TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
Đặt vấn đề
Hiện nay, robot đã trở thành một phần quen thuộc trong đời sống, đặc biệt là trong ngành công nghiệp Trong bối cảnh đất nước đang tiến hành công nghiệp hóa và hiện đại hóa, việc tự động hóa quy trình sản xuất được đặt lên hàng đầu để nâng cao hiệu quả và năng suất.
Mục tiêu của việc ứng dụng robot trong công nghiệp là nâng cao năng suất, chất lượng sản phẩm và khả năng cạnh tranh, đồng thời cải thiện điều kiện lao động Trong bối cảnh cạnh tranh hàng hóa ngày càng gay gắt, hệ thống tự động hóa sản xuất cần có tính linh hoạt cao để đáp ứng nhu cầu thị trường thay đổi Robot công nghiệp đóng vai trò thiết yếu trong các hệ thống sản xuất linh hoạt.
Trong các hệ thống sản xuất linh hoạt, robot SCARA đóng vai trò thiết yếu, giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Sự hiện diện của robot SCARA là điều không thể thiếu, góp phần tối ưu hóa quy trình sản xuất.
Robot SCARA hiện có nhiều loại, bao gồm ba trục, bốn trục và năm trục Trong số đó, robot SCARA bốn trục là loại phổ biến nhất Do đó, việc nghiên cứu robot SCARA bốn trục là lựa chọn hợp lý.
Hình 1.1 Robot Scara trong công nghiệp
Để nâng cao độ chính xác trong công nghiệp, việc kết hợp cánh tay robot với camera để xử lý hình ảnh đã trở thành một giải pháp hiệu quả Sự kết hợp này giúp robot hoạt động một cách chính xác và độc lập hơn Trong nghiên cứu này, nhóm nghiên cứu đã tích cực sử dụng camera để cải thiện khả năng hoạt động của robot.
Hình 1.2 Camera Cognex trong công nghiệp
Trong quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã gặp nhiều khó khăn, bao gồm việc thay thế servo cho từng trục của robot, kết nối servo với driver, tính toán động học cho robot bốn bậc tự do và giao tiếp giữa camera COGNEX với CPU Tuy nhiên, nhóm đã vượt qua những thách thức này và thành công trong việc điều khiển robot SCARA theo ý muốn.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của dự án là gắp vật thể đang di chuyển trên băng tải với các tốc độ khác nhau Để đạt được mục tiêu này, nhóm đã chia quá trình thực hiện thành ba giai đoạn rõ ràng.
Robot sẽ gắp vật ở một khoảng cách cố định so với camera, di chuyển theo một đường thẳng Khi vật đến điểm cách camera một khoảng nhất định, robot sẽ tự động chạy tới và gắp vật một cách chính xác.
Vào thứ hai, robot sẽ gắp vật từ một khoảng cách cố định so với camera, trong khi vị trí thả vật là tự do Sau khi camera quét vật, CPU sẽ xử lý dữ liệu và xác định tọa độ điểm gắp, cho phép robot di chuyển và gắp vật một cách chính xác.
Robot có khả năng chạy gắp và ghi nhớ nhiều vật thể trong khi băng tải vẫn hoạt động Cụ thể, khi nhiều vật được đặt trên băng tải, camera sẽ quét và lưu trữ tọa độ của từng vật Sau đó, robot sẽ thực hiện gắp từng vật từ băng tải và thả chúng lên bàn đặt một cách chính xác.
Giới hạn đề tài
- Đề tài tập trung việc điều khiển cánh tay robot chạy gắp thả vật liên tục, kết hợp với camera để nhận biết được vật
- Tốc độ khung hình của camera lúc hoạt động khá thấp nên sẽ ảnh hưởng đến
Việc sử dụng camera trong mô hình bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường, gây khó khăn cho hệ thống xử lý Sự giao tiếp giữa camera và PLC có thể dẫn đến tình trạng sai số xảy ra thường xuyên.
- Giới hạn mô của mô hình:
• Khoảng cách di chuyển tối đa của trục x: 550 mm
• Khoảng cách di chuyển tối đa của trục y: 550 mm
• Khoảng cách di chuyển tối đa của trục x: 200 mm.
Nội dung nghiên cứu
Với đề tài này, nhóm chúng em sẽ trình bày nội dung gồm 6 chương:
Chương 1 trình bày sơ lược về đề tài, các mục tiêu và và định hướng đề ra
Chương 2 trình bày các nội dung về lý thuyết và ứng dụng của các thiết bị phần cứng như PLC, Servo, Camera
Chương 3 trình bày các nội dung về thiết kế phần cứng, thông số kĩ thuật của các thiết bị
Chương 4 trình bày các phần mềm được sử dụng để lập trình và điều khiển, giải thuật điều khiển
Chương 5 trình bày kết quả đạt được sau khi hoàn thiện robot
Chương 6 trình bày các kết luận sau khi hoàn thành hệ thống và rút ra kinh nghiệm, đồng thời đưa ra hướng phát triển cho đề tài.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
Đề tài này tập trung vào việc ứng dụng hệ thống điều khiển cho cánh tay robot SCARA bốn bậc của Denso, được xây dựng và điều khiển bằng thiết bị phần cứng của Mitsubishi Với phạm vi rộng lớn của lĩnh vực điều khiển và đa dạng ứng dụng, nghiên cứu phát triển hệ thống điều khiển sẽ được thực hiện trong các giới hạn cụ thể.
- Phát triển giải thuật điều khiển dựa trên cánh tay robot scara công nghiệp
- Đề tài sẽ không phân tích sâu vào động lực học mà chỉ nghiên cứu về động học thuận nghịch
- Ứng dụng thuật toán camera để nhận dạng đối tượng.
Phương pháp nghiên cứu
Sử dụng phần mềm GX Work 2 của Mitsubishi để ứng dụng lập trình điều khiển cho cánh tay robot scara bốn bậc
Sử dụng phần mềm MT Developer 2 của Mitsubishi để cài đặt thông số và viết chương trình cho các CPU Motion của Mitsubishi
Sử dụng phần mềm GT Designer 3 của Mitsubishi để thiết kế giao diện điều khiển cho hệ thống
Sử dụng phần mềm GT SoftGOT 2000 để điều khiển hệ thống dựa trên giao diện thiết kế từ GT Designer 3
Sử dụng phần mềm Solid Works để thiết kế một số phần cứng cho hệ thống.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về PLC
PLC, viết tắt của Programmable Logic Controller, là thiết bị điều khiển logic lập trình được, bao gồm CPU, bộ nhớ ROM, bộ nhớ RAM và các cổng vào/ra Nó có khả năng tự động hóa các quy trình cụ thể, chức năng máy hoặc toàn bộ dây chuyền sản xuất.
Bằng cách sử dụng bộ điều khiển PLC, người dùng có khả năng tùy chỉnh thuật toán điều khiển thông qua lập trình bằng ngôn ngữ lập trình Một số hãng sản xuất PLC nổi tiếng và phổ biến nhất bao gồm Siemens (Đức), Omron và Mitsubishi (Nhật Bản), cùng với Delta (Đài Loan).
Ngày nay, phần lớn PLC được thiết kế theo dạng mô-đun, cho phép người dùng tích hợp nhiều chức năng như đầu vào và đầu ra tương tự, điều khiển PID, điều khiển vị trí, điều khiển động cơ, cũng như giao tiếp nối tiếp và mạng tốc độ cao So với các công nghệ cũ như bộ chuyển tiếp, PLC không chỉ dễ dàng trong việc khắc phục sự cố và bảo trì mà còn đáng tin cậy, tiết kiệm chi phí và linh hoạt hơn rất nhiều.
PLC được cấu tạo gồm các thành phần quan trọng như Bộ xử lí trung tâm, ngõ vào, ngõ ra, bộ ghi nhớ dữ liệu và nguồn
Bộ xử lý trung tâm (CPU - Central Processing Unit) là một trong những thành phần quan trọng nhất của PLC, được coi là bộ não của hệ thống CPU có nhiệm vụ nhận và xử lý tín hiệu, sau đó phát tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị Nó được tích hợp nhiều tính năng như tính toán, đếm thời gian, đếm số lượng và các chức năng đặc thù cho ngành công nghiệp.
Ngõ vào và ngõ ra (Input/Output) là các thành phần quan trọng của PLC, kết nối với thiết bị ngoại vi Ngõ vào nhận tín hiệu từ các thiết bị như nút nhấn, công tắc, cảm biến và chuyển tiếp tín hiệu đến CPU để xử lý Ngõ ra truyền tín hiệu điều khiển từ CPU đến thiết bị cuối như relay, đèn, servo, giúp chúng hoạt động theo yêu cầu Hiện nay, ngõ vào/ra của PLC được chia thành hai loại: đầu vào/ra số (Digital I/O) và đầu vào/ra tương tự (Analog I/O).
