Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA KHOA CƠ KHÍ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM LỖI ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH Người hướng

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ

THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM LỖI ỨNG

DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH

Người hướng dẫn: TS VÕ NHƯ THÀNH

Sinh viên thực hiện: ĐOÀN NGỌC HOÁN

Giảng viên hướng dẫn: TS.Võ Như Thành

Nội dung đề tài: Đề tài thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống kiểm tra và đóng gói sản phẩm bánh răng ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hệ thống gồm một camera được đặt cố định hướng từ trên xuống, song song với dây chuyền chạy liên tục để đảm bảo quan sát được bề mặt sản phẩm Sản phẩm được đưa vào dây chuyền , khi cảm biến nhận được thì camera thực hiện quá trình thu và xử lý ảnh lần lượt Sau giai đoạn xử lý ảnh, sản phẩm tiếp tục di chuyển trên băng tải và khi đến các vị trí cố định được phát hiện bởi cảm biến, cánh tay Robot sẽ loại bỏ những bánh răng có lỗi từ tín hiệu xử lý ảnh trước đó vào thùng Còn lại, sản phẩm đạt yêu cầu sẽ di chuyển đến thùng chứa ở dây chuyển thứ hai, trước

đó có cảm biến đếm số lượng bánh răng vào thùng, khi đủ số lượng đóng gói thì thùng đó được vận chuyển Quy trình như vậy được lặp lại liên tục

LỜI NÓI ĐẦU

Trong những năm gần đây, công nghệ xử lý hình ảnh được nghiên cứu, áp dụng trong thực tiễn ngày càng rộng rãi Xử lý ảnh là một bước tiến lớn về mặt công nghệ, được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: công nghiệp sản xuất đóng gói, chế tạo robot

dò đường, xử lý ảnh trong y tế, các ứng dụng nhận diện khuôn mặt, vân tay thực tế đem lại nhiều lợi ích to lớn trong cải tiến và tối ưu hoá các lĩnh vực Và đó là một xu hướng tất yếu, ứng dụng xử lý ảnh vào đời sống thì chất lượng sống được cải thiện, trong sản xuất công nghiệp sẽ nâng cao năng suất và giảm lao động chân tay,

Sau quá trình học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn tận tình của thầy cô trong khoa Cơ khí – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, chúng tôi đã tích luỹ được những kiến thức quý báu Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa, chúng tôi

mạnh dạn chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” để làm đồ án tốt nghiệp cho mình

Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này là nỗ lực bản thân của chúng tôi trong suốt thời gian học tập và nghiên cứu Việc hoàn thành tốt đồ án đó là nhờ sự nhiệt huyết tận tình hướng dẫn của thầy TS.Võ Như Thành Thầy đã cùng chúng tôi đi qua những tháng ngày khó khăn, là niềm động lực rất lớn đối với chúng tôi Chúng tôi cũng xin cảm ơn đến những người bạn đã không ngại chia sẻ về kiến thức, tài liệu làm đề tài để giúp nhóm chúng tôi hoàn thành tốt được đồ án này

CAM ĐOAN

Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã nỗ lực hết sức, tuy nhiên không tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong báo cáo này là sự hiểu biết, tìm hiểu của chúng tôi trong suốt quá trình nghiên cứu dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của thầy TS.Võ Như Thành

Chúng tôi xin cam đoan rằng: nội dung trình bày trong bản báo cáo đồ án tốt nghiệp này không phải là bản sao chép từ bất kỳ công trình nghiên cứu nào trước đây Mọi số liệu, tính toán, thiết kế do chúng tôi thực hiện Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn

rõ ràng Nếu không đúng sự thật, chúng tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường

