Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động

Lý do chọn đề tài Hiện nay tại hầu hết tất cả các dây chuyển gia công chế tạo các sản phẩm âm thanh tai nghe việc kiểm tra chủ yếu đều dựa vào thao tác của công nhân là chủ yếu, công nh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: TS LƯU ĐỨC BÌNH

Phản biện 1: PGS.TS ĐINH MINH DIỆM

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 Khí, Trường Đại học Bách Khoa – Đại học Đà Nẵng

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Hiện nay tại hầu hết tất cả các dây chuyển gia công chế tạo các sản phẩm âm thanh tai nghe việc kiểm tra chủ yếu đều dựa vào thao tác của công nhân là chủ yếu, công nhân sẽ cầm sản phẩm đưa vào máy đo rồi đưa lên tai để nghe kiểm tra âm thanh lạ

Tuy nhiên việc kiểm tra bằng phương pháp này có rất nhiều nhược điểm như sau:

- Việc kiểm tra trong một thời gian dài dễ ảnh hưởng sức khỏe

vì công nhân phải nghe lien tục các tín hiệu âm thanh

- Độ ổn định của việc kiểm tra không cao vì khi công nhân mệt mởi có thể bỏ sót các lỗi, đồng thời khi kiểm tra phụ thuộc vào cảm tính của mỗi công nhân nên có thể mỗi người công nhân sẽ cho

ra những kết quả khác nhau

- Tốn rất nhiều nhân lực vào việc kiểm tra sẽ là một lãng phí Chi phí khi kiểm tra bằng thủ công này đòi hỏi nhà máy phải

xây dựng các phòng cách âm với chi phí cao và tốn diện tích nhà máy

2 Mục tiêu nghiên cứu

Mục tiêu chính của đề tài này là thực hiện nghiên cứu về âm thanh và thiết bị kiểm tra âm thanh trong dây chuyền sản xuất sản phẩm âm thanh và tai nghe

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1 Đối tượng nghiên cứu

- Các thiết bị kiểm tra âm thanh và dây chuyền sản xuất các sản phẩm về âm thanh và tai nghe

- Sản phẩm card âm thanh nhằm thu và phát âm thanh

- Bộ điều khiển PLC Mishubisi

- Dòng sản phẩm thu tín hiệu âm thanh microphone Panasonic

- Dòng robot cylinder và các sản phẩm cylinder của SMC

3.2 Phạm vi nghiên cứu

Nghiên cứu thiết bị kiểm tra âm thanh và việc kiểm tra âm thanh trong dây chuyền sản xuất sản phẩm âm thanh và tai nghe

4 Phương pháp nghiên cứu

Kết hợp phương pháp nghiên cứu lý thuyết và nghiên cứu thực

tế tại công ty TNHH Điện tử Foster Đà Nẵng

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Đề tài “ Thiết kế chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động”

5.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài ”Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động” nhằm nghiên cứu về âm thanh và các đặc tính của âm thanh

Ứng dụng Matlab trong việc xử lý và phân tích âm thanh

Xử dụng kết nối máy tính với PLC để điều khiển Robot Cylinder

Tạo tiền đề cho việc chế tạo ra thiết bị kiểm tra âm thanh lạ của thiết bị tai nghe, hiện tại hầu hết việc này đều sử dụng tai người

và kiểm tra thủ công

5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Đề tài ”Nghiên cứu chế tạo thiết bị kiểm tra âm thanh tự động” nhằm đáp ứng xu hướng tự động hóa nâng cao hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất, đồng thời nâng cao độ tin cậy trong việc kiểm tra

âm thanh sản phẩm và đặc biệt là nâng cao môi trường làm việc cho người lao động

Giảm chi nhân công lao động và chi phí kiểm soát qui trình

Ngoài ra việc chế tạo máy kiểm tra âm thanh tự động sẽ giảm được chi phí đầu tư vì các thiết bị kiểm tra âm thanh hiện tại trên thị trường có chi phí rất cao