Bộ nhớ trong PLC là nơi lưu trữ dữ liệu tạm thời và dữ liệu cài đặt để sử dụng thường xuyên, tương tự như RAM và ROM trên máy tính.
- Nguồn: được xem là nơi cấp phát nguồn điện để duy trì hoạt động cho PLC
2.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của PLC Ưu điểm:
- Chống nhiễu tốt, đáng tin cậy và đáng sử dụng trong môi trường công nghiệp.
- Dễ dàng thay đổi được chương trình theo ý muốn Điều đó giúp thích hợp để lập trình cho nhiều ứng dụng khác nhau
- Cấu trúc PLC dạng module cho phép dễ dàng thay thế và mở rộng đầu vào/ra hay mở rộng chức năng khác
Khả năng truyền thông và kết nối với máy tính hoặc PLC khác là rất quan trọng, giúp đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát từ xa Tính năng này hỗ trợ việc xây dựng hệ thống SCADA hiệu quả.
- Sử dụng tốt trong các môi trường khắc nghiệt như nhiệt độ, độ ẩm cao, dòng điện dao động…
- Thực hiện được các thuật toán đòi hỏi sự phức tạp và độ chính xác cao
- Dễ dàng lắp đặt, đơn giản và gọn nhẹ
Giá thành của PLC (Bộ điều khiển lập trình) thường cao hơn so với các sản phẩm mạch relay thông thường, do đây là thiết bị công nghệ cao với khả năng tự động hóa vượt trội.
Để lập trình PLC, cần phải mua thêm phần mềm vì mỗi hãng thiết kế hệ thống riêng biệt, dẫn đến sự khác nhau trong quy trình lập trình Do đó, phần mềm của hãng A không thể sử dụng cho PLC của hãng B.
Người sử dụng cần nắm vững đặc điểm và kiến thức lập trình của từng loại PLC để tránh lập trình sai, điều này có thể ảnh hưởng đến hoạt động của hệ thống và gây hư hỏng thiết bị.
PLC đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp và đời sống hàng ngày Hầu hết các hệ thống tự động và thiết bị sử dụng động cơ, như đóng gói sản phẩm, phân loại hàng hóa, chế biến thực phẩm, xử lý nước thải và sản xuất xi măng, đều được lập trình thông qua PLC.
Hình 2.2 Ứng dụng dây chuyền sản xuất của PLC
Bộ điều khiển PLC dòng Q Mitsubishi
PLC Mitsubishi dòng Q là một giải pháp nhỏ gọn nhưng mạnh mẽ, tích hợp công nghệ tiên tiến nhằm khắc phục những hạn chế của các bộ lập trình truyền thống Với kỹ thuật multi-Processor, dòng PLC này cho phép tối đa 4 CPU cùng xử lý, giảm thời gian quét vòng chương trình xuống chỉ còn 0,5 – 2ms Người dùng có thể linh hoạt chọn lựa hướng điều khiển, quan điểm và ngôn ngữ lập trình trên một nền tảng thống nhất Dòng PLC này cũng đa dạng với nhiều model khác nhau để đáp ứng nhu cầu sử dụng.
- QnUCPU: dung để ứng dụng tổng quát
- QCPU: loại cơ bản hiệu năng cao dùng để điều khiển qui trình, ứng dụng tổng quan
- Qn(H)/QnPH/QnPRHCPU: loại QCPU cơ bản hiệu năng cao, dung để điều khiển qui trình và dự phòng
Dòng PLC Q tương tự như các dòng PLC khác, bao gồm một chương trình bộ nhớ chính để lưu trữ dữ liệu và xử lý tác vụ, cùng với các cổng giao tiếp để kết nối các PLC và mô-đun đầu vào/đầu ra.
Hình 2.3 Cấu trúc PLC dòng Q
2.2.2 Nguyên lý hoạt động của PLC
CPU nhận tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến và công tắc qua modul ngõ vào Sau khi tiếp nhận tín hiệu, CPU xử lý theo chương trình điều khiển đã được nạp trong bộ nhớ và xuất tín hiệu ra cho các thiết bị cuối thông qua modul ngõ ra, đồng thời điều chỉnh các đầu ra một cách hợp lý theo chương trình.
Quá trình CPU nhận và xử lý tín hiệu diễn ra rất nhanh chóng, thường chỉ mất từ 1ms đến 100ms Thời gian này phụ thuộc vào độ dài của tập lệnh trong chương trình và đường truyền giữa các thiết bị đầu cuối Các dòng CPU hiện nay có khả năng tính toán thông minh và tốc độ cao, giúp tối ưu hóa hiệu suất xử lý.
Tổng quan về Encoder
Encoder, hay bộ mã hóa, là một cảm biến chuyển động cơ học chuyển đổi chuyển động thành tín hiệu kỹ thuật số Thiết bị này có khả năng đo và hiển thị các thông số về tốc độ của máy, đóng vai trò quan trọng trong động cơ Nhờ vào các xung vuông với tần số thay đổi theo tốc độ, encoder giúp xác định tốc độ và vị trí của động cơ một cách chính xác.
Encoder được cấu thành từ các thành phần sau:
- 1 đĩa quay có lỗ khoét gắn vào trục động cơ
- 1 đèn Led dung làm nguồn phát sáng
- 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hang
- Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu
Encoder được chia làm 2 loại chính: Encoder tuyệt đối(Absolute Encoder) và Encoder tương đối(Increametal Encoder)
Encoder tuyệt đối là loại Encoder có khả năng xác định chính xác vị trí của trục động cơ mà không cần xử lý thêm từ người điều khiển Loại Encoder này sử dụng mã nhị phân hoặc mã Gray và bao gồm bộ phát ánh sáng (LED), đĩa mã hóa với dải băng tín hiệu và bộ thu ánh sáng nhạy Ưu điểm nổi bật của Encoder tuyệt đối là khả năng giữ giá trị vị trí ngay cả khi mất nguồn Tuy nhiên, nhược điểm lớn nhất là chi phí cao do quy trình chế tạo phức tạp và việc đọc tín hiệu gặp khó khăn.
Hình 2.6 Cấu tạo Encoder tuyệt đối
- Encoder tương đối: là dòng Encoder sẽ phát ra tín hiệu tang dần hoặc theo chu kỳ, có các đặc điểm như sau:
Chất liệu có thể là trong suốt để giúp ánh sáng chiếu qua
Đĩa mã hóa bao gồm một dãy bang tọa xung, thường được chia thành nhiều lỗ bằng nhau và được cách đều như nhau
Là Encoder chỉ có 1,2 hoặc tối đa 3 vòng lỗ, và thường có thêm một lỗ định vị
Hình 2.7 Cấu tạo Encoder tương đối
2.3.4 Nguyên lý hoạt động Encoder
Nguyên lý hoạt động của Encoder dựa trên một đĩa xoay quanh trục, trên đó có các lỗ hoặc rảnh cho phép tín hiệu quang chiếu qua Khi trục quay làm đĩa xoay, tín hiệu quang sẽ bị tắt liên tục, tạo ra các xung Việc ghi nhận số lượng và tốc độ các xung này giúp xác định góc quay và tốc độ quay của trục gắn encoder.
Tổng quan về Servo
Servo là hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu và thực hiện lệnh từ PLC một cách nhanh chóng và chính xác Bộ Servo bao gồm bộ điều khiển Servo, động cơ Servo và encoder để phản hồi tín hiệu từ động cơ Hệ thống này được sử dụng để điều khiển vị trí chính xác, điều chỉnh mô-men và thay đổi tốc độ cực nhanh (đáp ứng trong ms) Động cơ servo nhận tín hiệu từ bộ điều khiển, cung cấp lực chuyển động cần thiết cho máy móc với tốc độ và độ chính xác cao.
2.4.2 Phân loại Servo Động cơ Servo được chia làm 2 loại: động cơ AC Servo và động cơ DC Servo
Động cơ DC Servo không được thiết kế cho dòng điện cao, mà thường phù hợp hơn với các ứng dụng có dòng điện nhỏ như máy bơm nước và máy nén khí Loại động cơ này được chia thành hai loại chính: động cơ một chiều có chổi than và động cơ một chiều không chổi than.
Động cơ AC Servo là một loại động cơ xoay sử dụng điện 3 pha, hoạt động dựa trên nguyên lý nam châm vĩnh cửu, tương tự như động cơ trong máy bơm và quạt Điểm nổi bật của động cơ AC Servo là việc tích hợp nhiều thiết bị điện tử và cảm biến như bộ khuếch đại, bộ điều khiển, bộ mã hóa và màn hình, giúp nâng cao độ chính xác và khả năng điều khiển Điều này đáp ứng yêu cầu sản xuất công nghiệp trong thời đại cách mạng công nghiệp 4.0, khiến AC Servo trở thành lựa chọn ưu tiên hơn so với động cơ DC Servo.