Đà Nẵng, ngày tháng năm 2018

Sinh viên thực hiện

MỤC LỤC

LỜI NÓI ĐẦU i

CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ v

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii

Trang MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 2

1.1Tính cấp thiết, lý do chọn đề tài 2

1.2Mục tiêu của đề tài 3

1.3Giới hạn đề tài 3

1.4Nội dung đề tài 3

1.5Hướng giải quyết 6

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 7

2.1 Nguyên lý hoạt động và lựa chọn phương án thiết kế 7

2.1.1 Nguyên lý hoạt động 7

2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế 7

2.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ 8

2.2.1 Hệ thống băng tải 8

2.2.2 Thiết kế hệ dẫn động băng tải 12

2.2.3 Hệ thống cánh tay Robot khí nén 20

2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 30

2.3.1 Camera 30

2.3.2 Giới thiệu về bộ vi điều khiển Arduino 31

2.3.3 Nguồn điện của hệ thống 34

2.3.2 Cảm biến 35

2.3.3 Mạch cách ly cảm biến quang 36

2.3.4 Van khí nén 38

2.3.5 Xylanh khí nén 40

2.3.6 Van tiết lưu 41

2.3.7 Modul Buck DC-DC 41

2.3.8 Modul Relay 42

2.3.9 Sơ đồ điện điều khiển hệ thống 43

2.4 PHẦN MÈM ĐIỀU KHIỂN 44

2.4.1 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino 44

2.4.2 Giới thiệu chung phần mềm Matlab 46

2.4.3 Giới thiệu về ảnh số 50

2.4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển 54

CHƯƠNG III VẬN HÀNH VÀ KIỂM NGHIỆM 62

3.1 Thiết kế mô hình trên Soliworks 62

3.2 Thiết kế mô hình thực tế 64

CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 65

4.1 Kết quả đạt được 65

4.2 Hạn chế của đề tài 65

4.3 Hướng phát triển đề tài 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHỤ LỤC 67

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống phân loại 4

Hình 1.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống 5

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 7

Hình 2.2 Các thành phần của băng tải 9

Hình 2.3 Bạt Hiflex (Nguồn : Internet) 9

Hình 2.4 Sơ đồ kết cấu dẫn động băng tải 10

Hình 2.5 Một số kiểu căng đai phổ biến 11

Hình 2.6 Hệ thống con lăn và khung đỡ ( Nguồn : Internet) 12

Hình 2.7 Sơ đồ hệ dẫn động 13

Hình 2.8 Robot kiểu tọa độ Đề-các 20

Hình 2.9 Robot kiểu tọa độ trụ 21

Hình 2.10 Robot kiểu tọa độ cầu 21

Hình 2.11 Robot kiểu tọa độ góc 22

Hình 2.12 Robot kiểu SCARA 22

Hình 2.13 Sơ đồ động học cánh tay robot 23

Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot 23

Hình 2.15 Hệ tọa độ gắn lên các khâu 24

Hình 2.16 Cơ cấu chuyển động quay cánh tay robot 27

Hình 2.17 Cơ cấu chuyển động tịnh tiến cánh tay robot 28

Hình 2.18 Trường công tác của robot 28

Hình 2.19 Cánh tay robot thiết kế trong Soliworks 29

Hình 2.20 Cánh tay robot ở góc nhìn trên cao 29

Hình 2.21 Camera Logitech C170 (Nguồn: Internet) 31

Hình 2.22 Sơ đồ kết nối camera với máy tính 31

Hình 2.23 Thiết bị Arduino (Nguồn: Internet) 32

Hình 2.24 Nguồn tổ ong (Nguồn: Internet) 34

Hình 2.25 Cảm biến quang E3F-DS30C4 (Nguồn: Internet) 35

Hình 2.26 Bộ cách ly cảm biến 36

Hình 2.27 Opto cách ly PC817 (Nguồn: Internet) 37

Hình 2.28 Mạch cách ly sử dụng Opto 37

Hình 2.29 Van điện từ khí nén 5/2 (Nguồn: Internet) 38

Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý Van 5/2 38

Hình 2.31 Kí hiệu Van 5/2 38

Hình 2.32 Cấu trúc chung của Rơle điện từ 39

Hình 2.334 Xylanh khí nén 40

Hình 2.34 Sơ đồ nguyên lý hoạt động 40

Hình 2.35 Van tiết lưu (Nguồn: Internet) 41

Hình 2.36 Modul Buck LM2596 (Nguồn: Internet) 41

Hình 2.37 Modul Relay 8 kênh (Nguồn: Internet) 42

Hình 2.38 Sơ đồ điện điều khiển hệ thống 43

Hình 2.39 Giao diện Arduino IDE 44

Hình 40 Giao diện chọn Board 45

Hình 2.41 Giao diện cổng kết nối 46

Hình 2 42 Giao diện làm việc của Matlab 48

Hình 2.43 Giao diện cửa sổ Command Window 49

Hình 2.44 Giao diện cửa sổ Workspace 49

Hình 2.45 Giao diện cửa sổ m-file editor 50

Hình 2.46 Ví dụ về ảnh số (Nguồn: Internet) 50

Hình 2.47 Hình ảnh về điểm ảnh (Nguồn: Internet) 51

Hình 2.48 Mức xám của ảnh (Nguồn: Internet) 52

Hình 2.49 Độ phân giải của ảnh (Nguồn: Internet) 52

Hình 2.50 Sơ đồ các bước xử lý ảnh 53

Hình 2.51 Sơ đồ khối hệ thống trực quan 55

Hình 2.52 Cửa sổ GUI 59

Hình 2.53 Cửa sổ biên soạn GUI 60

Hình 2.54 Giao diện GUI 61

Hình 3.1 Mô hình thiết kế trên Soliworks 62

Hình 3.2 Mô hình góc nhìn nghiêng 63

Hình 3.3 Mô hình tổng quát hệ thống 64

Hình 3.4 Sản phẩm mẫu 64

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số ban đầu hệ dẫn động 12

Bảng 2.2 Bảng xác định hệ số ma sát giữa băng tải và giá đỡ [3] 13

Bảng 2.3 Bảng chọn hệ số 𝑐3 [3] 14

Bảng 2.4 Thông số bánh đai răng sau khi tính toán 19

Bảng 2.5 Bảng thông số DH 25

Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno [8] 32

MỞ ĐẦU

• Lý do chọn đề tài

Hiện nay, ứng dụng các công nghệ kĩ thuật vào sản xuất ngày càng phổ biến, điển hình là công nghệ xử lý ảnh Công nghệ giúp nâng cao năng suất lao động và tối ưu hoá trong sản xuất Vì vậy, nhóm tác giả chọn đề tài này để nghiên cứu chế tạo mô hình phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

