Nguyên lí hoạt động của toàn bộ hệ thống
Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng camera để thu nhận hình ảnh sản phẩm khi di chuyển trên băng tải Hình ảnh sau đó được xử lý qua chương trình ứng dụng trí tuệ nhân tạo trên máy tính Kết quả xử lý sẽ được gửi xuống PLC để điều khiển cơ cấu chấp hành Nếu phát hiện sản phẩm lỗi, hệ thống sẽ gửi tín hiệu để loại bỏ sản phẩm khỏi dây chuyền Ngược lại, sản phẩm đạt tiêu chuẩn sẽ được giữ lại và tiến hành đóng gói.
Hình 1.1 Sơ đồ tín hiệu điều khiển.
Hệ thống phân loại sản phẩm bằng xử lí ảnh
Hệ thống camera thu nhận hình ảnh sản phẩm và xử lý theo yêu cầu của nhà sản xuất, bao gồm kiểm tra kích thước, màu sắc và vết nứt Hệ thống phân loại sản phẩm bằng camera rất linh hoạt, phục vụ nhiều lĩnh vực công nghiệp Tuy nhiên, hệ thống này có độ phức tạp cao và giá thành tương đối đắt.
Hình 1.2 Xử lý ảnh trong công nghiệp[ CITATION bao \l 1033 ]
Hệ thống kiểm tra sản phẩm dựa trên ứng dụng của việc xử lý ảnh Hệ thống này bao gồm ba phần chính:
Bộ phận thu thập thông tin ảnh bao gồm hệ thống camera và đèn chiếu sáng chuyên dụng, được lắp đặt trong buồng chắn sáng trên giá đỡ của hệ thống Buồng chắn sáng ngăn chặn ánh sáng tự nhiên, chỉ cho phép ánh sáng từ hệ thống chiếu sáng chiếu vào, tạo ra môi trường ánh sáng ổn định Khi sản phẩm đi qua, camera chụp lại bề mặt sản phẩm và gửi thông tin về phần mềm nhận dạng và phân loại Phần mềm này đối chiếu với dữ liệu ảnh đã được lưu trữ, xử lý và xác nhận loại sản phẩm cũng như chất lượng của nó.
Bộ phận xử lý tín hiệu hồi đáp đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển và giao tiếp giữa người và máy, bao gồm các nút bấm trên màn hình và các phím điều khiển.
Hệ thống bao gồm băng tải và các thiết bị phụ trợ nhằm loại bỏ sản phẩm lỗi Khi sản phẩm được nhận diện, hệ thống cơ khí sẽ nhận lệnh và thực hiện các phản ứng cần thiết Các xy lanh trong hệ thống phụ trợ sẽ đẩy sản phẩm lỗi vào vị trí đã được xác định trước.
Một số ưu điểm của ứng dụng xử lý ảnh trong việc kiểm tra sản phẩm so với một số ứng dụng khác có thể ra như sau:
- Linh hoạt trong việc thay đổi mẫu mã sản phẩm kiểm tra.
- Có khả năng kiểm tra được nhiều loại sản phẩm khác nhau.
Kiểm tra được những sản phẩm phức tạp.
Bên cạnh đó ứng dụng cũng có một số nhược điểm:
- Hệ thống có giá thành cao, phù hợp với dây chuyền sản xuất các sản phẩm phức tạp mà các công nghệ thông thường không áp dụng được.
- Đòi hỏi đội ngũ kỹ sư bảo dưỡng có kiến thức cơ bản về xử lý ảnh.
Đóng hộp
Đóng thuốc vào lọ – secondary packaging
Đóng gói thứ cấp là giai đoạn tiếp theo sau đóng gói chính, nơi các viên thuốc được chuyển từ khu vực đóng gói chính sang khu vực đóng gói thứ cấp qua băng chuyền Tại đây, các viên thuốc sẽ được kiểm tra lỗi; những viên đạt tiêu chuẩn sẽ được đẩy vào lọ Cuối cùng, băng chuyền đóng gói thực hiện việc đóng gói và dán nhãn cho sản phẩm.
11 – Cấp vỏ hộp, lọ 15 – Dán nhãn.
– Gấp các mép và nắp hộp
13 – Vận chuyển thuốc 17 – Kết thúc đóng gói.
Hình 1.3 Quy trình đóng gói[1]
Đóng gói hộp, lọ vào thùng
Đóng gói là giai đoạn cuối cùng trong quy trình sản xuất, diễn ra khi cần lưu trữ hoặc vận chuyển sản phẩm Các hộp và lọ thuốc từ “secondary packaging” được sắp xếp vào thùng carton, sau đó được dán nhãn và niêm phong cẩn thận.
