ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ Đề Tài NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢNPHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP

BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ - - ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ Đề Tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP Giáo viên hướng dẫn : ThS Lê Văn Nghĩa Nhóm sinh viên thực : Nhóm Nguyễn Thành An MSV: 2019603570 Ngô Diệp Anh MSV: 2019603278 Nguyễn Tiến Chiến MSV: 2019600890 Lớp: ME6052001 Khóa: 14 Hà Nội - 2022 CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Lý chọn đề tài Với điều kiện cụ thể nước ta cơng cơng nghiệp hóa đại hóa cần sử dụng ngày nhiều thiết bị điều khiển tự động trình sản xuất, gia công, chế biến sản phẩm Điều hình thành hệ thống sản xuất linh hoạt Xuất phát từ đợt thực tế nhà máy, khu công nghiệp tham quan doanh nghiệp sản xuất thấy nhiều khâu tự động hóa q trình sản xuất Một khâu tự động dây chuyền sản xuất tự động hóa hệ thống phân loại sản phẩm Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động Đặc biệt hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Tuy nhiên doanh nghiệp vừa nhỏ việc tự động hóa chưa áp hồn tồn khâu phân loại mà cịn sử dụng nhân cơng, lý nhiều cho suất thấp chưa đạt hiệu cao Từ nhu cầu sản xuất thực tế trình học tập, nghiên cứu trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội góp ý hướng dẫn thầy Nguyễn Xuân Thuận, nhóm tiến hành “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc” 1.2 Các vấn đề đặt Mục tiêu đặt nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ bảo trì, sửa chữa, lắp đặt Để thiết kế cần thiết kế khí điều khiển động hệ thống hoạt động tự hác là: vật liệu mơ hình, nguồn cung cấp, tính tốn thơng số chi tiếtđộng dựa lập trình điều khiển PLC Ngồi cịn có vấn đề k Các vấn đề cần giải là: - Vấn đề khí: phân tích tính tốn lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật chi tiết cho thỏa mãn yêu cầu đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt sửa chữa - Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động - Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng sản phẩm không bị lỗi, hỏng 1.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc” , đã nhiều sinh viên trường nghiên cứu thực Đồng thời có nhiều sinh viên thiết kế mơ hình đơn giản Mơ hình thiết kế đưa vào sử dụng số nhà máy sản phẩm điện tử điển hình, nên q trình làm đồ án, nhóm áp dụng phương pháp nghiên cứu sau:  Phương pháp đồng thời Kết hợp việc thiết kế đồng thời: việc nghiên cứu mơ hình cụ thể sau xây dựng mơ hình chứa đầy đủ dự định có thiết kế qua có nhìn tổng quan hệ thống chung xác định thông số Từ đó, áp dụng để thiết kế giới hạn đề tài  Phương pháp thực nghiệm Mơ hình hóa phần cơ, mơ hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước chế tạo hồn thiện Chế tạo mẫu chi tiết chưa đảm bảo hoạt động yêu cầu, chưa có thị trường Sau chế tạo thật mơ hình Cho chạy thử hết công suất, sau chạy hết chức công suất hệ thống để rút giới hạn hệ thống từ cho phương án cải tiến hay để thay Từ rút đánh giá hệ thống (cơng suất làm việc hệ thống, vận tốc băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn số khí điện năng, suất hệ thống ) 1.4 Phạm vi giới hạn Hệ thống phân loại sản phẩm đề tài nghiên cứu phát triển từ lâu Hiện nhà máy xí nghiệp có nhiều hệ thống phân loại hoàn thiện chất lượng thẩm mỹ Tuy nhiên, phạm vi đề tài