• Mục đích của đồ án

Chế tạo thành công hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

• Nội dung đồ án

- Chương I : Tổng quan về đề tài

- Chương II : Tính toán, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

- Chương III: Vận hành và kiểm nghiệm

- Chương IV: Kết luận

• Phương pháp nghiên cứu

- Phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

- Phân tích, tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển

- Ứng dụng phần mềm Soliworks trong thiết kế mô hình 3D

- Chế tạo mô hình và chạy thử nghiệm

- Đánh giá kết quả thực nghiệm

• Kết quả đạt được

- Nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống phân loại sản phẩm

- Chế tạo cánh tay robot khí nén

- Ứng dụng phần mềm Matlab trong xử lý ảnh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết, lý do chọn đề tài

Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học – công nghệ thế giới, ngành công nghiệp phải ngày càng nhanh chóng và chính xác để đáp ứng được xu thế hiện đại hoá Các ngành công nghiệp sản xuất đóng gói, dược phẩm, linh kiện điện tử đòi hỏi sự chính xác trong kiểm tra đầu ra, và để thay thế con người trong việc kiểm tra thành phẩm với tốc độ và sự chính xác cao, công nghệ xử lý ảnh ra đời

Xử lý ảnh số ngày nay được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống: trong y học: quan sát nội soi, hỗ trợ mổ xẻ, chẩn đoán bệnh tật Trong lĩnh vực vũ trụ, quân sự, giám sát an toàn giao thông Trong công nghiệp sản xuất nơi mà giác quan con người chưa đủ độ nhạy để xử lý các thông tin quan sát như trong các dây chuyền sản xuất với tốc độ nhanh và sự thay đổi đặc điểm của đối tượng quan sát trong khoảng thời gian ngắn thì khả năng con người là không đáp ứng được

Xu hướng trong quy trình kiểm định chất lượng công nghiệp là tự động hoá quá trình kiểm tra chất lượng bằng hình ảnh để giảm bớt sức lao động chân tay, nâng cao năng suất lao động, cho phép giảm giá thành và tối ưu hoá đầu ra Cụ thể, việc kiểm tra và đóng gói các thành phẩm trong sản xuất công nghiệp với số lượng lớn sẽ gây khó khăn, mệt mỏi cho công nhân Do tốc độ sản xuất trong dây chuyền lớn và liên tục nên công nhân làm việc một cách hiệu quả là điều không thể và nếu không sớm phát hiện lỗi chi tiết sản phẩm của quá trình thì số lượng phế phẩm sau khi lắp ráp hoàn chỉnh sẽ nhiều, không đáp ứng được yêu cầu sản xuất Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh số là một trong các giải pháp đáp ứng được những yêu cầu khắt khe đó và hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp để tối ưu hoá các giá trị sản xuất

Xuất phát từ sự tìm hiểu và nhận thấy được tầm quan trọng của công nghệ xử lý ảnh trong sự phát triển khoa học – công nghệ và sự áp dụng thực tiễn trong công nghiệp sản xuất Từ các quan sát và tìm hiểu thực tế kết hợp kiến thức đã học trên lớp và từ quá trình

thực hiện những đồ án môn học trước, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Thiết

kế và chế tạo mô hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh”

1.2 Mục tiêu của đề tài

Tìm hiểu, tính toán, thiết kế, chế tạo mô hình kiểm tra sản phẩm bánh răng trên dây chuyền băng tải sử dụng hệ điều khiển Arduino và phần mềm xử lý ảnh Matlab

Phương pháp xử lý ảnh bằng Matlab sẽ sử dụng camera để chụp hình ảnh và xử lý đặc trưng thu được của hình ảnh sản phẩm bánh răng để kiểm tra, nếu sản phẩm đạt yêu cầu

sẽ dược đóng gói và vận chuyển, nếu nếu không đạt yêu cầu sẽ bị loại bỏ

Chế tạo cánh tay Robot toạ độ trụ thực hiện nhiệm vụ gắp loại bỏ những sản phẩm có lỗi ra khỏi dây chuyền băng tải

Giao diện điều khiển sẽ được thiết kế trên giao diện GUI của Matlab để điều khiển hệ thống và quản lý hình ảnh thu được qua camera

1.3 Giới hạn đề tài

Theo thiết kế, hệ thống kiểm tra với một sản phẩm duy nhất là bánh răng, kích thước bánh răng đồng bộ

Các hình ảnh được hiển trị trên màn hình máy tính

Tốc độ xử lý ảnh không được liên tục, sẽ có sai số

Đây chỉ là khâu nhỏ trong dây chuyền lớn nên chỉ có tác dụng loại bỏ sản phẩm lỗi và đếm đúng số lượng sản phẩm để đóng gói

