Nghiên cứu ứng dụng toolkit vdm trên labview kết hợp robot nhận dạng và phân loại sản phẩm

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG TOOLKIT VDM TRÊN LABVIEW KẾT HỢP ROBOT NHẬN DẠNG VÀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƢỚNG DẪN: THS PHẠM QUỐC PHƢƠNG Sinh viên thực hiện: MSSV: Lớp: Nguyễn Đình Bách 1811050117 18DTDA2 Tống Phƣớc Đại 1811050295 18DTDA2 Chu Thành Đạt 1811051640 18DTDA2 Tp Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2022 MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii TÓM TẮT iii ABSTRACT iv MỤC LỤC v DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT viii DANH MỤC HÌNH ẢNH ix DANH MỤC BẢNG xii LỜI MỞ ĐẦU xiii Chƣơng GIỚI THIỆU ĐỀ TÀI 1.1 Tính cấp thiết đề tài: 1.2 Tình hình nghiên cứu: 1.3 Mục đích nghiên cứu: 1.4 Nhiệm vụ nghiên cứu: 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu: 1.6 Phạm vi giới hạn đề tài: 1.7 Các kết đạt đƣợc đề tài: 1.8 Kết cấu đề tài: Chƣơng 2.1 TỔNG QUAN GIẢI PHÁP Tổng quan giải pháp: .6 2.1.1 Ƣu điểm hệ thống dây chuyền phân loại chia chọn bƣu kiện, sản phẩm: 2.1.2 2.2 Các hệ thống điều khiển cảm biến: Tổng quan cánh tay robot 2.2.1 Khái niện robot .9 2.2.2 Robot công nghiệp (RBCN) 2.2.3 Tình hình phát triển robot cơng nghiệp 12 2.3 Các giải pháp phân loại sử dụng robot: .15 v 2.3.1 Robot tự hành có hƣớng dẫn (Autonomous Guided Vehicles - AGV) 15 2.3.2 Robot tự hành chủ động (Autonomous Mobile Robots - AMR) 16 2.3.3 Robot có khớp nối: 17 2.3.4 Ƣu điểm chung việc phân loại theo robot: .17 2.4 Tổng quan phận công tác cho cánh tay robot: 19 2.4.1 Bộ phận công tác dạng kẹp 20 2.4.2 Bộ phận công tác dạng hút chân không 21 2.4.3 Bộ phận công tác hút nam châm 22 Chƣơng 3.1 PHƢƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 23 Cơ sở lý thuyết .23 3.1.1 Động học thuận .23 3.1.2 Calibrate camera cánh tay robot (quy đổi trục tọa độ camera trục tọa độ cánh tay robot): 27 3.1.3 Phƣơng pháp xử lý ảnh: 30 3.1.4 Những vấn đề hệ thống xử lý ảnh 33 3.2 Tổng quan hoạt động hệ thống 37 3.2.1 Khởi động hệ thống 37 3.2.2 Hệ thống vận hành 37 3.3 Lựa chọn phƣơng án cho đề tài 37 3.3.1 Thiết kế khung khí 37 3.3.2 Lựa chọn băng tải: 38 3.3.3 Lựa chọn robot 38 3.3.4 Lựa chọn phận công tác cánh tay robot 40 3.4 Phƣơng án giải 40 3.4.1 Lựa chọn phƣơng án thiết kế 40 3.4.2 Cấu hình, tính năng, thông số kỹ thuật 41 Chƣơng QUY TRÌNH THIẾT KẾ 43 4.1 Tổng quan thiết bị phần cứng hệ thống .43 4.2 Cấu trúc phần cứng hệ thống: 44 4.2.1 Cánh tay robot Melfa RV-2FR .44 4.2.2 Webcam Logi 720p .45 vi 4.2.3 Thiết kế kệ hàng cho sản phẩm: 45 4.2.4 Tính tốn xylanh kẹp sản phẩm: 46 4.2.5 Tay kẹp khí nén MHZ-20D 48 4.2.6 Tính tốn Moment động băng