6 Dự kiến kết quả đạt được

- Nêu tổng quan về nguyên lý kiểm tra âm thanh sản phẩm tai nghe

- Xây dựng được thuật toán kiểm tra âm thanh và đặc biệt là kiểm tra âm thanh lạ tự động

- Chế tạo máy kiểm tra âm thanh tự động bao gồm cụm cấp vào và cụm gắp ra

- Xây dựng được chương trình kiểm tra kết nối với máy để có thể hiệu chỉnh tiêu chuẩn kiểm tra thèo từng mã hàng riêng biệt, đồng thời xuất dữ liệu thống kê kết quả ra định dạng excel để kiểm soát

Chương 1 - TỔNG QUAN VỀ ÂM THANH VÀ XỬ LÝ TÍN

HIỆU ÂM THANH 1.1 Tổng quan về âm thanh

1.1.1 Lý thuyết về âm thanh

1.1.1.1 Khái niệm về âm thanh

1.1.1.2 Các đặc tính của âm thanh

1.2 Xử lý tín hiệu số

1.2.1 Lấy mẫu và khôi phục tín hiệu liên tục theo thời gian

1.2.2 Các bộ lọc số (Digital Filters)

1.2.3 Cửa sổ tín hiệu

1.2.4 Vectơcơsở - Tích chập - Tích nội-Tính trực giao

Chương 2 - GIỚI THIỆU VỀTAI NGHE VÀ CÁC THÔNG SỐ

CẦN KIỂM TRA 2.1 Giới thiệu về tai nghe Headphone

2.1.1 Phân loại

2.1.2 Cấu tạo của tai nghe Headphone

Thành phần cơ bản gồm 3 phần:

Đầu cắm và dây cord dẫn điện (Cord assy with plug)

Bộ điều chỉnh và micro (Mic box)

Phần phát âm (Earset)

2.1.2.1 Đầu cắm và dây cord dẫn điện ( Cord assy with plug )

Cấu tạo: Dây cáp dẫn điện được cắt theo kích thước sau đó

được hàn vào đầu cắm và được bao bọc bằng lớp nhựa cách điện

Chức năng:Truyền tín hiệu điện từ thiết bị phát tới hộp mic

2.1.2.2 Bộ điều chỉnh và micro ( Mic box )

Cấu tạo: Gồm mạch điện điều khiển có gắn micro và nút điều

chỉnh, đồng thời được bao bọc bằng nắp nhựa trên và dưới

Chức năng: Hộp mic dùng để chứa mic thu, nút nhấn chức

năng và truyền tín hiệu điện

2.1.2.3 Phần phát âm ( Earset )

Cấu tạo: bao gồm tổng hợp nam châm màng rung và cuộn

đồng dẫn điện được bao bọc bên trong lớp vỏ gọi là protector, tùy theo mẫu mã chất lượng mà có hình dạng protector khác nhau

Chức năng: Nhận tín hiệu điện từ thiết bị phát qua các dây

dẫn và chuyển thành âm thanh có thể nghe được

2.1.3 Nguyên lý phát âm trong tai nghe

2.2 Các thông số của âm thanh cần kiểm tra

2.2.1 Kiểm tra trở kháng của tai nghe (IMP)

Trở kháng (IMP) của tai nghe chính là tổng trở của tai nghe tại tần số 1kHz, được tính bởi công thức sau:

Trong đó:

RDC là điện trở thuần của cuộn dây dẫn điện (Moving coil)

L là là điện cảm của cuộn dây dẫn điện, nhỏ hơn rất nhiều so với R

Ω là tần số góc

Mạch điện tương đương như sau:

Trở kháng trong tai nghe là giá trị của tất cả các yếu tố ảnh hưởng, cản trở sự dao động

2.2.2 Kiểm tra tần số cộng hưởng (Fo)

Tần số cộng hưởng là giá trị tần số mà ở đó xảy ra sự dao động cộng hưởng.Dao động cộng hưởng xảy ra khi tần số cưỡng bức trùng với tần số dao động riêng của hệ

Với hệ dao động đơn giản, gồ 1 lò xo mềm Co và một hệ vật

có khối lượng Mo thì tần số cộng hưởng được tính bởi công thức sau:

Việc kiểm tra tần số cộng hưởng Fo nhằm xác định giá trị này nằm trong giới hạn cho phép đặt ra theo yêu cầu của thiết kế và yêu cầu khách hàng

Giá trị tần số cộng hưởng phụ thuộc vào độ cứng của màng rung, độ thông thoáng buồng khí và khối lượng hệ dao động gồm vòng dây dẫn điện, keo dính và màng rung

2.2.3 Kiểm tra giá trị độ nhạy SPL : Sound pressure level

Giá trị cường độ âm được tính bằng công thức sau đây:

𝑆𝑃𝐿 = 20log⁡( 𝑃

𝑃𝑟𝑒𝑓) (dB) Trong đó:

Mức tần số từ 500Hz tới 1KHz là khoảng tần số mà tai con người nghe rõ nhất nên được đặt làm tần số chuẩn

Đồ thị trên máy đo SPL là đồ thị tương đối với điểm tần số 1KHz được đưa về giá trị 0dB nên lỗi SPL không thể hiện trên đồ thị

mà được thể hiện bằng giá trị đo được

Đối với tai nghe headphone giá trị SPL sẽ ảnh hưởng đến biên

độ dao động (hay cường độ âm) nhỏ hơn hoặc lớn hơn mẫu chuẩn,

hay còn gọi là âm phát ra nhỏ hơn hoặc lớn hơn mẫu chuẩn

2.2.4 Kiểm tra đường sóng cường độ âm FC

Đường tần song FC là một dạng đồ thị hàm số biểu thị độ lớn của âm thanh do một vật cơ dao động sinh ra khi ta cho nó dao động cưỡng bức với một tần số nào đó

Đối với tai nghe Headphone đường đặc tính tần sóng thể hiện

độ lớn âm thanh sinh ra khi ta cho lần lượt từng tần số ngoại lực biến

đổi tăng dần từ 0 đến 10Khz hoặc 20Khz trong một thời gian nhất định nào đó

Việc kiểm tra đường tần sóng (FC) nhằm đảm bảo đường sóng

có nằm trong giới hạn cho phép hay không

2.2.5 Kiểm tra lỗi âm thanh lạ ( Buzz sound )

Âm thanh lạ là những sắc thái âm nghe được không giống âm thanh ta mong muốn hoặc là âm thanh bị nhiễu bởi các yếu tố vật lý:

âm bị rè, do bụi

Âm thanh lạ phát sinh khi có các dao động khác không giống với dao động chuẩn mong muốn

Khi kiểm tra sản phẩm nếu các âm thanh có cường độ lớn hơn

ngưỡng nghe được của tai thì đó chính là âm thanh lạ (Buzz sound)

mà ta nghe được trong sản phẩm

Để phát hiện được Buzz sound, cần khuếch đại âm lên bằng cách tăng điện áp đặt lên headphone nhưng vẫn đảm bảo công suất

mà nó chịu được để không bị hỏng hoặc méo âmthường thì ta chọn

mức điện áp là 0.25V, điện áp chuẩn là 0.18V

2.3 Phương pháp kiểm tra âm thanh hiện tại

Hiện tại hầu hết các dây chuyền sản xuất sản phẩm Headphone đều

sử dụng phương pháp kiểm tra thủ công kết hợp với thiết bị máy Etani

Máy Etani này sẽ chỉ kiểm tra được các thông số như: Trở kháng, tần số cộng hưởng, độ nhạy, cực tính và đường song cường độ

âm Tuy nhiên thông số âm thanh lạ thì máy này không kiểm tra được,

vì thế người kiểm tra phải kiểm tra âm thanh lạ bằng tai của mình

2.3.1 Nguyên lý đo của máy Etani

Sơ đồ nguyên lý của máy Etani

Nguyên lý đo lường

Hệ thống được kết nối với Headphone hoặc Loa, nó phát ra một tần số vàđiện áp chuẩn, nói chung là âm thanh chuẩn