nghiên cứu, với giới hạn kiến thức, thời gian kinh phí đề tài giới hạn tính sau: - Hệ thống nhận dạng phân loại theo màu sắc - Kích thước dài x rộng x cao = 1500 x 700 x 400 (mm) - Khối lượng: (10-15) Kg - Hệ thống điều khiển: Arduino UNO, Servo - Cơ cấu phân loại sản phẩm: Tay gắp phân loại sản phẩm - Động truyền chuyển động: Động điện chiều - Hệ thống dẫn động: Băng chuyền - Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220 VAC điện áp chiều 24 VDC CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Khái niệm bậc tự robot Về mặt động học, xem robot loại tĩnh chuỗi động hở với khâu cố định gọi giá khâu đông Mỗi khâu động vật rắn liên kết nối động với nhờ khớp động Để dễ dàng thực việc điều khiển độc lập khớp nối động, người ta thường sử dụng loại khớp cho phép tthực chuyển động tương đối hai khâu liên kết Do đó, khớp động thường sử dụng khớp tịnh tiến khớp lề Thông thường robot có bậc tự Số bậc tự hay bậc chuyển động robot số khả chuyển động độc lập khơng gian hoạt động Trong lĩnh vực robot học (robotic) người ta hay gọi khả chuyển động (có thể chuyển động thẳng, dọc theo song song với trục chuyển động quay quanh trục) trục, tương ứng theo tọa độ suy rộng dùng để xác định vị trí trục khơng gian hoạt động Mỗi trục robot có cấu tác động cảm biến vị trí điều khiển xử lý riêng 2.2 Bậc huyển động hay chuyển động định vị Về mặt nguyên lý cấu tạo, robot tập hợp khâu liên kết với thông qua khớp chuyển động để hình thành chuỗi động hở Khớp động sử dụng robot thường khớp tịnh tiến khớp lề để dễ chế tạo, dễ dẫn đọng nguồn độc lập dễ điều khiển Robot dùng đề tài sử dụng động servo để điều khiển khớp chuyển động Các chuyển động độc lập chuyển động tịnh tiến chuyển động quay Mỗi khâu động robot, ngun tắc có khả chuyển động độc lập thường Như khái niệm bậc tự hay bậc chuyển động số khả chuyển động độc lập mà robot thực Trường hợp khâu động robot có khả chuyển động độc lập robot có khâu động có nhiêu bậc chuyển động có khớp động hay trục Các chuyển động bản, hay chuyển động robot chuyển động có ảnh hưởng định ddeeesn dạng hình học khơng gian hoạt động trình bày phần phân loại Các chuyển động thực việc chuyển dời cổ tay robot không gian hoạt động gọi chuyển động định vị Phần ngồi robot hay cịn gọi khâu tác động cuối ( End Effector) thường có dạng tay gấp, phận làm việc với đối tượng thao tác, tác động trực tiếp với đối tượng thao tác thay bở dụng cụ công nghệ ống đưa dây hàn robot hàn, đầu phun sơn phun men, đầu vặn bu-lông, đai ốc dây truyền lắp ráp tự động, v.v… Chuyển động kẹp tay gắp không dduowjc kể tính bậc chuyển động robot chuyển động khơng ảnh hưởng đến vị trí, tọa độ tay máy Để thuận tiện việc điều khiển, bậc chuyển động robot thường có nguồn dẫn động riêng, nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện 2.3 Bậc chuyển động bổ sung (Bậc chuyển động định hướng) Mỗi robot yêu vầu phận công tác trang bị khâu tác động cuối (End Effector), gắp, kẹp súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây hàn, v.v… có đủ độ linh hoạt chuyển động để đảm bảo khả hoàn thành nhiệm vụ cơng nghệ đặt Để hồn tồn định hướng đến tư làm việc đối tượng thao tác cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự chuyển động soay cổ tay người, khớp loại sử dụng để xoay quanh khâu tác động cuối mặt phẳng ngang, mặt phẳng đứng quay quanh trục Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói gọi chuyển động định hướng nhằm tăng khả