tải: 48 4.2.7 Thông số kỹ thuật thiết bị điều khiển 50 4.2.8 Bảng địa sử dụng 62 4.2.9 Thiết kế đấu nối PLC 63 4.2.10 Xây dựng lƣu đồ giải thuật hệ thống 66 Chƣơng THIẾT KẾ MÔ PHỎNG VÀ THỰC NGHIỆM 69 5.1 Lập trình điều khiển Robot: 69 5.1.1 5.2 Lập trình PLC: .71 5.2.1 5.3 Phần mềm RT Toolbox3: 69 Phần mềm GX-Works2 71 Lập trình LabVIEW: 73 5.3.1 Thiết kế giao diện LabVIEW 75 5.4 Giao tiếp OPC: 77 5.5 Thiết kế giao diện HMI GT-Designer: 77 5.6 Chạy thử thực nghiệm mơ hình: .78 5.6.1 Mơ hình 3D hệ thống: 78 5.6.2 Thao tác điều khiển hệ thống 79 Chƣơng 6.1 Kết luận 87 6.1.1 6.2 KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 87 Đánh giá 87 Hƣớng phát triển đề tài 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO 90 PHỤ LỤC 91 Phụ lục 1: Bản vẽ kỹ thuật .91 Phụ lục 2: Lập trình xử lý ảnh LabVIEW 97 Phụ lục 3: Lập trình RT Toolbox3 98 Phụ lục 4: Chƣơng trình PLC 100 vii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Diễn giải FTA Final Trim & Assembly - Công đoạn cắt lắp ráp cuối MECA Cuộc thi Mitsubishi Electric Cup Automation PLC Programmable logic controller - Bộ điều khiển logic khả trình HMI MX OPC Human-Machine-Interface- Thiết bị giao tiếp ngƣời với máy móc MX OPC trình điều khiển truy cập liệu I / O Mitsubishi phần cứng Mitsubishi phần mềm điều khiển khác mm Đơn vị đo milimet theo chuẩn đo lƣờng Quốc tế Toolkits Bộ cơng cụ hỗ trợ Multi-CPU Giao tiếp đa chíp xử lý IOT Internet Of Thing - Mạng lƣới vạn vật kết nối Internet Logistics hoạt động chuyên chở, lƣu giữ cung cấp hàng hóa AGV Autonomous Guided Vehicles: Xe dẫn đƣờng tự động AMR Autonomous Mobile Robots: Robot tự động robot tự hành IR Inducstrial Robot (Robot công nghiệp) RBCN Robot công nghiệp IFR International Federation of Robotics - Liên đồn Robot Quốc viii DANH MỤC HÌNH ẢNH HÌNH TRANG Hình 1-1: Bài đăng báo Tuổi Trẻ ảnh hƣởng đại dịch (nguồn: báo Tuổi Trẻ) Hình 1-2: Robot Da Vinci hỗ trợ phẫu thuật bệnh viện Vinmec (nguồn: internet) .2 Hình 2-1: Nguyên lý hoạt động hệ thống phân loại (Nguồn: Intech-group) Hình 2-2: Dây chuyền lắp ráp xe sử dụng cánh tay robot (nguồn: internet) 10 Hình 2-3: Tổng số robot công nghiệp đƣợc xuất xƣởng qua năm dự báo cho năm 2021-2024 (nguồn: World Robotics) 12 Hình 2-4: Số lƣợng lắp đặt robot theo năm (nguồn: World Robotics) 14 Hình 2-5: Các AGV kho hàng amazon (nguồn: Amazon) 16 Hình 2-6: Robot AMR kho hàng vận chuyển (nguồn: Tiki Now) 16 Hình 2-7: Cánh tay robot hàn làm việc Tổ hợp sản xuất ô tô VinFast (nguồn: internet) 17 Hình 2-8: Bộ phận công tác dạng kẹp cánh tay robot (nguồn: Mitsubishi) 20 Hình 2-9: Bộ phận cơng tác dạng đầu hút chân khơng (nguồn: internet) 21 Hình 2-10: Bộ phận công tác