Ý nghĩa của hệ thống
Hệ thống phân loại sản phẩm đã phát triển mạnh mẽ trong bối cảnh kinh tế toàn cầu và Việt Nam, góp phần quan trọng vào sự tiến bộ của khoa học và công nghệ Điều này không chỉ nâng cao chất lượng cuộc sống mà còn thúc đẩy sự phát triển kinh tế bền vững Hệ thống này cũng là nền tảng cho sự phát triển của các tập đoàn kinh tế toàn cầu, khẳng định vai trò thiết yếu trong việc cung cấp và phân phối sản phẩm Sự đa dạng về mẫu mã và chủng loại sản phẩm ngày càng tăng, đồng thời chất lượng được cải thiện rõ rệt, đáp ứng tốt hơn nhu cầu sức khỏe của con người.
Sự thay thế của máy móc và thiết bị hiện đại đã giảm thiểu đáng kể thời gian lao động trong quá trình sản xuất và các quy trình khác Những công việc khó khăn và phức tạp đã được tự động hóa, cho phép con người chỉ cần điều khiển hệ thống từ một buồng điều khiển riêng biệt Nhờ đó, sức khỏe và đời sống vật chất, tinh thần của con người ngày càng được nâng cao và cải thiện rõ rệt.
Kể từ khi ra đời, các vấn đề về sinh thái và ô nhiễm môi trường đang ở mức báo động, cùng với biến đổi khí hậu nhanh chóng gây ra những hậu quả nguy hiểm Những vấn đề này có thể đe dọa sự tồn tại bền lâu của con người Do đó, hệ thống đóng gói thuốc và các sản phẩm khác trong các hệ thống tự động trở nên vô cùng quan trọng trong thế kỷ này.
TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ
Yêu cầu của hệ thống cơ khí
Các yêu cầu thiết kế hệ thống cơ khí cần đạt thỏa mãn các điều kiện sau:
- Hệ thống cần đảm bảo độ cứng vững, độ bền, hoạt động ổn định và rung động ít.
- Có hệ thống chiếu sáng giảm tối đa các yếu tố nhiễu.
- Thiết kế thuận tiện cho tháo lắp, bố trí bộ điều khiển, các bộ phận khác
- Năng suất thiết kế phân loại trên 1450 sản phẩm/giờ
Từ các yêu cầu cần đáp ứng ở trên nhóm tiến hành thảo luận, nghiên cứu và đề xuất mô hình cơ khí như phần dưới.
Mô hình đề xuất
Hệ thống cơ khí phân loại sử dụng băng tải hoặc đĩa quay để kiểm tra sản phẩm Quá trình kiểm tra vỉ thuốc dựa trên việc xác định số lượng và màu sắc của thuốc.
Hình 2.4 Mô hình đề xuất
Cấu tạo các cụm của mô hình bao gồm:
- 3: Băng tải cấp thuốc và loại thuốc
Nhóm đã tiến hành thiết kế và tính toán các bộ phận chính của băng tải cấp lọ thuốc theo mô hình đã đề xuất.
Thiết kế hệ thống cấp phôi tự động
2.3.1 Phân tích đối tượng cần cấp
Với đề tài này nhóm sinh viên lựa chọn đối tượng là viên thuốc của có hình dáng như sau:
Hình 2.5 Sản phẩm của đề tài
Theo đó chi tiết viên thuốc có kích thước như sau:
Hình 2.6 Kích thước viên thuốc Đây là một chi tiết cho trọng lượng nhỏ, trọng tâm nằm trên trục đối xứng và nằng trung tâm của vật
Yêu cầu là tính toán và thiết kế cơ cấu cấp phôi để cung cấp thuốc vào dây chuyền sản xuất, đạt năng suất 180 viên/phút Việc kiểm nghiệm tính năng của cơ cấu này là cần thiết để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình sản xuất.
2.3.1.2 Chọn phương pháp và thiết bị cấp
Trong sản xuất tự động hiện nay, có nhiều phương pháp cấp phôi như băng tải, rôbốt và cấp phôi tự động bằng rung động Để đáp ứng yêu cầu về phôi và tiết kiệm chi phí, cơ cấu cấp phôi rung động xoắn vít là lựa chọn tối ưu Thiết bị này hoạt động như một phễu linh hoạt nhất cho các chi tiết nhỏ, cho phép chi tiết di chuyển dọc theo rãnh xoắn bên trong phễu trụ.
Hình 2.7 Cấu tạo của hệ thống cấp phôi rung động máng xoắn [ CITATION LêG15 \l
Phễu rung thường được gắn trên 3 hoặc 4 lò xo lá nghiêng, cố định trên nền cứng, với quá trình rung được truyền từ một nam châm điện Hệ thống chống đỡ giúp kiểm soát chuyển động của phễu, tạo ra ngẫu lực xoắn rung và rung theo phương thẳng đứng Chuyển động của chi tiết trên rãnh nghiêng được coi là chuyển động thẳng với góc nghiêng lớn hơn góc nghiêng của rãnh Khi phôi được đặt trong phễu, chuyển động rung sẽ đẩy chúng lên đầu ra, và sau khi qua các cơ cấu phân loại và định hướng, phôi sẽ đạt yêu cầu cho quá trình sản xuất.