Động cơ AC Servo của Mitsubishi được phân loại theo ứng dụng cụ thể và được nhận diện qua seri ký hiệu, giúp dễ dàng phân biệt với các hãng khác.
Động cơ quán tính trung bình (Sê-ri HF) đảm bảo độ chính xác cao, phù hợp cho các máy cần tăng tốc nhanh chóng.
- Động cơ quán tính thấp (Sê-ri HF-KP): Phù hợp với một trục phụ trợ đòi hỏi phải định vị tốc độ cao
Động cơ Servo tuyến tính Sê-ri LM-F là giải pháp lý tưởng cho môi trường sạch, vì không sử dụng vít me bi, giúp loại bỏ lo ngại về ô nhiễm dầu mỡ.
Động cơ Servo dẫn động trực tiếp (Sê-ri TM-RB) kết hợp mô-men xoắn cao với hệ thống điều khiển có độ lợi cao, mang lại khả năng tăng tốc và định vị nhanh chóng, giúp máy quay hoạt động mượt mà hơn.
2.4.3 Cấu tạo AC Servo Động cơ AC Servo có cấu tạo gồm 3 bộ phần chính: Stato, Rotor và Encoder
- Stato: bao gồm một cuộn dây được quấn quanh lõi, được cấp nguồn để cung cấp lực cần thiết làm quay rotor
- Rotor: được cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh, quấn trên phần quay của động cơ và được gọi là dây quấn phần ứng
- Encoder: được gắn sau đuôi động cơ để phản hồi chính xác tốc độ và vị trí của động cơ về bộ điều khiển
Hình 2.9 Cấu tạo của động cơ AC Servo
2.4.4 Nguyên lý làm việc của Servo
Động cơ servo là thiết bị độc lập nhưng chỉ phát huy hiệu quả khi hoạt động trong hệ thống servo với chế độ hồi tiếp vòng kín Động cơ nhận tín hiệu xung điện (PWM) từ bộ điều khiển và được kiểm soát bởi bộ mã hóa (encoder) Trong quá trình vận hành, tốc độ và vị trí của động cơ được hồi tiếp về mạch điều khiển qua bộ mã hóa Nếu có bất kỳ yếu tố nào cản trở chuyển động hoặc làm sai lệch tốc độ và vị trí, cơ cấu hồi tiếp sẽ gửi tín hiệu về bộ điều khiển Từ tín hiệu phản hồi, bộ điều khiển servo sẽ so sánh với tín hiệu lệnh và điều chỉnh để đảm bảo động cơ hoạt động chính xác theo yêu cầu về tốc độ và vị trí.
2.4.5 Ưu điểm và nhược điểm của động cơ AC Servo
- Ưu điểm: Kiểm soát tốc độ tốt, hoạt động ổn định, ít dao động và không bị quá nhiệt
- Nhược điểm: Điều khiển phức tạp, các thông số cần phải điều chỉnh khi yêu cầu kết nối nhiều.
Tổng quan về bộ điều khiển Servo
Bộ điều khiển Servo là bộ não của hệ thống Servo, đảm bảo hoạt động chính xác và hiệu quả Nó theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế Servo, liên tục điều chỉnh độ lệch từ các hành vi dự kiến Nhiệm vụ của bộ điều khiển là khuếch đại tín hiệu nhận được từ hệ thống điều khiển và truyền dòng điện cho động cơ Servo để tạo ra chuyển động tương ứng Hệ thống Servo bao gồm bốn thành phần chính: bộ điều khiển, bộ khuếch đại, động cơ và bộ phản hồi, tạo thành một vòng kín tự động phản hồi và điều chỉnh để thực hiện chính xác các nhiệm vụ đã được lập trình mà không cần can thiệp bên ngoài.
Hình 2.10 Driver Servo MR-J4 của Mitsubishi
Khi hệ thống điều khiển được cấu hình chính xác, động cơ Servo sẽ quay với vận tốc gần như tương đương với tín hiệu vận tốc nhận được Các tham số như độ cứng và giảm chấn có thể được điều chỉnh để tối ưu hóa hiệu suất Mặc dù nhiều động cơ Servo yêu cầu một Drive cụ thể cho từng thương hiệu hoặc kiểu động cơ, nhưng hiện nay có nhiều Drive có khả năng tương thích với nhiều loại động cơ khác nhau.
Trong bối cảnh công nghiệp phát triển mạnh mẽ, nhiều hãng đã cho ra mắt các thế hệ sản phẩm mới với tính năng cao cấp để phục vụ sản xuất, trong đó Mitsubishi nổi bật với dòng Driver Servo MR-J4 series Dòng sản phẩm này tích hợp nhiều tính năng hiện đại, bao gồm khả năng chống rung chuyên dụng và tự động điều chỉnh thời gian, giúp nâng cao độ chính xác và thời gian phản hồi Ngoài ra, thế hệ mới này cũng được tối ưu về trọng lượng, nhẹ hơn và gọn hơn so với các thế hệ trước.
Hình 2.11 Driver MR-J4-22B Đối với dòng MR-J4 này, hãng Mitsubishi đã chia nó ra làm 2 loại để ứng dụng nhiều mục đích hơn:
- Model MR-J4-A: dòng này được hãng tạo ra với mục đích để điều khiển vị trí, vận tốc và momen xoắn
Dòng sản phẩm MR-J4-B được thiết kế để điều khiển nhiều trục chuyển động nội suy và ứng dụng hệ thống mạng Servo thông qua dây cáp quang Điểm mạnh nổi bật của dòng MR-J4 là khả năng điều khiển chính xác và hiệu quả trong các ứng dụng công nghiệp.
- Tự động điều chỉnh cho các thiết lập nhanh và chính xác
- Tối ưu chi phí/ lợi ích tỷ lệ
- Điều khiển tốc độ cao cho lần định vị siêu ngắn; trung bình tốc độ phản ứng tần số 900Hz
- Độ phân giải cao cho tính mã hóa tốc độ tối đa
- Vị trí tuyệt đối bao gồm bộ mã hóa như trang bị tiêu chuẩn.
Công nghệ Thị giác máy
2.6.1 Khái niệm điểm ảnh Điểm ảnh(Pixel) là đơn vị nhỏ nhất tạo nên hình ảnh, thường mang một màu duy nhất (kết quả của sự pha trộn các màu cơ bản giữa các kênh màu) Một pixel tương ứng với một mảnh (mẩu) của tấm ảnh Nhiều pixel bao nhiêu, hình ảnh hiển thị sẽ càng rõ và chính xác hơn so với bản gốc bấy nhiêu Đây cũng là nguyên nhân mà cường độ điểm ảnh sẽ luôn thay đổi Trong xử lí ảnh, điểm ảnh được coi là một phần tử của ảnh có tọa độ (x,y) với độ xám hoặc màu nhất định Các chương trình có sử dụng đồ họa thường sẽ được tính bằng pixel dimensions- nghĩa là độ phân giải của hình ảnh
Hình 2.12 Ảnh minh họa điểm ảnh(pixel)
2.6.2 Khái niệm về độ phân giải của ảnh Độ phân giải của ảnh(image resolution) chỉ lượng thông tin được chứa đựng trong 1 tập tin ảnh hiển thị trên màn hình Hiểu một cách đơn giản đó chính là số lượng điểm ảnh có trên một ảnh được hiển thị
2.6.3 Tốc độ khung hình( FPS)
Tốc độ khung hình được hiểu là số khung hình( hình ảnh) được hiển thị trong
Trong video, đơn vị thời gian thường được đo bằng fps (khung hình/giây), thể hiện số lượng khung hình hiển thị trong một giây FPS càng cao, hình ảnh trong video sẽ càng mượt mà Hiện nay, các camera công nghiệp thường sử dụng tốc độ khung hình như 10 fps, 15 fps và 30 fps.
2.6.4 Khái niệm về Thị giác máy( Machine Vision)
Thị giác máy (Machine vision) là công nghệ tự động hóa được sử dụng để kiểm tra và phân tích trong các ứng dụng như kiểm tra tự động, kiểm soát quá trình và điều khiển robot thông qua xử lý ảnh Công nghệ này bao gồm nhiều phần mềm, phần cứng, hệ thống tích hợp, cùng với các phương pháp và chuyên môn liên quan.
Thị giác máy là một công nghệ kỹ thuật tiên tiến, tích hợp với các công nghệ hiện tại để giải quyết các vấn đề thực tiễn Đơn giản hơn, công nghệ này sử dụng dữ liệu hình ảnh từ camera để kiểm tra và kiểm soát quy trình sản xuất sản phẩm.