dạng đầu hút nam châm (nguồn: internet) 22 Hình 3-1: Hệ tọa độ cánh tay robot MELFA 23 Hình 3-2: Trục tọa độ cánh tay robot camera 29 Hình 3-3: Quá trình xử lý ảnh 31 Hình 3-4: Hệ thống xử lý ảnh camera .33 Hình 3-5: Mã QR code .35 Hình 3-6: Cấu trúc mã QR .36 Hình 3-7: Cánh tay robot bậc tự đƣợc lựa chọn .38 Hình 3-8: Bộ phận cơng tác tay kẹp đƣợc chọn đề tài 40 Hình 4-1: Tổng quan thiết bị phần cứng 43 ix Hình 4-2: Webcam Logi 720p 45 Hình 4-3: Kệ hàng đƣợc dựng 3D 46 Hình 4-4: Phân tích lực kẹp tay gắp 46 Hình 4-5: Phân tích lực vật di chuyển băng tải 47 Hình 4-6: Tay kẹp khí nén MHZ-20D .48 Hình 4-7: Động băng tải 49 Hình 4-8: Module nguồn Mitsubishi: Q62P 50 Hình 4-9: CPU Mitsubishi MELSEC iQ Q03UDVCPU 51 Hình 4-10: CPU chuyển động MELSEC Q172DSRCPU 52 Hình 4-11: Mainbase unit: R38B .53 Hình 4-12: Module Input QX42 .53 Hình 4-13: Sơ đồ đấu nối vị trí chân Module Input QX42 54 Hình 4-14: Module output QY42P 55 Hình 4-15: Sơ đồ đấu nối vị trí chân Module output QY42P .56 Hình 4-16: Terminal Odear SA6TBXY36-YI 56 Hình 4-17: Nguồn NDR-240-24 Mean Well 57 Hình 4-18: Relay trung gian OMRON MY2N 58 Hình 4-19: Sơ đồ nối chân relay trung gian .58 Hình 4-20: MCB Mitsubishi BH-D6 C20 59 Hình 4-21: Cảm biến quang Omron E3JK-DS30M1 .59 Hình 4-22: Van khí nén 5/2 SMC SY 3120-5G-C4 60 Hình 4-23: Màn hình hiển thị GS21110-WTBD 61 Hình 4-24: Sơ đồ đấu nối điện 220VAC 63 Hình 4-25: Sơ đồ đấu nối điện ngõ vào 64 Hình 4-26: Sơ đồ đấu nối điện ngõ 64 Hình 4-27: Sơ đồ đấu nối khí nén cho van tay kẹp 65 Hình 4-28: Lƣu đồ giải thuật trình hoạt động 66 Hình 4-29: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình nhập hàng 66 Hình 4-30: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình robot nhập hàng 67 x Hình 4-31: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình xuất hàng .67 Hình 4-32: Lƣu đồ giải thuật chƣơng trình robot xuất hàng .68 Hình 5-1: Tạo thiết lập thông số phần mềm RT-Toolbox .69 Hình 5-2: Thiết lập loại giao tiếp máy tính CPU robot 70 Hình 5-3: Thiết lập giao tiếp đa CPU .71 Hình 5-4: Cấu hình thiết bị CPU, ngõ ra,vào 72 Hình 5-5: Thiết lập giao tiếp đa CPU .73 Hình 5-6: Biểu tƣợng LabVIEW20-32bit 74 Hình 5-7: Các toolkit phải cài đặt thêm cho LabVIEW 75 Hình 5-8: Giao diện thông tin HMI 75 Hình 5-9: Giao diện hiển thị điều khiển robot 76 Hình 5-10: Giao diện hiển thị giám sát 76 Hình 5-11: Danh sách biến, ghi ngõ vào/ra MX OPC 77 Hình 5-12: Thơng số cho hình HMI dịng GS 78 Hình 5-13: Mơ hình 3D hệ thống .78 Hình 5-14: Màn hính HMI .79 Hình 5-15: Màn hình sau nhấn Menu 80 Hình 5-16: Màn hình Điều khiển Robot .80 Hình 5-17: Màn hình giao diện Chu trình hoạt động 81 Hình 5-18: Màn hình giao điện