2.3.2 Tính toán, thiết kế phễu rung của hệ thống
2.3.2.1 Các lực tác dụng lên phôi Để nghiên cứu cơ cấu cấp phôi kiểu rung động, người ta xét một cơ cấu 4 khâu bản lề chuyển động lắc trong mặt phẳng nằm ngang hoặc nằm nghiêng được mô tả như hình 2.4 và 2.5
Hình 2.8 Sơ đồ di chuyển phôi trên mặt phẳng nằm ngang[ CITATION LêG15 \l 1033 ]
Trong trường hợp một vật A có trọng lượng G được đặt trên thanh BC trong mặt phẳng ngang, khi thanh O1B quay sang phải một góc (α-α1) với tốc độ góc ω, vật A cùng với thanh BC sẽ chuyển động song phẳng xuống phía dưới Gia tốc chuyển động lớn nhất trong hành trình này được ký hiệu là a.
- F ms là lực ma sát của thuốc lên thành rãnh xoắn (N)
- a tđ là gia tốc theo phương thẳng đứng (m/s 2 )
- a n là gia tốc theo phương nằm ngang (m/s 2 )
- f là hệ số ma sát giữa vật và thanh
Khi tay quay O1B quay sang trái 1 góc (α-α 1 ) với tốc độ góc ω’ thì vật A cùng với thanh BC chuyển động lên phía trên Khi đó ta có:
F’ ms = m(g + a’ tđ).f(N) (2.3) và F’ qt = -m.a’ n (N) (2.4) thể hiện mối quan hệ giữa lực và gia tốc của vật A khi chuyển động lên trên Trong đó, a’ tđ và a’ n lần lượt là gia tốc theo hướng thẳng đứng và nằm ngang Nếu coi ω = ω’, thì a tđ = a’ tđ và a n = a’ n, dẫn đến một số hiện tượng có thể xảy ra trong quá trình chuyển động.
Khi vật chuyển động cùng thanh xuống thấp sang phía bên phải thì nếu F ms
< F qt thì vật A sẽ trượt trên thanh BC, có nghĩa là vị trí của vật A so với thanh
BC bây giờ sẽ ở lại phía sau, hay nói cách khác là vật A có chuyển động tương đối so với thanh BC về phía trái.
Khi thanh chuyển động lên phía trên và sang trái, lực ma sát (F ms) tăng lên Nếu F ms lớn hơn lực quán tính (F qt), vật A sẽ bám chắc vào thanh BC, không xảy ra chuyển động tương đối giữa vật A và thanh BC Từ đó, chúng ta có thể tổng hợp một chu trình chuyển động của thanh O1B với những nhận xét quan trọng.
Vị trí của vật A so với thanh BC đã bị dịch chuyển sang trái một lượng là s.
Nếu chu trình này lặp lại, vật A sẽ liên tục dịch chuyển sang trái so với thanh BC một khoảng s Khi cơ cấu hoạt động liên tục, sau một thời gian, vật A sẽ di chuyển tương đối so với thanh BC.
Trong trường hợp g < a th, lực F ms sẽ trở thành âm, dẫn đến việc vật A không còn tiếp xúc với thanh BC Khi đó, vật A sẽ có bước nhảy tương đối về phía trái so với thanh BC.
Trường hợp 2: Xét trường hợp thanh BC đặt trong mặt phẳng nghiêng so với mặt phẳng ngang 1 góc β (hình 2.5).
Hình 2.9 Sơ đồ di chuyển phôi trên mặt phẳng nằm nghiêng[ CITATION LêG15 \l
Cũng phân tích tương tự như trên với chú ý trọng lượng G của vật A được phân thành G n và G đ tương ứng với phương nằm ngang và phương thẳng đứng.
Thiết lập công thức tính toán F ms , F qt theo giá trị của G d và G n , a tđ và a n , ta có nhận xét sau:
Khi thanh BC di chuyển sang phải và xuống dưới, vật A cần có khả năng di chuyển tương đối sang trái so với thanh BC Điều này yêu cầu phải có những điều kiện nhất định để đảm bảo chuyển động của vật A diễn ra như mong muốn.
F qt ¿ F ms + G n (N) (2.6) Khi thanh quay về phía bên trái và lên trên thì điều kiện để vật không trượt trên thanh BC là:
F qt ¿ F ms + G n (N) (2.7) Nếu thỏa mãn cả 2 điều kiện trên thì sau một chu trình chuyển động của thanh
Khi vật A dịch chuyển tương đối so với thanh BC một khoảng s, nó sẽ có xu hướng di chuyển sang phía trái nếu cơ cấu hoạt động liên tục Sau một thời gian, vật A sẽ dần rời khỏi thanh BC.