Thị giác máy đang trở thành xu hướng quan trọng trong tự động hóa công nghiệp và được áp dụng rộng rãi trong các lĩnh vực như an ninh, xe tự hành, sản xuất thực phẩm, đóng gói và logistics Công nghệ này có thể kết hợp với Deep Learning và Machine Learning, giúp doanh nghiệp tối ưu hóa hoạt động kinh doanh Một ví dụ điển hình là Cognex, thương hiệu nổi tiếng trong sản xuất camera công nghiệp, với nhiều sản phẩm ứng dụng công nghệ thị giác máy như Vision Sensor Cognex In-Sight 2000 và các dòng 2D Vision Cognex In-Sight 7000, 8000, 9000, cùng với 3D Vision Cognex 3D-A5000 Series.
2.6.5 Chức năng và cách thức hoạt động của công nghệ Thị giác máy
Công nghệ hiện đại chủ yếu thực hiện ba chức năng: kiểm tra, phân loại và hướng dẫn tự động dựa trên hình ảnh Ứng dụng của công nghệ này rất đa dạng, từ việc hỗ trợ robot trong việc xác định vị trí để đồ và lấy đồ (gọi là chọn và đặt), đến việc tích hợp vào các giải pháp end-to-end để phát hiện, kiểm tra và nhận diện các bộ phận quan trọng trong toàn bộ hệ thống.
Hình 2.13 Hệ thống thị giác máy
Camera hoạt động bằng cách xác định đối tượng chụp và gửi thông tin đến bộ xử lý hình ảnh Loại camera cần thiết sẽ phụ thuộc vào mức độ chi tiết yêu cầu, từ camera tiêu chuẩn, camera góc rộng đến máy ảnh 3D Các phần mềm thị giác máy sẽ áp dụng kỹ thuật xử lý hình ảnh kỹ thuật số để trích xuất thông tin cần thiết và đưa ra quyết định về việc xử lý hình ảnh, có thể chuyển sang giai đoạn tiếp theo, chuyển hướng sang quy trình khác hoặc loại bỏ đối tượng khỏi hệ thống.
2.6.6 Lợi ích của việc sử dụng công nghệ Thị giác máy
Việc áp dụng công nghệ Thị giác máy (Machine Vision) trong sản xuất mang lại nhiều lợi ích vượt trội, bao gồm khả năng vận hành ổn định và liên tục Hệ thống này có khả năng thu thập thông tin với độ chính xác cao, giúp đánh giá ngoại quan sản phẩm, phát hiện khiếm khuyết và thu thập dữ liệu để điều khiển robot cũng như các thiết bị khác một cách hiệu quả.
Công nghệ thị giác máy là yếu tố thiết yếu cho các thiết bị tự vận hành như xe ô tô không người lái, tàu lặn và xe lửa Bên cạnh đó, nó cũng mang lại lợi ích an toàn bằng cách giảm thiểu sự can thiệp của con người trong quy trình sản xuất, bảo vệ nhân công khỏi môi trường độc hại và ngăn chặn sự xâm nhập vào các khu vực nhạy cảm.
2.6.7 Ứng dụng của Thị giác máy
Hình 2.14 Một số ứng dụng công nghệ Thị giác máy
Trong dây chuyền sản xuất công nghiệp :
Công nghệ nhận dạng giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí lớn nhờ khả năng chụp ảnh tự động và xử lý khối lượng dữ liệu khổng lồ trong thời gian ngắn Hệ thống này có thể đọc mã vạch sản phẩm, thu thập ma trận dữ liệu, hình ảnh và thông tin in trên bao bì, nhãn mác Ngoài ra, công nghệ còn hỗ trợ nhận dạng ký tự quang học (OCR) và xác minh (OCV), cho phép xác nhận sự hiện diện của chuỗi ký tự để xử lý hiệu quả.
Đo lường, kiểm tra và hiệu chuẩn là quy trình quan trọng trong sản xuất công nghệ cao, nơi mỗi chi tiết yêu cầu sự tỉ mỉ và độ chính xác cao Thị giác máy giúp đo khoảng cách giữa các điểm, so sánh màu sắc, và phát hiện lỗi, khuyết tật, cũng như bất thường Hệ thống này cũng kiểm đếm sản phẩm đầu vào và đầu ra một cách chặt chẽ Với khả năng quét 3D, thị giác máy có thể kiểm tra sản phẩm từ nhiều góc độ, dễ dàng phát hiện lỗi Khi phát hiện sản phẩm lỗi, hệ thống sẽ cảnh báo và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển để loại bỏ sản phẩm khỏi dây chuyền sản xuất, từ đó hiệu chỉnh mọi sai sót và giảm thiểu hàng lỗi.
Dẫn hướng, định vị, điều hướng robot:
Hình 2.15 Camera Cognex ứng dụng thị giác máy
Ứng dụng thị giác máy trên robot giúp định vị và dẫn hướng, mang lại khả năng hoạt động linh hoạt và chính xác Điều này không chỉ nâng cao sự ổn định của robot mà còn cải thiện tốc độ và độ chính xác trong quá trình làm việc, đồng thời cho phép phát hiện các sản phẩm chưa hoàn thiện hoặc bị cấn móp.
Robot hoạt động bằng cách sử dụng thị giác máy để quan sát và xác định vị trí, hướng của chi tiết, sau đó so sánh với tiêu chuẩn đã được chỉ định, đảm bảo lắp ráp chính xác Công nghệ này còn tích hợp các tính năng như đo lường kích thước và đọc mã vạch, giúp truy xuất nguồn gốc sản phẩm một cách hiệu quả.
Ngôn ngữ lập trình Motion SFC
2.7.1 Giới thiệu về ngôn ngữ SFC
Chương trình điều khiển thường được chia thành hai cấu trúc chính: chương trình tuần tự (CPU PLC) và chương trình chuyển động SFC (CPU chuyển động) Các chương trình CPU chuyển động được phát triển trong SFC Chuyển động theo định dạng sơ đồ, cho phép điều khiển chuyển động của động cơ servo thông qua các chương trình servo chế độ thực Việc điều khiển các động cơ servo ảo trong hệ thống cơ khí được thực hiện bằng các chương trình servo chế độ ảo, giúp đồng bộ hóa điều khiển giữa các trục Bằng cách thiết lập các tham số điều khiển đồng bộ và khởi động điều khiển cho mỗi trục đầu ra, hệ thống đạt được điều khiển đồng bộ nâng cao với trục đầu vào.
Hình 2.16 Cấu trúc câu lệnh SFC
2.7.2 Cơ cấu hoạt động của chương trình SFC chuyển động
Nhóm sử dụng CPU motion Q172D(S) để điều khiển các servo, chính vì thế để lập trình cho CPU motion cần sử dụng kiểu chương trình SFC để lập trình
Một chương trình motion SFC bao gồm các quá trình khởi động, chuyển tiếp, các bước điều khiển và nhiều bước khác, như minh họa trong hình dưới đây.
Hình 2.17 Cơ cấu chương trình SFC chuyển động Chương trình Motion SFC trên khi được chạy thực hiện các quá trình sau:
Bước (F0) được kích hoạt và quy trình liên quan đến bước (F0) được thực hiện, điều này được gọi là định vị vị trí sẵn sàng Khi bước này có trạng thái hoạt động chủ động, nó được xác định là bước chủ động.
Điều kiện kích hoạt trong giai đoạn chuyển tiếp (G0) được kiểm tra liên tục để xác định xem chương trình điều chỉnh vị trí có được kích hoạt hay không Khi điều kiện này được đáp ứng, bước chủ động (F0) sẽ bị ngưng và bước kế tiếp (K0) sẽ được kích hoạt, khởi động chương trình servo (K0).
Quy trình kiểm tra bước (K0) liên quan đến việc hoàn thành điều chỉnh tọa độ của chương trình servo Chỉ khi đạt yêu cầu và thỏa mãn các điều kiện, quy trình này mới được phép chuyển tiếp sang bước tiếp theo.
- Khi các quá trình (1) tới (3) như trên được thực hiện hoàn tất, chương trình đã được thực hện xong và dừng tại bước END
2.7.3 Kí hiệu ngôn ngữ trong Motion SFC
Bảng 2.1 Bảng biểu tượng trong biểu đồ Motion SFC
Lý thuyết về Robot
Với sự tiến bộ vượt bậc của khoa học công nghệ và quá trình công nghiệp hóa, robot đã ra đời và mang lại nhiều lợi ích quan trọng cho cuộc sống hiện nay Chúng được thiết kế nhằm cải thiện hiệu suất làm việc trong các lĩnh vực như sản xuất, kiểm tra giám sát, và thay thế con người trong những công việc đòi hỏi độ chính xác cao và có nguy cơ cao.