Nhập hàng 81 Hình 5-19: Đèn báo phát mã sáng 82 Hình 5-20: Đèn báo phát mã cảm biến sáng 82 Hình 5-21: Hàng di chuyển đến cảm biến 83 Hình 5-22: Màn hình hiển thị vị trí tay gắp trạng thái tay gắp 83 Hình 5-23: Robot gắp hàng 84 Hình 5-24: Robot đƣa hàng vào kệ 84 Hình 5-25: Màn hình giao diện Xuất hàng 85 Hình 5-26: Robot gắp hàng kệ 85 Hình 5-27: Robot di chuyển đến vị trí xuất hàng .86 xi DANH MỤC BẢNG BẢNG TRANG Bảng 2-1: Top 10 thƣơng hiệu sản xuất robot công nghiệp giới 12 Bảng 3-1: Thông số Denavit-Hartenberg cho tay máy 24 Bảng 4-1: Thông số robot Melfa RV-2FR 44 Bảng 4-2: Thống số kỹ thuật webcam .45 Bảng 4-3: Thông số Module nguồn Mitsubishi: Q62P 51 Bảng 4-4: Thông số CPU Mitsubishi MELSEC iQ Q03UDVCPU 52 Bảng 4-5: Thông số Module Input QX42 54 Bảng 4-6: Bảng thông số Module output QY42P 55 Bảng 4-7: Bảng thông số NDR-240-24 Mean Well 57 Bảng 4-8: Bảng thông số Relay trung gian OMRON MY2N 58 Bảng 4-9: Bảng thông số MCB Mitsubishi BH-D6 C20 59 Bảng 4-10: Thông số Omron E3JK-DS30M1 60 Bảng 4-11: Thơng số kỹ thuật van khí nén 5/2 60 Bảng 4-12: Bảng thông số GS21110-WTBD 61 Bảng 4-13: Bảng địa ngõ vào/ra PLC 62 Bảng 4-14: Bảng địa ghi D .62 Bảng 4-15: Bảng địa biến đệm M .63 xii LỜI MỞ ĐẦU Sự bùng phát đại dịch COVID-19 mang lại thách thức khó chƣa có cho Doanh nghiệp lớn nhỏ nƣớc, việc doanh nghiệp từ lâu phụ thuộc vào nguồn nhân công giá rẻ, dẫn đến việc tìm giải pháp cho ―bình thƣờng mới‖ chƣa đạt đƣợc kết nhƣ mong đợi Doanh thu lợi nhuận liên tục giảm cho vấn đề nhân cơng biện pháp phịng ngừa dịch bệnh đƣợc đƣa Từ cho thấy, việc tìm kiếm giải pháp thay nguồn nhân lực tay chân máy móc, trang thiết bị tiên tiến đại yêu cầu số Nhận thấy tiềm phát triển cánh tay robot giúp giải phần vấn đề nhức nhối doanh nghiệp nhà máy Nhóm em định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp: ―Nghiên cứu ứng dụng Toolkit VDM LabVIEW kết hợp robot nhận dạng phân loại sản phẩm‖ Dƣới đồng ý Viện Kỹ Thuật HUTECH giảng viên hƣớng dẫn ThS Phạm Quốc Phƣơng Nhƣng kiến thức thực tế cịn nhiều thiếu sót, nên khơng thể tránh khỏi thiếu sót thực đồ án Vì vậy, kính mong q thầy nhận xét, đánh giá góp ý để đề tài đƣợc hồn thiện cách tốt xiii  Sử dụng thành thạo phần mềm hỗ trợ điều khiển, xử lí ảnh  Lập trình giao tiếp cánh tay robot PLC  Điều khiển thiết bị ngoại vi kết hợp với PLC  Hiểu đƣợc nguyên lý hoạt động nhƣ giao tiếp kết hợp MXOPC, PLC, LabVIEW máy tính cá nhân Ƣu điểm:  Việc quét mã QR LabVIEW cho kết tốt vừa quét vật trạng thái đứng yên chuyển động  Chƣơng trình điều khiển PLC thiết bị ngoại vi hoạt động có độ ổn định, độ xác cao  Việc gửi nhận tín hiệu cánh tay robot PLC diễn nhanh chóng xác cao  Đáp ứng đƣợc