1.4 Nội dung đề tài

Đề tài thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống kiểm tra và đóng gói sản phẩm bánh răng ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Hệ thống gồm một camera được đặt cố định hướng từ trên xuống, song song với dây chuyền chạy liên tục để đảm bảo quan sát được bề mặt sản phẩm Sản phẩm được đưa vào dây chuyền , khi cảm biến nhận được thì camera thực hiện quá trình thu và xử lý ảnh lần lượt Sau giai đoạn xử lý ảnh, sản phẩm tiếp tục di chuyển trên băng tải và khi đến các vị trí cố định được phát hiện bởi cảm biến, cánh tay Robot sẽ loại bỏ những bánh răng có lỗi từ tín hiệu xử lý ảnh trước đó vào thùng Còn lại, sản phẩm đạt yêu cầu sẽ di chuyển đến thùng chứa ở dây chuyển thứ hai, trước đó có cảm biến đếm số lượng bánh răng vào thùng, khi đủ số lượng đóng gói thì thùng đó được vận chuyển Quy trình như vậy được lặp lại liên tục

Hình ảnh sẽ được camera chụp lại và xử lý được hiển thị trên màn hình

Sơ đồ khối hệ thống:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống phân loại

Lưu đồ thuật toán của hệ thống:

Kết thúc

Băng tải chính dùng, cánh tay

robot gắp loại bỏ

SaiĐúng

Đúng

Hình 1.2 Lưu đồ thuật toán hệ thống

1.5 Hướng giải quyết

Tìm hiểu các mô hình băng tải kiểm tra, phân loại

Tìm hiểu về hoạt động của camera

Tìm hiểu ngôn ngữ lập trình Arduino IDE

Tìm hiểu phần mềm Matlab

Thiết kế cơ khí, mạch điện và xây dựng mô hình thực tế

Thiết kế cánh tay Robot khí nén

Viết chương trình điều khiển cho Arduino và chương trình xử lý Matlab

CHƯƠNG 2: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Nguyên lý hoạt động và lựa chọn phương án thiết kế

Một hệ thống phân loại có rất nhiều thông số kích thước tối đa của sản phẩm, trọng lượng tối đa, độ chính xác, khoảng số lượng sản phẩm có thể phân loại Ở đây mô hình hệ thống được thiết kế, chế tạo thử nghiệm nên các thông số xử lý sản phẩm khá hạn chế

2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế

Trong mô hình hệ thống, bộ phận cảm biến đóng vai trò quan trọng, có nhiệm vụ phát hiện sản phẩm để đưa ra các tín hiệu cần thiết từ đó bộ phận điều khiển đưa ra quyết định

xử lý ảnh và phân loại sản phẩm một cách chính xác Để đáp ứng yêu cầu thiết kế chung,

phân loại

Điều khiển

Dữ liệu cài đặt

bộ phận này phải phát hiện được sản phẩm một cách chính xác, vì vậy cảm biến vật cản hồng ngoại (E3F-DS30C4) được sử dụng để thiết kế

Hai phương án thiết kế được đưa ra như sau:

Phương án 1: Hệ thống sử dụng ba cảm biến vật cản hồng ngoại được lắp đặt trên

băng tải thứ nhất Cảm biến thứ nhất được đặt vị trí đầu vào băng tải phát hiện vật để camera xử lý ảnh Cảm biến thứ hai, đặt vị trí ở giữa phát hiện vật cản (sản phẩm lỗi) cho cánh tay Robot phân loại Cảm biến thứ ba, đặt ở vị trí băng tải phụ để đếm số lượng sản phẩm

Ưu điểm: Phương án này có thể xử lý các tín hiệu một cách độc lập, không phức tạp Nhược điểm: Giá thành cao do sử dụng nhiều cảm biến

Hệ thống tốn diện tích, không có tính thẩm mỹ

Phương án 2: Hệ thống sử dụng hai cảm biến Cảm biến thứ nhất được lắp ở giữa

băng tải, để phát hiện vật ( sản phẩm lỗi) cho cánh tay Robot phân loại Cảm biến thứ hai được đặt trên băng tải phụ để đếm số lượng sản phẩm

Ưu điểm: Thiết kế không phức tạp, giá thành rẻ

Việc lập trình cho hệ thống sẽ được tối ưu

Nhược điểm: Với phương án này việc xử lý các tín hiệu cảm biến sẽ gặp khó khăn,

phức tạp hơn

Do khả năng về kinh tế và sự tối ưu trong lập trình nên nhóm đồ án lựa chọn tính toán

và thiết kế bộ phận cảm biến theo phương án 2

Để thực hiện truyền động

• Tạo lực căng ban đầu

• Tác dụng momen xoắn lên tang dẫn

2.2.1.2 Các bộ phận chính của băng tải

Hình 2.2 Các thành phần của băng tải

a) Tấm đai băng tải

Là bộ phận mang tải chủ yếu của băng tải, thường xuyên chịu lực các phôi nguyên liệu nên nhanh chóng bị hỏng, yêu cầu tấm băng phải có độ bền kéo và uốn, độ đàn hồi, có khả năng chống mòn