Robot là thiết bị tự động đa chức năng, có khả năng lập trình lại, được thiết kế để vận chuyển vật liệu, bộ phận và công cụ Với các chuyển động linh hoạt, robot thực hiện nhiều nhiệm vụ khác nhau theo chỉ định của con người, thể hiện khả năng gần giống trí thông minh nhân tạo.
Robot được lập trình sẵn giúp tối ưu hóa thời gian và thao tác, từ đó nâng cao năng suất làm việc mà không có sự thừa thải Chúng hoạt động tuần hoàn theo một thứ tự nhất định, phù hợp với từng sản phẩm và ngành ứng dụng như đóng hàng, lắp ráp, dán nhãn và thử nghiệm Đặc biệt, robot có khả năng hoạt động liên tục, không bị gián đoạn bởi những sai sót thường gặp trong quá trình thực hiện thủ công của con người.
Hình 2.18 Cánh tay robot trong sản xuất ô tô
Trong thời đại công nghiệp 4.0, ứng dụng trí tuệ nhân tạo và tự động hóa đã trở nên phổ biến, mang lại nhiều lợi ích cho năng suất lao động Các doanh nghiệp lớn đang áp dụng công nghệ hiện đại trong dây chuyền sản xuất, sử dụng robot để hỗ trợ và thay thế con người, từ đó tạo ra hiệu quả sản xuất tốt hơn.
Ngành công nghiệp robot đang phát triển mạnh mẽ để đáp ứng nhu cầu sử dụng ngày càng tăng Sự phát triển này dẫn đến việc sản xuất nhiều loại robot công nghiệp phục vụ cho hoạt động sản xuất và kinh doanh Một số loại robot công nghiệp tiêu biểu bao gồm:
Robot song song có nhiệm vụ phân loại và đóng gói sản phẩm, chẳng hạn như gắp sản phẩm từ băng tải của dây chuyền sản xuất và đặt chính xác vào thùng lớn chứa 20 hộp sản phẩm.
- Robot sơn và phun sơn: Được ứng dụng để sơn các sản phẩm được làm từ vật liệu gỗ, thép,…
- Robot hàn: thường được ứng dụng nhiều trong ngành sản xuất ô tô, xe máy
- Robot gắp hàng, bốc xếp hàng hóa: Là loại robot thiết bị tự động đa dạng nhất
- Robot vận chuyển và đóng gói sản phẩm: Được dùng để vận chuyển và đóng gói trong phạm vi rộng
- Robot cắt: Dùng để cắt vật liệu cứng với số lượng lớn
- Robot cộng tác: Hỗ trợ con người làm việc cùng nhau hợp tác để tạo thành sản phẩm
Các loại robot công nghiệp đang được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau, bao gồm dịch vụ và quân sự Tại Việt Nam, một số loại robot công nghiệp phổ biến bao gồm robot dùng trong đúc, gia công áp lực, gia công và lắp ráp.
2.8.3 Giới thiệu về robot Scara
"SCARA" stands for Selective Compliance Assembly Robot Arm or Selective Compliance Articulated Robot Arm SCARA robots are widely used for high-speed and high-precision tasks such as pick-and-place operations and assembly Generally, SCARA robots can operate at higher speeds, even with optional cleanroom specifications.
Robot SCARA có bốn trục, bao gồm một liên kết bên trong quay quanh trục Z và một liên kết bên ngoài quay quanh khớp khuỷu tay Z Hệ thống này cho phép chuyển động thẳng theo trục Z, tạo ra hình học lắp ráp theo chiều dọc Đây là dạng hình học phổ biến cho các hoạt động chọn và đặt các bộ phận nhỏ.
Hình 2.19 Cánh tay robot scara EPSON Ưu điểm của robot Scara:
Tốc độ của robot Scara vượt trội so với con người nhờ vào khả năng tự động hóa và lập trình sẵn Robot này hoạt động hiệu quả trong mọi điều kiện làm việc, bao gồm cả môi trường có nhiệt độ cao và hóa chất, đảm bảo duy trì tốc độ hoàn hảo như đã được cài đặt.
Scara mang lại độ chính xác tuyệt đối trong kiểm soát lực lượng, đặc biệt trong các lĩnh vực như cơ khí chế tạo máy và lắp ráp điện tử Khi quy trình lắp ráp yêu cầu chèn chốt đúng cách, Scara có khả năng căn chỉnh hoàn hảo, kiểm soát lực định hướng để thực hiện thao tác chính xác Điều này không chỉ giúp hoàn thành công việc hiệu quả mà còn bảo vệ các linh kiện và thiết bị cần hoàn thiện, tạo ra lợi thế nổi bật cho doanh nghiệp.
Công việc lặp đi lặp lại có thể gây mệt mỏi và chán nản cho con người, ảnh hưởng tiêu cực đến thái độ làm việc Robot Scara có khả năng khắc phục những vấn đề này, cho thấy ưu điểm nổi bật của robot trong việc thay thế con người trong các công việc tay chân lặp đi lặp lại Sự phát triển và nghiên cứu về robot ngày càng được mở rộng nhằm tối ưu hóa hiệu suất làm việc và giảm bớt gánh nặng cho con người.
Nhược điểm của robot Scara:
- Không thể gấp vật có khối lượng lớn
- Cấu tạo vỏ robot thường hình tròn nên chỉ phù hợp một số ứng dụng
- Khả năng linh hoạt kém hơn so với các loại cánh tay robot tự do khác
Robot Scara hoạt động dựa trên mô hình cánh tay máy, tương tự như cánh tay con người, tạo ra các chuyển động cơ bản với khả năng khéo léo và linh hoạt nhờ vào cổ tay Bàn tay của robot thực hiện các thao tác trực tiếp trên đối tượng cần tác động Nguồn động lực của robot Scara có thể đến từ nhiều loại động cơ như điện, thủy lực, khí nén, hoặc sự kết hợp của chúng Thiết kế của robot Scara sẽ được điều chỉnh theo từng điều kiện hoạt động, với các hệ thống cảm biến khác nhau Tất cả các hoạt động của robot đều được điều khiển bởi hệ thống điều khiển Controller, bao gồm các máy tính giám sát và điều khiển chức năng của Scara.
Robot Scara hiện nay được ứng dụng khá phổ biến, điển hình như:
- Lắp ráp chi tiết nhỏ
THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Mô hình robot Scara mà nhóm em thực hiện là một loại robot ứng dụng trong công nghiệp, do đó, quá trình thiết kế và thi công cần tuân thủ các yêu cầu cụ thể.
- Robot hoạt động có độ chính xác cao, ít sai số
- Vận hành ở tốc độ cao
- Cấu tạo chắc chắn, có khả năng tháo lắp và an toàn khi sử dụng
- Các trục của robot hoạt động linh hoạt, ổn định, và có khả năng điều khiển từng trục
Mô hình robot bao gồm hai phần chính: cơ khí và điện Do đó, cần tính toán và giới hạn khối lượng cũng như kích thước để đảm bảo robot hoạt động hiệu quả, đồng thời giữ được sự gọn nhẹ và tính thẩm mỹ.
Hình 3.1 Robot Scara 4 bậc Denso
Thiết kế và thi công
3.2.1.1 Yêu cầu phần cứng: Đối với mô hình này, để hệ thống có thể hoạt động một cách chính xác, ổn định thì yếu tố quan trọng cần có chính là độ chắc chắn của phần cứng, phải đảm bảo sao cho các phần cứng được đặt đúng chỗ để hệ thống vận hành tốt nhất có thể Do hệ thống đã có cánh tay robot Scara nên việc quan trọng ở đây là cần lắp ráp các phần cứng còn lại cũng như thiết kế tủ điện sao cho hợp lí nhất
Với mô hình này sẽ cần có các yêu cầu sau:
- Vị trí lắp đặt cánh tay robot so với băng tải phải song song nhau
- Các chi tiết cơ khí phải được lắp ráp chắc chắn
- Khoảng cách giữa các thiết bị phải hợp lí
- Tính toán tỷ số gear chính xác để robot hoạt động ổn định Để mô hình hoàn chỉnh thì phần cơ khí sẽ có các thành phần sau:
- Cánh tay robot Scara 4 bậc
- Đầu nam châm hút và thả
3.2.1.2 Thiết kế và lắp đặt phần cứng Đối với đề tài này, tuy nhóm đã có sẵn các thiết bị phần cứng như cánh tay robot, băng tải, đế đỡ robot được thừa hưởng từ các khóa trước, nhưng nhóm vẫn quyết định thiết kế và bố trí lại hệ thống theo vị trí hoàn toàn khác so với nhóm trước nhằm thuận tiện trong việc điều khiển hệ thống Đầu tiên nhóm sẽ tiến hành tra cứu về cấu tạo, kích thước của cánh tay robot scara 4 bậc để xác định được chính xác vị trí nên đặt trên không gian hoạt động
Hình 3.2 Kích thước robot scara 4 bậc
Nhóm đã sử dụng cánh tay robot SCARA 4 bậc của Denso, do đó, tất cả các kích thước cơ khí (mm) của robot đều được lấy chính xác từ hệ thống website của Denso với mã hiệu HSR055.