hầu hết yêu cầu thực tế nhƣ: thời gian xử lí ảnh nhanh, thiết bị cấu chấp hành hoạt động với tín hiệu cung cấp  Tính ứng dụng vào thực tế đề tài tƣơng đối cao Hạn chế:  Mã QR để qt phải rõ ràng khơng bị mở, đục lỗ, trầy xƣớc  Robot lấy đƣợc hàng băng tải sau hàng đƣợc định hình cấu định hình dừng lại  Tốc độ cho phép hàng qua bị giới hạn không 0.1m/s  Vật phải chờ robot thực xong trình nhập bắt đầu đƣợc quét  Điều kiện hoạt động camera phải điều kiện ánh sáng tốt 88  Hệ thống Websever chƣa hoàn thiện hoàn toàn thiếu kỹ thuật phần cứng 6.2 Hƣớng phát triển đề tài  Nghiên cứu thêm AI để học sâu trƣờng hợp xảy với mã QR nhƣ: bị nhăn, nét, góc quét thay đổi,…  Tăng tốc độ xử lí ảnh để tối ƣu hóa hiệu suất dây chuyền  Thiết kế website giám sát vị trí xa  Nâng cấp lắp đặt thêm kệ hàng để xử lí với hàng chục mã QR khác  Phát triển hệ thống xử lí ảnh thơng mà khơng cần sử dụng đến định hình việc dừng băng tải 89 TÀI LIỆU THAM KHẢO Mitsubishi Electric (2012) Mitsubishi Programmable Controller Training Manual Q-Series basic course (for GX Works2) Mitsubishi Electric Corporation Mitsubishi Electric Industrial Robot (2017) iQPlatform Supporting Extended Funtion Instruction Manual Mitsubishi Electric Corporation Mitsubishi Electric Industrial Robot (2017) CR800 Series Controller Instruction Manual Mitsubishi Electric Corporation Mitsubishi Electric Industrial Robot (2017) RT Toolbox3 / RT Tollbox3 mini User’s Manual Mitsubishi Electric Corporation Mitsubishi Electric Industrial Robot (2019) Mitsubishi Electric Industrial Robot FR Series Mitsubishi Electric Corporation Nguyễn Vạn Quốc (2017) Lập trình PLC Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh Phạm Quốc Phƣơng (2017) Giáo trình lập trình đồ họa Đại học Cơng nghệ TP Hồ Chí Minh World Robotics (2021) Robot Sales Rise Again The World Robotics 2021 Industrial Robots Report 90 PHỤ LỤC Phụ lục 1: Bản vẽ kỹ thuật 91 92 93 94 95 96 Phụ lục 2: Lập trình xử lý ảnh LabVIEW 97 Phụ lục 3: Lập trình RT Toolbox3 98 99 Phụ lục 4: Chƣơng trình PLC 100 101 102 ... tay Robot đại sở hữu nhiều khớp theo tên gọi bậc Cánh tay robot bậc, cánh tay Robot bậc, cánh tay Robot bậc,… Phân loại theo chức sử dụng : Robot hàn, robot cắt, robot gắp sản phẩm, robot sơn, robot. .. số Nhận thấy tiềm phát triển cánh tay robot giúp giải phần vấn đề nhức nhối doanh nghiệp nhà máy Nhóm em định chọn đề tài đồ án tốt nghiệp: ? ?Nghiên cứu ứng dụng Toolkit VDM LabVIEW kết hợp robot. .. đƣợc phân theo hai loại nhận dạng ảnh bản: • Nhận dạng theo tham số 32 • Nhận dạng theo cấu trúc Một số đối tƣợng nhận dạng phổ biến đƣợc áp dụng khoa học công nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in,