Hình 2.3 Bạt Hiflex (Nguồn : Internet)

Với lí do kinh tế và nguồn vật liệu, tấm băng tải là các tấm poster, được làm bằng vật liệu hiflex, là loại chất liệu nhựa (PVC), có màu trắng sữa, có thể chịu được nắng mưa, co giãn tốt

Các tấm băng có độ dày khác nhau nằm trong giới hạn từ 0,26mm - 0,52mm Có khả năng chịu lực tốt trong giới hạn cho phép

b) Bộ phận dẫn động

Là bộ phận quan trọng của băng đai, tuỳ theo năng suất yêu cầu, vị trí lắp đặt và môi trường làm việc mà có kết cấu khác nhau Bao gồm nguồn dẫn động ( thường là động cơ điện), hộp giảm tốc truyền chuyển động quay cho tang dẫn động, để tăng khả năng kéo cho tang dẫn động, dùng biện pháp tăng hệ số ma sát hoặc tăng góc ôm giữa băng đai và tang dẫn

Trong phần lớn trường hợp băng tải công suất nhỏ, loại kết cấu dẫn động với động cơ liền hộp giảm tốc có kích thước nhỏ gọn, lắp đặt nhanh chóng có những ứng dụng rộng rãi trong các băng chuyền nói chung và băng đai nói riêng

Chú thích:

1 Động cơ điện

2 Hộp giảm tốc

3 Bộ truyền đai

4 Tang và băng đai

Hình 2.4 Sơ đồ kết cấu dẫn động băng tải

c) Bộ phận căng đai

Khi các băng đai hoạt động, chúng sẽ bị võng dưỡi tác dụng của khối lượng bản thân

và sản phẩm, độ võng lớn sẽ làm thiết bị kéo va chạm vào các chi tiết cố định, đồng thời

gây trượt thiết bị kéo Đặc biệt là ở truyền động ma sát dùng băng đai, mô men truyền từ

cơ cấu dẫn động qua tang chủ động cho băng đai nhờ mô men ma sát Lực ma sát cũng như mô men ma sát này phụ thuộc vào lực ép của băng đai lên tang trống

Sử dụng thiết bị căng đai nhằm tạo lực căng ban đầu cho tấm băng để có thể truyền lực ma sát Ngoài ra, sau thời gian làm việc băng bị dãn, độ võng lớn sẽ làm thiết bị kéo

va chạm vào các chi tiết cố định của máy, đồng thời gây trượt thiết bị kéo với tang dẫn động nên cần thiết phải căng băng

Có thể dùng các phương pháp căng cưỡng bức và căng tự động Căng băng cưỡng bức có thể dùng vít hoặc dùng tời cáp, ưu điểm có kết cấu đơn giản, chắn chắn, đảm bảo tin cậy khi làm việc, ngược lại chúng không có khả năng duy trì lực căng cố định, làm giảm tuổi thọ của thiết bị

Hình 2.5 Một số kiểu căng đai phổ biến

d) Hệ thống con lăn và khung đỡ

Trên nhánh có tải tuỳ theo chiều rộng băng và trọng tải có thể lắp 1-5 con lăn Trên nhánh không tải lắp 1 hoặc 2 con lăn

Bước đặt con lắn trên nhánh không tải thường gấp 2 lần so với nhánh có tải

Hệ thống khung đỡ được lắp với khung băng bằng bu lông hay hàn, có nhiệm vụ đỡ băng đai, tránh cho băng đai không bị võng, giảm được lực cản di chuyển cho bộ phận truyền động

Ngoài ra còn phải kể đến các thiết bị nạp liệu, dỡ liệu, thiết bị làm sạch băng, thiết bị định vị tâm cho băng

Hình 2.6 Hệ thống con lăn và khung đỡ ( Nguồn : Internet)

2.2.2 Thiết kế hệ dẫn động băng tải

3 Khối lượng 1𝑚2 của băng đai 1kg/m2

Sơ đồ hệ dẫn động:

Hình 2.7 Sơ đồ hệ dẫn động

a)Tính toán động cơ

Xác định lực kéo băng tải:

Lực kéo cần thiết được tính theo công thức [3, tr3]:

𝐹𝑈=𝜇𝑇g(𝑚𝑃+𝑚𝐵

2 ) (N) Trong đó:

𝑚𝑃: khối lượng của sản phẩm

𝜇𝑇: hệ số ma sát băng đai và tấm đỡ

Bảng 2.2 Bảng xác định hệ số ma sát giữa băng tải và giá đỡ [3]

0,A0,E0 T,U0,P

Động cơ và Hộp giảm tốc

Tang dẫn và băng tải

Bộ truyền đai

𝑑𝐴 =𝐹𝑈 𝑐3 180

𝑏0 𝛽 (mm) Trong đó: 𝐹𝑈: lực kéo cần thiết

𝑏0: chiều rộng băng tải

𝛽: góc ôm của belt và tang trống

𝑐3: hệ số được chọn từ bảng

Bảng 2.3 Bảng chọn hệ số 𝑐3 [3]