Âm thanh này được headphone hoặc loa phát ra, âm thanh phát

ra được đưavào MIC của hệ thống

Sau khi nhận được âm thanh, hệ thống sẽ tiến hành phân tích, tính toán(Thường thì nó dự vào tín hiệu logarit và biến đổi liên tục)

và dựng nên sóng hình sin: Nó gồm có đường sóng hài, đường Imp…

2.3.2 Cách sử dụng máy đo Etani

Phương pháp kiểm tra bằng máy Etani như sau:

Đầu tiên người thao tác đặt sản phẩm vào Coupler kiểm tra Tiếp theo bộ phát sẽ tiếp xúc với sản phẩm đặt vào sản phẩm một tín hiệu vào

Bên dưới coupler có một microphone sẽ thu tín hiệu ra từ sản

phẩm và đưa tín hiệu này về máy Etani để xử lý

Sau khi máy Etani xử lý sẽ phán định là sản phẩm đạt hay

không đạt

Khi màn hình hiển thị GO tức là sản phẩm đạt các tiêu chuẩn

(trờ kháng, cực tính, tần số cộng hưởng, độ nhạy và đường cường độ

âm), nếu hiển thị NG tức là sản phẩm không đạt

Sau khi kiểm tra các thông số trên người thao tác sẽ đặt sản

phẩm sát tai mình để nghe âm thanh, từ đó phát hiên là sản phẩm có

bị âm thanh lạ hay không Nếu nghe những tiếng rè bất thường đó là

sản phẩm bị âm thanh lạ

Nhược điểm:

Việc kiểm tra sản phẩm bằng thủ công này có những nhược

điểm sau:

Năng suất làm việc thấp vì mỗi lần chỉ kiểm tra được 1 sản phẩm

Chi phí nhân công cao

Do việc kiểm tra âm thanh lạ thủ công bằng tai người nên độ

tin cậy của quá trình kiểm tra không cao, thường hay bị sót lỗi

KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 Chương 3 - THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠOMÁY KIỂM TRA ÂM

THANH TỰ ĐỘNG 3.1 Thiết kế cơ khí máy kiểm tra âm thanh tai nghe tự động

3.1.1 Yêu cầu chung thiết kế máy kiểm tra âm thanh tự động

Khi thiết kế mô hình sản xuất tự động dùng để ứng dụng vào

sản xuất nhằm nâng cao hiệu suất dây chuyển kiểm soát hàng lỗi, đã

xác định một số tiêu chí như sau :

Kiểm soát hàng lỗi nghiêm ngặt , nâng cao chất lượng sản phẩm

Đảm bảo chu kỳ máy hoàn thành công đoạn nhỏ hơn hoặc

bằng kiểm tra thủ công

Bộ Coupler

Máy kiểm tra âm thanh phải được vận hành liên tục đảm bảo tính ổn định của phép đo

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

Sử dụng dễ dàng, đáp ứng linh động đối với nhiều loại mã hàng khác nhau

3.1.2 Lựa chọn cấu tạo của mô hình máy tự động

3.1.2.1 Lựa chọn số lượng điểm đo

Số lượng điểm đo phụ thuộc vào số lượng đầu hút sản phẩm vào trong máy

Để giảm chi phí đầu tư và đồng thời giảm thao tác cho người vận hành khi thiết kế máy ta phải tận dụng lại vĩ đựng sản phẩm như hiện tại như bên dưới:

Với thiết kế vĩ như hình 1.2 khoảng cách giữa 2 sản phẩm là 20mm theo chiều ngàng và 20mm theo chiều dọc Với khoảng cách hẹp này việc thiết kế đầu hút sẽ rất 2 sản phẩm liên tiếp sẽ rất khó khăn vì không có không gian bố trí cơ cấu Vì lý do này ta chọn phương án sẽ gắp cách nhau 1 sản phẩm, như vậy khoảng cách giữa 2 đầu hút là 40mm