Sau khi xác định được thông số kích thước của robot, nhóm tiến hành xác định giới hạn làm việc của robot như hình bên dưới
Trục 1 có giới hạn xoay 260 độ, trong khi trục 2 có giới hạn xoay 300 độ Trục 3 và trục 4 có cơ cấu khác biệt, dẫn đến giới hạn xoay lớn hơn so với hai trục còn lại.
Hình 3.4 Kích thước mặt đứng cơ cấu cuối
Hình 3.4 cho ta thấy được các thông số kích thước của cơ cấu cuối hay còn gọi l;à cơ cấu gắp thả vật của robot
Hình 3.5 Kích thước chi tiết phần mặt đế
Ban đầu, một số bộ phận cơ khí của robot như động cơ servo và mặt bích được thiết kế và tinh chỉnh bởi hãng sản xuất robot, nhưng đã được thay thế bằng các linh kiện của Mitsubishi để phù hợp với hệ thống điều khiển Đối với mỗi trục, động cơ servo được lựa chọn dựa trên các thông số của động cơ ban đầu từ hãng Đặc biệt, trục 1 của robot phải chịu tải lớn, vì vậy động cơ cần có hộp số lớn với tỷ số truyền 1:80 để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Hình 3.6 Cơ cấu trục 1 của robot Ở trục 2 của robot sẽ được được thiết kế và lắp đặt bộ cơ cấu có tỉ số truyền 1:46
Trục 3 của robot được thiết kế và lắp đặt khác biệt so với trục 1 và 2, do có sự kết hợp với trục 4 Khi hoạt động, trục 3 sẽ xoay đồng thời với trục 4, giúp di chuyển trục vít me lên xuống.
Hình 3.8 Cơ cấu trục 3 của robot
Sau khi đã xác định được vị trí, nhóm đã tiến hành khoan, bắt ốc cho phần đế đỡ robot, tiếp đến là lắp robot lên đế
Hình 3.9 Cánh tay robot scara 4 bậc và đế đỡ
Tiếp theo nhóm tiến hành đo kích thước băng tải và khoan, bắt óc cho băng tải vào không gian làm việc
Hình 3.10 Lắp đặt băng tải
Lắp đặt động cơ cho băng tải với động cơ được của hãng Mitsubishi
Hình 3.11 Lắp đặt động cơ băng tải
Tiếp theo nhóm tiến hành xác định vị trí quét sản phẩm và tiến hành lắp đặt Camera cho hệ thống
Hình 3.12 Lắp đặt camera cho hệ thống
Cuối cùng, chúng tôi sẽ lắp đặt bàn đặt sản phẩm để hoàn thiện mô hình phần cứng Nhóm thiết kế bàn đặt sản phẩm bằng mica, đặt trên một khối đế kim loại nguyên khối để đảm bảo tính chắc chắn khi robot đặt sản phẩm lên.
Hình 3.13 Bàn đặt sản phẩm
Sơ đồ khối của hệ thống
KHỐI XỬ LÝ TRUNG TÂM PLC Q03UDECPU
KHỐI XỬ LÝ HÌNH ẢNH ĐIỀU KHIỂN CHUYỂN ĐỘNG Q172DSCPU
XỬ LÝ VÀ GIAO TIẾP HỆ THỐNG
Tín hiệu đi Tín hiệu về
Hình 3.14 Sơ đồ khối hệ thống
Chức năng của từng khối thành phần:
Khối xử lý và giao tiếp hệ thống đảm nhiệm vai trò lập trình điều khiển, cũng như nạp chương trình mới cho hai khối xử lý trung tâm và khối điều khiển chuyển động.
Khối xử lý trung tâm PLC Q03UDE CPU đảm nhiệm việc truyền tín hiệu điều khiển cho hệ thống chuyển động, thu nhận và phát tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi như cảm biến và nút nhấn Đồng thời, nó cũng xuất dữ liệu đã được xử lý ra màn hình HMI, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và điều khiển quá trình.
Khối xử điều khiển chuyển động Q172DS CPU có khả năng truyền và nhận tín hiệu từ khối chấp hành và khối xử lý ảnh, đồng thời xử lý dữ liệu dạng xung và giải quyết các bài toán phức tạp.
Khối chấp hành có vai trò quan trọng trong hệ thống, nhận tín hiệu từ bộ điều khiển chuyển động thông qua Driver MR-J4 Sau khi chuyển đổi tín hiệu, các động cơ sẽ thực hiện các hoạt động theo đúng yêu cầu, đảm bảo hiệu suất và chính xác trong quá trình vận hành.
Khối xử lý hình ảnh sử dụng camera COGNEX để chụp và xử lý hình ảnh của vật thể, nhằm xác định chính xác vị trí của nó trong khung hình Sau khi xử lý, dữ liệu sẽ được gửi về CPU để tiếp tục xử lý.
- Khối hiển thị hình ảnh: có chức năng xuất hình ảnh được đọc từ camera COGNEX ra màn hình
Khối màn hình HMI đóng vai trò quan trọng trong việc hiển thị dữ liệu từ hệ thống, bao gồm vị trí và thông báo lỗi Nó cũng cho phép người dùng nhập các thông số đầu vào như tốc độ, vị trí góc và động học, từ đó điều khiển robot một cách hiệu quả.
Hình 3.15 Sơ đồ đấu nối hệ thống
Hệ thống mạch điện là yếu tố quan trọng để đảm bảo hoạt động của hệ thống Như thể hiện trong hình 3.16, nhóm sẽ cung cấp nguồn 220V cho hệ thống Driver.
Bộ lọc nhiễu (Noise Filter) được sử dụng để ổn định áp cho 3 Driver MR-J4 Nhóm tiến hành cấp nguồn cho nguồn tổ ong và nguồn PLC, nhưng do cả hai chỉ chịu áp 110V đầu vào, nên đã lắp đặt thiết bị hạ áp để chuyển đổi 220V xuống 110V Để đảm bảo an toàn cho hệ thống, nhóm cũng đã lắp đặt các thiết bị CB đóng ngắt dòng điện, bao gồm 1 CB tổng và 6 CB con, như được thể hiện trong sơ đồ mạch động lực.
Hình 3.17 Sơ đồ mạch điều khiển điện áp cho QD172DS
GIẢI THUẬT ĐIỀU KHIỂN ROBOT
Mô tả hoạt động
Mô hình hoạt động ở 2 chế độ: chế độ manual và chế độ auto
Chế độ manual cho phép người điều khiển tùy chỉnh các thông số đầu vào của trục, linh hoạt thay đổi tốc độ và vị trí của robot theo nhu cầu Ngoài ra, chế độ này còn hỗ trợ tính toán tọa độ điểm cuối của cơ cấu chấp hành và hiển thị giá trị trên màn hình.
Chế độ auto yêu cầu cài đặt các thông số ban đầu như tọa độ gắp và thả vật, vị trí home của cánh tay robot, cũng như tính toán tốc độ và thời gian gắp thả vật để đồng bộ với băng tải Ngoài ra, cần thiết lập cường độ ánh sáng và tốc độ màn chụp cho camera Khi kích hoạt chế độ auto, camera sẽ quét vật, CPU nhận tín hiệu và tính toán thời gian cùng tọa độ gắp dựa trên động học nghịch, sau đó truyền tín hiệu cho robot Cánh tay robot sẽ thực hiện gắp vật và đưa đến vị trí thả.
Phần mềm điều khiển
4.2.1 Giới thiệu về phần mềm Ở đề tài này, do nhóm sử dụng hệ thống các thiết bị phần cứng của hãng Mitsubishi như PLC dòng Q, hệ thống driver MR-J4 và servo nên sẽ sử dụng các phần mềm tương ứng của hãng Mitsubishi để lập trình và thiết kế giao diện đó là GX Works 2 và GT Designer 3 Ngoài ra nhóm có sử dụng PLC Motion Q172DSCPU nên sẽ sử dụng phần mềm điều khiển chuyển động MT Developer 2 để cài đặt thông số của servo và bộ điều khiển servo, nhờ nó robot sẽ thực thi công việc một cách tự động đã thiệt lập từ trước
Nhóm sẽ sử dụng phần mềm In-sight Explorer của Cognex để điều chỉnh thông số của camera Cognex, nhằm nhận dạng mã QR Phần mềm này cũng sẽ được dùng để xuất tín hiệu về cho PLC phục vụ cho việc lập trình.