Smooth steel drum

𝑑𝐴 = 42(mm)

Xác định công suất yêu cầu của trục động cơ

Tính công suất trên trục máy công tác:

Trong đó: 𝜂𝑖 là hiệu suất của chi tiết thứ i (cặp ổ lăn hoặc khớp nối) hoặc bộ truyền thứ i

(xích, bánh răng, trục vít, đai, vít) trong hệ thống

k là số chi tiết hay bộ truyền trong hệ dẫn động

Theo sơ đồ hệ dẫn động ta có hiệu suất toàn bộ hệ thống như sau:

𝜂𝑐 = П𝜂𝑖𝑘 = 𝜂𝑜𝑙2 𝜂𝑑 Trong đó: 𝜂𝑜𝑙 = 0,99 :hiệu suất của 1 cặp ổ lăn

𝜂𝑑 = 0,95: hiệu suất của bộ truyền đai

Xác định vận tốc quay của động cơ điện

Vận tốc quay sơ bộ của động cơ: 𝑛𝑠𝑏 = 𝑛𝑙𝑣 𝑢𝑠𝑏

Trong đó:

𝑛𝑠𝑏: là vận tốc quay sơ bộ cửa động cơ

𝑛𝑙𝑣: là vận tốc quay của trục máy công tác

𝑢𝑠𝑏: là tỉ số truyền sơ bộ của hệ thống

Xác đinh vân tốc quay của trục máy công tác

𝑛𝑙𝑣 =𝑣 60.1000

0,1.60.10003,14.42 = 46 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡 Với 𝑣: vận tốc của băng tải (m/s2)

D: đường kính tang trống (mm)

Xác định sơ bộ tỉ số truyền của hệ thống

𝑢𝑠𝑏 = П𝑢𝑠𝑏𝑖Trong đó 𝑢𝑠𝑏𝑖: là tỉ số truyền sơ bộ của bộ truyền thứ i trong hệ thống ( đai hoặc xích; bánh răng hoặc trục vít bánh vít)

Cụ thể: 𝑢𝑠𝑏 = П𝑢𝑠𝑏𝑖 = 𝑢𝑠𝑏(𝑑/𝑥) 𝑢𝑠𝑏(𝑏𝑟/𝑡𝑣)

Với 𝑢𝑠𝑏(𝑑/𝑥): tỉ số truyền ngoài ; 𝑢𝑠𝑏(𝑏𝑟/𝑡𝑣): tỉ số truyền sơ bộ của bộ truyền trong

Vì hệ thống chỉ gồm một bộ truyền đai vậy chọn tỉ số truyền của hệ thống:

𝑢𝑠𝑏 = 1 Vận tốc quay của động cơ điện: 𝑛𝑠𝑏 = 𝑛𝑙𝑣 𝑢𝑠𝑏 = 46.1 = 46 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡

b)Tính bộ truyền đai răng

Xác định modun và chiều rộng đai:

Modun được xác định theo công thức:

𝑚 = 35 √𝑃3 1/𝑛1

Trong đó: 𝑃1: là công suất trên bánh đai chủ động, 𝑃1 = 𝑃𝑑𝑐 = 1,525 10−3kW

𝑛1: là số vòng quay của bánh đai chủ động, 𝑛1 = 𝑛𝑑𝑐 = 100 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡

Thay giá trị ta được:

𝑚 = 35 √𝑃3 1/𝑛1 = 35 √1,525 103 −3/100 = 0,86 Dựa vào bảng tiêu chuẩn 4.27[1, tr68] ta chọn: m = 1

Khoảng cách a được chọn theo điều kiện:

𝑎𝑚𝑖𝑛 ≤ 𝑎 ≤ 𝑎𝑚𝑎𝑥Với: 𝑎𝑚𝑖𝑛 = 0,5 𝑚(𝑧1 + 𝑧2 ) = 0,5.1(20 + 20) = 20𝑚𝑚

Thay giá trị, số răng đai 𝑧𝑑:

20 + 20

(20 − 20)2 3,1440.80 = 70,95 Tra bảng 4.30[1,tr70], ta chọn 𝑧𝑑 = 71, chiều dài đai: 𝑙𝑑 = 223𝑚𝑚

Xác định lại khoảng cách trục a theo công thức:

𝑎 = (𝜆 + √𝜆2− 8 ∆2)/4 Trong đó:

𝑑𝑎1 = 𝑑𝑎2 = 𝑚 𝑧1− 2 𝛿

𝛼 = 180° − [𝑚.(𝑧2− 𝑧1)

𝑎 ] 57,3° = 180° − [1.