Như vậy mỗi hàng ta chỉ gắp vào 5 sản phẩm

Ngoài ra đối với card âm thanh NI, thời gian mỗi lần xử lý là

24 giây

Thời gian đo sản phẩm theo phương pháp hiện tại là 3 giây

 Ít nhất ta phải đo 8 sản phẩm/1 lần thì mới đảm bảo được hiệu suất so với hiện tại, vì thế ta chọn số lượng dầu gắp là 10 đầu

Trong quá trình đo sản phẩm, nếu chỉ sử dụng 1 hộp đo thì tay gắp sẽ chờ đo xong rồi mới đặt sản phẩm tiếp theo vào hộp đo, vì thế sẽ gây lãng phí hiệu suất

 Chính vì lý do này ta chọn thiết kế 2 hộp đo hoạt động song song với nhau để đảm bảo hiệu suất tối đa của máy

 Như vậy số điểm đo của máy là 20 điểm đo

3.1.2.2 Lựa chọn phương án cách âm

Để đảm bảo việc kiểm tra chính xác thì việc cách âm phải đặc biệt chú trọng

Vì ta đo một lúc 10 sản phẩm/ 1 lần nên sẽ xảy ra tình trạng aamthanh thanh của sản phẩm này gây nhiễu cho sản phẩm khác Vì

lý do này nên ta chọn phương án cách âm chi từng vị trí đo riêng biệt Như hình 1.2.2.1 và hình 1.2.2.2 bên dưới

Hình 3.2 Tại mỗi vị đo đều được lót xốp cách âm để đảm bảo âm thanh không lọt được vào bên trong

3.1.2.3 Mô hình như thiết kế máy kiểm tra âm thanh tự động

Sau khi phân tích việc lựa chọn số lượng điểm đo và phương

án cách âm ta thiết kế máy theo mô hình như bên dưới

Hình 3.3 Mô hình máy kiểm tra âm thanh tự động

Việc thiết kế máy kiểm tra âm thanh tự động được chia thành 3 modun chính sau đây:

Cụm gắp đưa sản phẩm vào và ra khỏi hộp kiểm tra

Cụm hộp kiểm tra cách âm

Cụm băng tải đưa hàng ra

3.1.3 Thiết kế cụm gắp đưa sản phẩm vào và ra khỏi hộp kiểm tra

3.1.3.1 Yêu cầu thiết kế cụm gắp đưa sản phẩm vào và ra

Việc thiết kế bộ cấp vào và lấy ra phải đảm bảo các yêu cầu

sau đây:

Kết cấu nhỏ gọn để giảm tải khi bố trí trên Robocylinder

Hoạt động độc lập trong quá trình kiểm tra để nâng tối đa hiệu

suất của máy

Hạn chế tối đa việc rung lắc nhằm giảm nhiễu khi kiểm tra

Hoạt động của đầu hút phải đạt được 2 vị trí chiều cao khác

nhau khác nhau

Mô hình thiết kế như sau:

Tham khảo bản vẽ chi tiết theo phụ lục 1

Dựa trên những yêu cầu thiết kế ta lựa chọ Robot trục đơn Robot trục đơn 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

Thanh trượt vít me đai ốc bi được bố trí trong hộp kín bằng khung nhôm hợp kim chắn chắn,động cơ và hộp giảm tốc được nối với vít me qua khớp nối trục đàn hồi

Độ chính xác của trục là 1/100, nghĩa là ta có thể cho trục di chuyển một lần với đoạn đường 0.01mm

3.1.4 Thiết kế hộp đo cách âm

Việc thiết kế hộp đo cách âm phải đảm bảo về các tiêu chuẩn sau đây

Đảm bảo cách âm cách âm để tránh các tiến hiệu bên ngoài gây nhiễu với yêu cầu độ ồn dưới 65dB

Giảm tối đa sự rung lắc khi hoạt động

Thiết kế hộp cách âm để hoạt động song song 20 điểm đo để tăng hiệu suất của máy, tăng số lượng đầu ra

Bên trong hộp đo này phải lót xốp nhằm mục đích tiêu âm Các vị trí có khe hở đều được lót xu để ngăn âm thanh từ bên ngoài vào