linh hoạt, giúp robot dễ dàng định hướng khâu tác động cuối đạt đến tư cần thiết để tác động lên đối tượng tao tác, tăng khả tránh chướng ngại vật không gian thao tác nhằm cải thiện tính chất động lực học robot Tuy nhiên, điều cần lưu ý thêm nhiều bậc chuyển động mặt làm tăng linh hoạt robot, mặt khác kéo theo hệ làm tăng thêm sai số dịnh chuyển, tức làm tăng sai số tích lũy điều khiển vị trí khâu tác động cuối 2.4 Bài toán động học 2.4.1 Bài toán động học thuận Trong đại đa số trường hợp, tay máy chuỗi động hở, cấu tạo số khâu (Links), nối với nhờ khớp Một đầu chuỗi nối với giá (Bơse), đầu nối với phần cơng tác Mỗi khâu hình thành với khớp phía trước cặp khâu – khớp Tuỳ theo kết cấu mà loại khớp đảm bảo cho khâu nối sau khả chuyển động định Mỗi khớp (thực chất cặp khâu – khớp) đặc trưng loại thông số: – Các thông số không thay đổi giá trị trình làm việc tay máy gọi tham số – Các thông số thay đổi tay máy làm việc gọi biến khớp Hai loại khớp thông dụng kỹ thuật tay máy khớp trượt khớp quay Chúng loại khớp có bậc tự Bài tốn thuận nhằm mơ tả (vị trí hướng) phần cơng tác dạng hàm số biến khớp Cho trước cấu quy luật yếu tố chuyển động thể tọa độ suy rộng q ta phải xác định quy luật chuyển động điểm khâu tác động cuối nói riêng điểm khâu robot nói chung hệ trục tọa độ vng góc (hệ trục tọa độ Descartes) Bài toán động học thuận robot có nội dung gần giống tốn phân tích động học cấu Kích thước động d vị trí khâu thành viên (tọa độ suy rộng) q Bài toán động học thuận Bài toán động học ngược Sơ đồ mơ tả tốn động học 2.5 Thuật giải cho tốn động học thuận Hình Vị trí hướng khâu tác động cuối hệ tọa độ Descartes: xp, yp, zp, zi Việc giải toán động học thuận bao gồm bước sau đây: Đưa robot vị trí gốc, cịn gọi vị trí HOME, vị trí mà dịch chuyển khâu bắt đầu tính từ Gắn khâu động hệ trục tọa độ (hệ trục tọa độ tương đối) Mô tả chuyển động tương đối cvasc khâu liên tiếp tọa độ suy rộng (bao gồm chuyển động tịnh tiến chuyển động quay).\ Định nghĩa (viết) ma trận Aj cho khâu tương ứng Nhân ma trận Aj để tính ma trận chuyển đổi TN Lập phương trình ma trận chuyển đổi robot ma trận chuyển đổi tổng quát thể mối liên hệ vị trí tọa độ khâu đầu cuối hệ tọa độ Descartes với tọa độ suy rộng khâu thành phần 2.6 Xây dựng mơ hình hệ thống nhúng cho robot Hệ thống nhúng thường thiết kế để thực chức chun biệt đó, tốn điều khiển robot, hệ thống nhúng xây dựng board điều khiển Arduino Uno R3 với trung tâm vi điều khiển Atmega328 Lúc việc điều khiển khớp robot chuyển sang toán điều khiển động servo phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), việc xây dựng giải thuật tinh giảm hết mức để phù hợp với hệ thống sử dụng Mơ hình hệ thống điều khiển robot xây dựng theo dạng vòng hở, kiểm sốt q trình điều khiển máy tính.Máy tính thông qua khối điều khiển board Arduino để đưa thao tác cho robot cách điều khiển servo 2.7 Khối điều khiển Khối điều khiển xây dựng board Arduino Uno R3 với trung tâm vi điều khiển Atmega328 Đây board điều khiển tiên tiến, người lập trình có nhiều thuận lợi thao tác với board sử dụng ngôn ngữ lập trình C để lập trình, cộng đồng hỗ trợ đơng đảo, có sẵn nhiều thư viện để việc lập trình vi điều khiển trở nên dễ dàng Mạch Arduino Uno là dòng mạch Arduino phổ biến, bắt đầu làm quen, lập trình với Arduino mạch Arduino thường nói tới dịng Arduino UNO R3 hệ thứ vi điều khiển Arduino UNO sử dụng vi điều khiển họ 8bit AVR ATmega8, ATmega168, ATmega328 