(20 − 20)80,1 ] 57,3° = 180°

Thay giá trị, ta được:

𝑧0 = 𝑧1 𝛼360°=

20.180°

360° = 10

Kiểm nghiệm đai về lực vòng riêng:

Lực vòng riêng trên đai phải thoả mãn điều kiện:

[𝑞𝑜]=5000, 𝐶𝑧=1- hệ số ảnh hưởng bởi số răng đồng thời ăn khớp, 𝐶𝑢=1 -hệ số kể đến ảnh hưởng của truyền động tăng tốc Vậy

Xác định lực căng ban đầu và lực tác dụng lên trục

Khác với các truyền động đai dẹt, đai thang và đai nhiều chêm cần phải mắc đai lên bánh đai với lực căng ban đầu đủ lớn để tạo ra lực ma sát cần thiết, trong truyền động đai răng, lực căng ban đầu chỉ nhằm khắc phục khe hở khi ăn khớp và đảm bảo cho đai tiếp xúc tốt với bánh đai Nó chỉ cần lớn hơn lực căng do lực li tâm gây ra:

𝐹0=(1,1÷1,3).𝐹𝑣=(1,1÷1,3) 𝑞𝑚.b 𝑣2=1,3.3,2.5.0,12=2,08N

Các thông số của bánh đai răng:

Bảng 2.4 Thông số bánh đai răng sau khi tính toán

Đường kính đỉnh răng, mm 𝑑𝑎 𝑑𝑎1 = 𝑑𝑎2 = 𝑚 𝑧1− 2 𝛿 = 16,4 Đường kính đáy răng, mm 𝑑𝑓 𝑑𝑓1 = 𝑑𝑓2 = 𝑑𝑎1− 1,8 𝑚 = 14,6

Đường kính vòng chia, mm D 𝑑1 = 𝑑2 = 17,2

Chiều dày răng nhỏ nhất, mm S 1

Bán kính góc lượn, mm r 𝑟1 = 𝑟2 = 0,2

2.2.3 Hệ thống cánh tay Robot khí nén

2.2.3.1 Các loại kết cấu của tay máy

Cánh tay Robot là thành phần quan trọng của hệ thống Robot công nghiệp, nó quyết định khả năng làm việc của Robot Các kết cấu của nhiều cánh tay Robot được phỏng theo cấu tạo và chức năng của cánh tay người, cũng được hiểu là tập hợp các bộ phận và

cơ cấu cơ khí được thiết kế đề hình thành các khối có chuyển động tương đối với nhau Cánh tay Robot bao gồm các khâu liên kết gọi là khớp động và các cơ cấu tác động là các phần tử thực hiện các chuyển động để vận hành tay máy như động cơ điện, servo, xylanh khí nén Phần quan trọng khác trên các tay máy là bộ phận hay khâu tác động cuối để thao tác trên đối tượng làm việc, thường là các tay gắp hoặc các đầu công cụ chuyên dùng Trong thiết kế và sử dụng tay máy, cần quan tâm đến các thông số hình - động học,

là những yếu tố liên quan đến khả năng làm việc của cánh tay Robot như: trường công tác (tầm với của robot), số bậc tự do (thể hiện sự khéo léo linh hoạt cưa robot), độ cứng vững,

độ chính xác

Các khâu của robot thường thực hiện hai chuyển động cơ bản:

- Chuyển động tịnh tiến theo hướng x, y, z trong không gian Đề-các, thông thường tạo nên các hình khối, được ký hiệu là T (Translation) hoặc P (Prismatic)

- Chuyền động quay quanh các trục x, y, z ký hiệu là R (Rotation)

Robot kiểu tọa độ Đề-các: Cánh tay robot hoạt động trong hệ tọa độ này bao gồm ba

chuyển động tịnh tiến x, y, z theo các trục tọa độ vuông góc Không gian làm việc có dạng khối chữ nhật.Thường ứng dụng để vận chuyển phôi liệu, lắp ráp

Hình 2.8 Robot kiểu tọa độ Đề-các

Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, độ cứng vững cao

Không gian làm việc lớn

Hệ thống điều khiển đơn giản

Robot kiểu tọa độ trụ: Điển hình cho cánh tay robot trong hệ tọa độ này là robot có

hai chuyển động tịnh tiến và một chuyển động quay Không gian làm việc của robot có dạng hình trụ rỗng

Hình 2.9 Robot kiểu tọa độ trụ

Ưu điểm: Kết cấu vững chắc, khả năng mang tải lớn

Khả năng lặp lại tốt

Nhược điểm: Giới hạn tiến về hai phía do kết cấu cơ khí và giới hạn các kích cỡ của

cơ cấu tác động theo chiều ngang

Robot kiểu tọa độ cầu: Không gian làm việc của robot có dạng hình cầu

Hình 2.10 Robot kiểu tọa độ cầu

Robot kiểu tọa độ góc: Có ba chuyển động đầu tiên là các chuyển động quay, trục

quay thứ nhất vuông góc với hai trục kia Các chuyển động định hướng khác cũng là các chuyển động quay Không gian làm việc của robot gần giống một phần khối cầu

Hình 2.11 Robot kiểu tọa độ góc

Ưu điểm: Gọn nhẹ, độ linh hoạt cao

Robot kiểu SCARA: Là một kiểu robot mới nhằm đáp ứng sự đa dạng của các quá

trình sản xuất trong công nghiệp

Hình 2.12 Robot kiểu SCARA

2.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot khí nén

Dựa trên những kiến thức đã học, nhóm chọn cánh tay robot khí nén có kiểu tọa độ trụ để thực hiện việc phân loại sản phẩm Với ưu điểm kết cấu chắc chắn, khả năng mang tải lớn và việc lặp lại chu trình tốt