Để hai PLC hoạt động đồng thời, bước đầu tiên là thiết lập các vùng nhớ chia sẻ trong GX Works 2 và MT Developer 2, điều này giúp hai PLC có thể tương tác hiệu quả với nhau.
Hình 4.1 Vùng nhớ share PLC No.1
Hình 4.2 Vùng nhớ share PLC No.2
- PLC No.1: vùng nhớ share cho các chức năng On, Off servo, Jog+, Jog-, Jog Speed, các thanh ghi nhập có vùng nhớ từ D6000 đến D6799
- PLC No.2: vùng nhớ share cho hiện thị giá trị thực, trạng thái các trục,…
Tiếp theo cần khai báo các module Input, Output:
Hình 4.3 Khai báo I/O Sau đó thiết lập các thông số cho Servo trong phần mềm MT Developer 2:
Hình 4.4 Thiết lập thông số của Servo
Sau khi thiết lập xong thông số cho PLC và Servo, bước tiếp theo là cấu hình camera để xuất tín hiệu về PLC Nhóm đã chọn PLC 1 để truyền tín hiệu từ camera, sử dụng vùng nhớ chia sẻ của PLC No.1 Tuy nhiên, trước tiên cần thay đổi địa chỉ IP của PLC, camera và máy tính để chúng khác nhau.
Hình 4.5 Chọn phương thức truyền dữ liệu
Hình 4.6 Thiết lập địa chỉ IP cho camera
Tiếp theo cài đặt các dữ liệu vùng nhớ để truyền về PLC 2 tại phần Communication trong phần mềm In-sight
Hình 4.7 Thiết lập vùng nhớ cho Camera
Giải thuật điều khiển
4.3.1 Cài đặt thông số cho Camera Đối với camera công nghiệp, tín hiệu trả về luôn là pixel nên để có thể xác định chính xác các giá trị thực tế, chúng ta cần phải chuyển đổi giá trị pixel sang giá trị thực là mm Đầu tiên nhóm sẽ sử dụng một tấm bàn cờ trắng đen có kích thước mỗi ô 20mmx20mm đã in ra sẵn đặt vào vùng quét của camera, đồng thời cố định sao cho các ô cờ không bị lệch so với trục x y của camera Sau đó dựa vào số lượng ô có trong vùng quét của camera sẽ tính được chiều dài và chiều rộng của vùng quét theo giá trị mm và tính được kích thước thực của một pixel trong camera
Hình 4.8 Bàn cờ chuyển đổi kích thước
Nhóm nghiên cứu sử dụng giải thuật quét 2D để phân loại sản phẩm qua mã QR, tận dụng camera tích hợp tính năng quét 2D Trong phần mềm In-sight Explorer, nhóm đã sử dụng công cụ Read 2D Code để huấn luyện các mã QR cho từng sản phẩm Sau khi hoàn thành việc huấn luyện, nhóm tiến hành điều chỉnh các thông số cài đặt cho công cụ và hình ảnh camera, đồng thời tối ưu hóa phần cứng camera để đảm bảo chất lượng hình ảnh tốt nhất Cuối cùng, khung hình camera được cố định với trục xy song song với băng tải và xác định vùng nhận diện mã QR.
Hình 4.10 Sử dụng tool Read 2D Code( QR)
Sau khi hoàn tất việc điều chỉnh các thông số, bước tiếp theo là thiết lập giao tiếp giữa camera và PLC để truyền tín hiệu Điều này sẽ giúp tính toán các giá trị cần thiết nhằm xác định tọa độ chính xác của vật trong quá trình di chuyển trên băng tải, từ đó hỗ trợ robot trong việc gắp vật một cách chính xác.
4.3.2 Giải thuật gắp thả vật và tính toán động học
4.3.2.1 Giải thuật gắp thả vật
Phương thức điều khiển nội suy trong PLC Motion bao gồm ba cách: nội suy theo vecto tốc độ, nội suy theo trục có quãng đường di chuyển lớn nhất, và nội suy theo trục tham chiếu Trong đề tài này, nhóm tập trung vào hai phương thức chính là nội suy theo vecto tốc độ và nội suy theo trục tham chiếu để thực hiện quá trình gắp thả vật.
Phương thức nội suy theo vecto tốc độ cho phép bộ điều khiển tính toán tốc độ của các trục còn lại dựa trên tốc độ đặt trước, đảm bảo rằng các trục bắt đầu và kết thúc đồng thời trong quá trình dịch chuyển.
Phương thức nội suy theo trục tham chiếu cho phép chọn tốc độ và trục làm trục tham chiếu, từ đó bộ điều khiển sẽ tính toán thời gian chuyển động của trục này Dữ liệu này được sử dụng để suy ra vận tốc của các trục còn lại dựa trên quãng đường di chuyển độc lập của chúng, đảm bảo rằng các trục bắt đầu và kết thúc đồng thời.
Nhóm đã áp dụng hai phương thức điều khiển và tính toán chính xác các vị trí gắp thả dựa trên động học nghịch, giúp robot thực hiện việc gắp thả vật nhanh chóng và tương đối chính xác.
Hệ trục xy camera và tọa độ gốc robot được xác định qua các khoảng cách quan trọng: y0 là khoảng cách từ gốc camera đến gốc robot, y1 là khoảng cách từ gốc camera đến điểm quét vật, y2 là khoảng cách từ điểm quét vật đến điểm gắp, và y3 là khoảng cách từ điểm gắp P đến hệ tọa độ gốc robot.
A: vị trí điểm quét camera
P: vị trí điểm gắp của robot
Từ hình (4.3) ta có được:
Dựa vào công thức (4.1) và (4.2), chúng ta có thể tính toán quãng đường di chuyển của vật thể từ vị trí camera quét đến điểm gắp vật Việc ứng dụng giải thuật điều khiển SFC sẽ giúp robot hoạt động một cách tự động và chính xác.
4.3.2.2 Động học robot scara Động học thuận Động học thuận là quá trình tính toán vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối hay tay gắp khi biết tất cả các giá trị biến khớp Đầu tiên chúng ta cần tính bảng Denevit-Hartenberg (D-H) để có các tham số, từ đó mới xác định được vị trí và hướng từ tập hợp các giá trị biến khớp Mỗi hệ trục của mỗi khâu được mô tả đầy đủ bởi ma trận biểu diễn vị trí và hướng so với hệ trục của khâu trước theo chuỗi của robot cũng là thứ tự các ma trận và là sự kết hợp của các chuyển vị thuần nhất Để xây dựng được bảng DH ta áp dụng quy tắt bàn tay phải lên hệ trục tọa độ của robot:
- i: thứ tự liên kết giữa các khớp
- Trục 𝑧 𝑖 : chọn chiều dọc theo trục khớp thứ i
- Trục 𝑥 𝑖 : đường vuông góc chung giữa 𝑧 𝑖 và 𝑧 𝑖+1
- Trục 𝑦 𝑖 : chọn đường vuông góc 2 trục còn lại
Hình 4.12 Đặt trục cho robot
Bảng 4.1 Bảng thông số DH của robot i a 𝑖 α 𝑖 d 𝑖 θ 𝑖
Công thức ma trận tổng quát:
1 cos( ) sin( ) cos( ) sin( ) sin( ) cos( ) sin( ) cos( ) cos( ) cos( ) sin( ) sin( )
Ma trận chuyển vị trục thứ 0 so với trục thứ 1:
Ma trận chuyển vị trục thứ 1 so với trục thứ 2:
Ma trận chuyển vị trục thứ 2 so với trục thứ 3:
Ma trận chuyển vị trục thứ 3 so với trục thứ 4:
Ma trận chuyển vị từ hệ trục số 0 đến trục 4:
Tọa độ điểm cuối của robot:
Động học nghịch là quá trình xác định các giá trị biến khớp dựa trên yêu cầu về vị trí và hướng của cơ cấu chấp hành cuối.