Trong đề tài mạch Uno em sử dụng dùng vi điều khiển ATmega328 Bộ não xử lí tác vụ đơn giản điều khiển đèn LED nhấp nháy, điều khiển động cơ, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm trạm đo nhiệt độ - độ ẩm hiển thị lên hình LCD hay lên webserver… Arduino UNO cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB cấp nguồn ngồi với điện áp khuyên dùng 7-12V DC giới hạn 6-20V Thường cấp nguồn pin vng 9V hợp lí bạn khơng có sẵn nguồn từ cổng USB Nếu cấp nguồn vượt ngưỡng giới hạn trên, bạn làm hỏng Arduino UNO Các chân lượng: + GND (Ground): cực âm nguồn điện cấp cho Arduino UNO Khi bạn dùng thiết bị sử dụng nguồn điện riêng biệt chân phải nối với + 5V: cấp điện áp 5V đầu Dòng tối đa cho phép chân 500mA + 3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu Dòng tối đa cho phép chân 50mA + Vin (Voltage Input): để cấp nguồn cho Arduino UNO, bạn nối cực dương nguồn với chân cực âm nguồn với chân GND + IOREF: điện áp hoạt động vi điều khiển Arduino UNO đo chân Và dĩ nhiên ln 5V Mặc dù bạn không lấy nguồn 5V từ chân để sử dụng chức khơng phải cấp nguồn + RESET: việc nhấn nút Reset board để reset vi điều khiển tương đương với việc chân RESET nối với GND qua điện trở 10KΩ Một vài thông số Arduino UNO R3 Các thông số Arduino Uno R3 Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ cấp qua cổng USB) Tần số hoạt động 16 MHz Dòng tiêu thụ khoảng 30mA Điện áp vào khuyên dùng 7-12V DC Điện áp vào giới hạn 6-20V DC Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM) Số chân Analog (độ phân giải 10bit) Dòng tối đa chân I/O 30 mA Dòng tối đa (5V) 500 mA Dòng tối đa (3.3V) 50 mA 32 KB (ATmega328) với 0.5KB dùng Bộ nhớ flash bootloader SRAM KB (ATmega328) EEPROM KB (ATmega328) 2.7.1 Lập trình cho Arduino: Các thiết bị dựa tảng Arduino lập trình ngơn riêng Ngơn ngữ dựa ngơn ngữ Wiring viết cho phần cứng nói chung Và Wiring lại biến thể C/C++ Một số người gọi Wiring, số khác gọi C hay C/C++ 2.8 Khối động Servo Đảm nhận vai trị nhận tín việu điều khiển từ khối điều khiển để thực thi lệnh tạo nên hoạt động cánh tay robot Servo sử dụng hệ thống servo sg90 Servo SG90 thực tế Cơ cấu bên Servo SG90 Động servo được thiết kế hệ thống hồi tiếp vịng kín Tín hiệu động nối với mạch điều khiển Khi động quay, vận tốc vị trí hồi tiếp mạch điều khiển Nếu có bầt kỳ lý ngăn cản chuyển động quay động cơ, cấu hồi tiếp nhận thấy tín hiệu chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động đạt điểm xác Tiếp đến thơng số quan trọng nhất, là mơ-men xoắn mà động vận hành. Với servo SG90 mơ-men xoắn 1,8kg /cm có nghĩa động kéo vật nặng 1,8kg bị treo khoảng cách 1cm. Vì vậy, bạn treo tải mức 0,5cm động kéo tải 3,6kg tương tự bạn treo tải mức 2cm kéo 0,9kg. Dựa tải mà bạn sử dụng dự án, bạn chọn động có mơ-men xoắn thích hợp - Cách sử dụng động Servo SG90 Như biết có ba dây từ động này. Để làm cho động quay, phải cấp nguồn cho động với + 5V cách sử dụng dây Đỏ Nâu gửi tín hiệu PWM đến dây màu Cam. Do đó, cần tạo tín hiệu PWM để làm cho động hoạt động hệ thống tín hiệu điều khiển từ Arduino Bây giờ, làm để điều khiển hướng động ? Để hiểu điều đó, nhìn vào hình ảnh Từ hình ảnh, hiểu tín hiệu PWM tạo phải có tần số 50Hz, khoảng thời gian PWM phải 20ms. Trong On-Time thay đổi từ 1ms đến 2ms. Vì vậy, thời gian bật 1ms, động ° 1,5ms động 90 °, tương tự 2ms 180 °. Vì vậy, cách thay đổi thời gian bật từ 1ms đến 2ms, động điều khiển từ ° đến 180 °