Hình 2.13 Sơ đồ động học cánh tay robot

Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot gắp vật có thể được tóm tắt theo sơ đồ sau:

Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot Quá trình làm việc của cánh tay Robot là căn cứ vào thông tin về đặc tính của đối tượng phản hồi từ camera, máy tính sẽ thu nhận các khung ảnh Sau quá trình xử lý ảnh,

ta được thông tin về đặc tính, tính chất của đối tượng Dựa vào các cơ sở thông tin này để

Van khí nén

Xylanh

nối

tính toán các thông số, viết lệnh điều khiển và gửi tín hiệu xuống vi điều khiển thông qua cổng kết nối COM Khi có tín hiệu từ cảm biến, tín hiệu điều khiển sẽ kích hoạt các role của van khí nén hoạt động làm đóng, mở các xylanh để điều chỉnh vị trí tương đối của cánh tay robot so với đối tượng theo các lệnh điều khiển

Cánh tay Robot sẽ thực hiện các quá trình giống nhau để thực hiện việc phân loại sản phẩm lỗi theo vị trí đã xác định Các thông tin về tính chất của sản phẩm sẽ được hiển thị trên giao diện GUI của phần mềm Matlab

2.2.3.4 Tính toán phương trình động học của Robot

a) Gắn hệ tọa độ lên các khâu động

Hệ tọa độ được gắn lên các khâu động được thể hiện trên hình 2.14

Hình 2.15 Hệ tọa độ gắn lên các khâu

d) Tính các ma trận biến đổi thuần nhất T

2.2.3.3 Thiết kế cánh tay robot

Cánh tay robot khí nén có 3 bậc tự do, trong đó cơ cấu có 1 chuyển động quay và 2 chuyền động tịnh tiến hoạt động theo tọa độ trụ

Chuyển động quay của cánh tay robot thực hiện nhờ trục xoay cố định trên đế robot, góc xoay được thiết lập theo chuyển động đẩy (lùi) của xylanh – khí nén Cơ cấu chuyển động quay được mô phỏng thiết kế như hình sau

Hình 2.16 Cơ cấu chuyển động quay cánh tay robot Chuyển động tịnh tiến cánh tay robot được thiết kế mô phỏng như hình 2.16 Trong

đó, hai chuyển động tịnh tiến thiết lập dùng để định hướng Chuyển động tịnh tiến 1 được xác lập theo hành trình của xylanh khí nén lớn, độ dài hành trình là khoảng cách giữa 2 khâu tịnh tiến Chuyển động tịnh tiến thứ 2 được xác lập theo hành trình xylanh – khí nén nhỏ đồng thời chuyển động đó thực hiện đóng mở của tay gắp robot

Hình 2.17 Cơ cấu chuyển động tịnh tiến cánh tay robot Trường công tác của robot là toàn bộ thể tích quét bởi khâu chấp hành cuối khi robot thực hiện tất cả các chuyển động có thể Dưới đây là hình chiếu bằng mô tả trường công tác của cánh tay robot khí nén

Hình 2.18 Trường công tác của robot

Hình 2.19 Cánh tay robot thiết kế trong Soliworks

Hình 2.20 Cánh tay robot ở góc nhìn trên cao

2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

2.3.1 Camera

2.3.1.1 Giới thiệu camera trong công nghiệp

Trên thị trường hiện nay có nhiều loại camera khác nhau được sử dụng xử lý ảnh Tuỳ vào từng ứng dụng cụ thể mà chúng ta có những hệ thống xử lý ảnh khác nhau Một hệ thống xử lý ảnh bao gồm các thành phần sau:

• Line scan camera: thích hợp cho các ứng dụng cần tốc độ cao và chất lượng hình ảnh cao Loại camera này không theo dõi toàn bộ ảnh mà đánh giá chính xác ảnh theo từng dòng Thường được sử dụng trong quá trình kiểm tra chất lượng hàng hoá và quy trình phân loại

• Netwwork camera: thường được sử dụng để giám sát với chất lượng hình ảnh vượt trội và hiệu suất cao trong môi trường ánh sáng thấp

Ngoài ra, các nhà phát triển hệ thống xử lý ảnh cũng không ngừng phát triển và tích hợp các thành phần của hệ thống vào trong một máy duy nhất Điển hình như những camera thông minh của National Instruments (NI), những camera này được tích hợp sẵn

bộ điều khiển ánh sáng, bộ xử lý hình ảnh trong một camera nhỏ gọn

2.3.1.2 Ứng dụng camera trong mô hình

Qua tìm hiểu và khảo sát các loại camera đang có trên thị trường, và mục đích phù hợp với đề tài thiết kế hệ thống xử lý ảnh nên nhóm đã chọn lựa và sử dụng camera Logitech C170 vào mô hình, vì nó phù hợp, đảm bảo xử lý ảnh trong mô hình thử nghiệm