC

Sô 11: Số bit dữ liệu truyền xuống PLC

Sô 12: Hiển thị lệnh đẩy xuống PLC

Số 13: Trạng thái kết nối hoặc mất kết nối với PLC

Sô 14: Trạng thái chạy hoặc dừng liên tục quét hình ảnh từ

camera

2.6.3 Cấu hình cho Camera xử lý ảnh

a Cấu hình cho Vision Acquisition từ Block program

b Thiết lập cấu hình cho Camera đọc dữ liệu barcode bằng phương thức OCR/ORV

2.6.4 Cấu trúc chương trình Labview

a Khối dữ liệu truyền lệnh xuống PLC

b Khối thông tin giao diện chương trình

c Khối chương trình xử lý ảnh và barcode

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ CẤU MÁY TỰ ĐỘNG PHÂN

LOẠI VÀ KIỂM TRA NHÃN IN

3.1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA KHI CHỌN, THIẾT KẾ TRANG

- Máy có kết cấu gọn gang dễ bố trí lắp đặt trên dây chuyền

- Cơ cấu máy cứng vững, tuổi thọ cao, phụ tùng dễ thay thế

3.1.2 Lựa chọn cấu tạo của mô hình máy tự động

Hình 3.1 Mô hình máy tự động kiểm tra và phân loại nhãn in

3.2 LỰA CHỌN ROBOT GẮP HÚT

3.2.1 Tính toán, thiết kế robot gắp hút

a Yêu cầu khi tính toán thiết kế

- Cơ cấu cứng vững , hoạt động êm ái

- Hoạt động chính xác, điều khiển linh động

- Tải trọng đáp ứng có khối lượng nhỏ nhẹ,không yêu cầu khắc khe về tải trọng

Tổng thể cơ cấu robot gắp hút như hình bên dưới:

Hình 3.2 Cụm cơ cấu robot gắp hút

3.2.2 Các đặc tính của Robot đơn trục

Là thiết bị truyền động điện từ một thiết bị truyền động vít me đai ốc bi tuyến tính linh hoạt với dẫn động của động cơ Step hoặc servo được điều khiển thông minh đa chức năng tích hợp vào nhiều

hệ thống định vị trục Descartes từ thiết bị truyền động thông minh Các đặc tính của robot đơn trục như sau:

• Nhiều vị trí lặp lại ±0.02mm

• Tốc độ điều khiển lập trình

• Tăng tốc trình và giảm tốc

• Lập trình Torque Control (Push chức năng)

• 50mm đến 1000mm Chiều dài đột quỵ

• Tốc độ 1mm/s đến 1000mm/s tốc độ cao (Phụ thuộc vào mô hình)

• Nối tiếp I / O để kết nối lên đến 16 trục

đề ra

3.3.1 Sử dụng bộ truyền đai

Truyền động đai thường được dùng để truyền dẫn giữa các trục tương đối xa nhau và yêu cầu làm việc êm Cấu tạo của nó bao gồm

buly và dây đai Dây đai có thể được làm bằng vải hoặc cao su Với phương án bố trí được chọn ở trên thì theo cách này sử dụng một bộ đai bố trí trực tiếp để thực hiện chuyển động

Ở đây quá trình vận chuyển, phân loại, đóng gói sản phẩm được thực hiện trên băng tải Dây đai phải được chọn sao cho hành trình của cơ cấu gắp được đảm bảo

CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ ĐỘNG PLC VÀ THIẾT LẬP GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI

4.3.3 Nguyên lý làm việc PLC hãng Delta

4.3.4 Giới thiệu Series DVP-SV có cổng kết nối Ethernet 4.4 THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC

4.4.1 Sơ đồ khối chương trình PLC

8 Y5 Chiều lên/xuống chạy trục Z

4.5 THIẾT KẾ GIÁM SÁT GIAO DIỆN HMI

Giao diện thiết kế HMI trên phần mềm DOPSoft

a Trạng thái ban đầu màn hình 1

b Trạng thái ban đầu màn hình số 2

Hiển thị điều khiển tốc độ của động cơ X<Y<Z bằng thay đổi số xung phát

c Trạng thái ban đầu màn hình số 3

Điều khiển set vị trí lên xuống trục Z, vị trí Home, vị trí Origin

4.6 KẾT QUẢ

Chương trình đã hoàn thành nội dung của đề tài.Phân loại và kiểm tra nhãn in bị lỗi trong công đoạn đóng gói

Kết qủa thể hiện như sau:

Hình 4.5 Giao diện xử lý ảnh Labview

Hình 4.6 Mô hình máy thực tế

Hình 4.7 Sản phẩm trên băng chuyền kiểm tra

 Hạn chế

Mô hình chỉ dừng ở phân tích chuỗi ký tự và barcode để điều khiển PLC chương trình xử lý ảnh chưa có mở rộng vùng quét chụp ảnh xử lý ảnh Chưa linh hoạt đáp ứng được nhiều loại hộp sản phẩm khác nhau

 Hướng phát triển

Ứng dụng của đề tài nhân rộng trong nhà máy, giảm nhân công lao động tăng năng suất lao động

Mô hình mở ra công nghệ xử lý ảnh bằng phân tích Labview , nhận biết được độ sai lệch trong dung sai kích thước như ổ bi, chi tiết

cơ khí Hay kiểm tra tem nhãn trong công nghiệp đóng chai …