Hình 4.13 Tính toán động học nghịch
Tính 2 : Áp dụng định lý cosin trong tam giác OAB ta có:
OB OA AB OA AB OAB (4.10)
Rút cos( 2 ) sang vế trái ta được:
Từ công thứ:c (4.13) và (4.14) ta tìm được 2 với
Theo hình trục tọa độ xy phía trên ta thấy:
Xét tam giác BOC ta có:
𝐵𝑂𝐶̂ arctan 2( , ) X Y (4.17) Áp dụng định lý cosin trong tam giác OAB ta có:
AB OA OB OA OB (4.18) Rút cos( ) sang vế trái ta được:
Từ công thức (4.19) và (4.20) ta tính được với: arctan 2(sin( ), cos( ))
Thay (4.17) và (4.21) vào (4.16) ta suy ra 1
Chọn Q 1 2 3 với Q là góc do camera trả về
4.3.2.3 Lưu đồ giải thuật gắp thả vật của robot
XỬ LÍ TÍN HIỆU VÀ GỬI VỀ PLC CAMERA QUÉT ĐƯỢC VẬT BẮT ĐẦU CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH TOÁN VỊ TRÍ, THỜI GIAN VÀ TỐC ĐỘ GẮP VẬT CHO ROBOT
Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng
TÍNH TOÁN VỊ TRÍ, THỜI GIAN VÀ TỐC ĐỘ THẢ VẬT CHO ROBOT
Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng Đúng Sai
Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật gắp thả vật
Khi hệ thống hoạt động, vật trên băng tải sẽ đi qua vùng quét của camera Camera nhận diện mã QR, xử lý tín hiệu và gửi về PLC Sau đó, PLC dựa vào chương trình điều khiển đã nạp để tính toán và xác định thời gian cùng tọa độ gắp vật chính xác.
XỬ LÍ TÍN HIỆU VÀ GỬI VỀ PLC CAMERA QUÉT ĐƯỢC VẬT BẮT ĐẦU CHƯƠNG TRÌNH
TÍNH TOÁN VỊ TRÍ, THỜI GIAN VÀ TỐC ĐỘ GẮP VẬT CHO ROBOT
Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng
Hình 4.15 Lưu đồ gắp vật
Chương trình sẽ xác định vật chuẩn bị gắp dựa trên mã QR để xác định vị trí thả chính xác, đồng thời tính toán thời gian và vận tốc phù hợp nhằm đảm bảo quá trình gắp diễn ra liên tục mà không bị trễ.
TÍNH TOÁN VỊ TRÍ, THỜI GIAN VÀ TỐC ĐỘ THẢ VẬT CHO ROBOT
Sai Đúng Sai Đúng Sai Đúng Đúng Sai
Hình 4.16 Lưu đồ thả vật
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Kết quả
5.1.1 Hệ thống cánh tay robot gấp thả vật
Sau quá trình thực hiện đề tài, nhóm đã hoàn thiện mô hình cánh tay robot 4 bậc scara, bao gồm cả không gian làm việc và hệ thống tủ điện cho mô hình.
Hình 5.1 Mô hình cánh tay robot gấp vật
Hình 5.2 Hệ thống tủ điện hoàn thiện
Nhóm đã thiết kế một giao diện điều khiển sử dụng phần mềm GT Designer 3 và giao diện SoftGOT2000 để theo dõi và điều khiển hoạt động của hệ thống Giao diện này bao gồm nhiều cửa sổ, mỗi cửa sổ đảm nhiệm các chức năng khác nhau, giúp đơn giản hóa không gian hiển thị và tạo điều kiện thuận lợi cho người sử dụng trong việc quan sát và điều khiển.
Hình 5.3 Giao diện màn hình chính
Giao diện màn hình chính (MAIN SCREEN) là cửa sổ đầu tiên của hệ thống điều khiển, bao gồm hai nút bật tắt servo (SERVO ON và SERVO OFF), một đèn báo trạng thái và các ô hiển thị giá trị thực của robot Khi nhấn nút Servo On, hệ thống Driver sẽ được kích hoạt, cho phép người dùng điều khiển các động cơ cùng với các chế độ tự động (auto) và thủ công (manual) trong giao diện điều khiển.
Hình 5.4 Giao diện màn hình Jog
Giao diện màn hình Jog (JOG OPERATION) cho phép người điều khiển điều chỉnh tốc độ và thực hiện thao tác Jog thủ công cho từng trục của robot, đưa chúng đến vị trí mong muốn Ngoài ra, giao diện này còn tích hợp nút set home cho các trục sau khi đã Jog đến vị trí đã chỉ định.
Hình 5.5 Lưu đồ sử dụng giao diện Jog
Hình 5.6 Giao diện màn hình Position
Giao diện màn hình điều khiển vị trí cho phép người dùng dễ dàng ra lệnh cho robot di chuyển đến vị trí mong muốn trong không gian làm việc Người dùng chỉ cần nhập góc cho 4 trục và tốc độ cho các trục, sau đó nhấn nút ABS để robot thực hiện di chuyển đến vị trí đã chỉ định.
Hình 5.7 Lưu đồ sử dụng giao diện Position
Hình 5.8 Giao diện màn hình Kinematic
Giao diện màn hình động học (KINEMATIC) cho phép tính toán vị trí di chuyển của robot dựa trên các giá trị tọa độ được nhập vào các ô Px, Py, Pz Để sử dụng, người dùng cần nhập các tọa độ này, sau đó nhấn nút INV để chương trình tính toán và đưa ra các giá trị theta tương ứng Cuối cùng, nhấn Run INV để điều khiển robot di chuyển đến các góc theta đã được tính toán.
Hình 5.9 Lưu đồ sử dụng giao diện Kinematics
Hình 5.10 Giao diện màn hình Conveyor
Giao diện màn hình điều khiển băng tải cho phép người điều khiển tùy chỉnh tốc độ và trạng thái hoạt động của băng tải Nó có hai chế độ: auto và manual Chế độ auto cho phép robot hoạt động theo chương trình đã lập trình sẵn, trong khi chế độ manual cho phép điều chỉnh thủ công các thông số và sử dụng các tính năng như Jog, Position, và Kinematic Để sử dụng chế độ manual, cần bật Servo On và nhấn nút manual để truy cập các chức năng Jog, ABS, và Inverse Đối với chế độ auto, người dùng cần nhập giá trị tốc độ vào ô Speed và nhấn Conveyor on để băng tải hoạt động, sau đó nhấn Auto để kích hoạt giải thuật gắp thả vật cho robot.
Hình 5.11 Lưu đồ sử dụng giao diện Conveyor
5.1.3 Điều khiển robot và phát hiện vật
Nhóm đã thành công trong việc điều khiển robot SCARA 4 bậc bằng cách viết chương trình điều khiển bằng ngôn ngữ lập trình Mitsubishi, cho phép robot hoạt động ở hai chế độ tự động và thủ công Đồng thời, nhóm cũng thiết kế giao diện điều khiển và tích hợp camera vào hệ thống, cho phép quét mã QR khi sản phẩm di chuyển trên băng tải và sử dụng thuật toán để phân loại sản phẩm.
Hình 5.12 Kết quả phân loại sản phẩm
Trong quá trình thực nghiệm hệ thống, nhóm đã tiến hành kiểm tra tỷ lệ nhận diện vật của camera bằng cách liên tục đặt 100 sản phẩm mỗi loại và sắp xếp ngẫu nhiên để camera quét Kết quả kiểm tra cho thấy tỷ lệ nhận diện vật theo từng mã camera đã được tối ưu hóa và được tóm tắt trong bảng thống kê.
Bảng 5.1 Khả năng quét vật của camera
Sản phẩm phân loại Nhận diện đúng Không nhận diện Độ tin cậy
Nhận xét
Sau khi hoàn thiện mô hình và giải thuật, nhóm đã tiến hành thực nghiệm và robot hoạt động đúng yêu cầu Khả năng gắp vật của robot khi vật chưa ổn định tại điểm gắp vẫn còn hạn chế Mặc dù camera được cố định trên giá đỡ hai chân, nhưng khả năng quét của camera vẫn tương đối ổn định trong quá trình cánh tay robot di chuyển mà không bị rung lắc.
Hệ thống quét và xử lý tín hiệu của camera hoạt động tương đối tốt trong điều kiện ánh sáng ổn định, với khả năng quét mã chính xác Tuy nhiên, camera vẫn bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường khi có sự thay đổi đột ngột Nhóm chỉ có thể tối ưu tốc độ băng tải tối đa ở mức 1200mm/phút, do khi tốc độ vượt quá mức này, robot không thể gắp vật kịp thời, dẫn đến tình trạng gắp hụt hoặc vật rơi trong quá trình di chuyển Điều này khiến robot không gắp đúng vị trí, buộc nhóm phải giảm tốc độ băng tải xuống 1200mm/phút để đảm bảo quét vật ổn định nhất.
Tính toán tọa độ gắp thả vật cho robot hiện chưa hoàn hảo, dẫn đến việc đầu nam châm không hít chính xác vào giữa vật Thay vào đó, nó thường bị lệch sang một bên do nhóm chỉ có khả năng xác định tọa độ hít dựa trên mã QR, trong khi mã này thường không nằm ở trung tâm của vật.