Dựa trên các kết quả tính toán, các kiểu phễu rung động được chế tạo theo nguyên lý này Thanh BC được thay thế bằng một rãnh xoắn có góc nghiêng β, nhằm tăng chiều dài và cho phép vật A di chuyển trên khoảng chiều dài lớn hơn Điều này giúp vật A có thời gian định hướng và điều chỉnh vị trí trước khi chuyển đến máng chuyển phôi.
Cấu trúc 4 khâu bản lề trong sơ đồ nguyên lý đã được thay thế bằng cơ cấu rung động dựa trên thanh đàn hồi Lực tạo rung được sử dụng trong hệ thống này là nam châm điện từ.
Hình 2.10 Mô hình phễu cấp phôi kiểu rung [ CITATION LêG15 \l 1033 ]
2.3.2.2 Chọn vật liệu cho phễu rung
Viên thuốc dạng nén có hình dạng trụ, do đó phễu cần có kích thước trung bình để cung cấp đủ lượng phôi lớn trong một khoảng thời gian nhất định.
Bề mặt bên trong của phễu cần có độ nhẵn bóng cao để đảm bảo sự ổn định cho phôi trong quá trình gia công Phễu được thiết kế hình côn và phải đạt độ cứng vững cần thiết.
Vì vậy ta chọn vật liệu làm phễu là thép không gỉ (INOX SUS304).
2.3.2.3 Cân bằng năng suất của cơ cấu cấp phôi rung động
Băng tải
Băng tải là thành phần thiết yếu trong hệ thống phân loại sản phẩm, có chức năng vận chuyển phôi tới vị trí thao tác và được trang bị hệ thống con lăn Nguồn động lực chính của băng tải là động cơ điện, có thể là động cơ một chiều, động cơ 3 pha lồng sóc hoặc servo, tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống Để tạo ra moment đủ lớn, trục động cơ cần được nối với hộp giảm tốc trước khi ra tải Hai đầu băng tải được trang bị puli, và băng tải thường được làm từ vật liệu nhiều lớp, trong đó lớp dưới chịu kéo và tạo hình, còn lớp trên là lớp phủ, thường là cao su.
Hình 2.36 Băng tải công nghiệp[ CITATION Ngu11 \l 1033 ] Ưu điểm của băng tải.
Cấu tạo của sản phẩm rất đơn giản và bền bỉ, cho phép vận chuyển linh hoạt theo nhiều hướng khác nhau, bao gồm cả nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa hai hướng này.
Vốn đầu tư thấp, hệ thống tự động hóa dễ dàng, vận hành đơn giản và bảo trì thuận tiện là những ưu điểm nổi bật của thiết bị này Ngoài ra, nó còn đảm bảo độ tin cậy cao, năng suất vượt trội và tiêu thụ năng lượng thấp hơn so với các loại máy vận chuyển khác.
- Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải sau:
Băng tải dây dai có khả năng tải trọng dưới 50 kg, thường được sử dụng để vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc để di chuyển thùng chứa trong quá trình gia công cơ khí và lắp ráp.
Băng tải lá có khả năng vận chuyển các chi tiết trong vệ tinh với tải trọng từ 25 đến 125 kg, hỗ trợ hiệu quả trong quá trình gia công chuẩn bị phôi và lắp ráp Trong khi đó, băng tải thanh đẩy có thể vận chuyển các chi tiết lớn với trọng lượng từ 50 đến 250 kg, hoạt động hiệu quả trên khoảng cách lớn hơn 50m giữa các bộ phận.
Băng tải con lăn 30 - 500 kg Vận chuyển các chi tiết trên vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách < 50m
Hình 2.37 Danh sách các loại băng tải[ CITATION Ngu11 \l 1033 ]
Băng tải dạng cào được sử dụng để thu dọn phoi vụn với năng suất đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động 0,2m/s Chiều dài của băng tải này không hạn chế trong phạm vi kéo lên đến 10kN.
- Băng tải xoắn vít: có 2 kiểu cấu tạo:
+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm.
Băng tải 2 buồng xoắn gồm hai buồng xoắn song song, một buồng xoắn theo chiều phải và một buồng theo chiều trái Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được điều khiển bởi một tốc độ phân phối chuyển động.
- Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng.
Băng tải dây đai được lựa chọn trong đề tài vì nó đóng vai trò quan trọng trong việc vận chuyển sản phẩm trong hệ thống Loại băng tải này không chỉ đảm bảo hiệu quả trong quá trình di chuyển hàng hóa mà còn mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho các ứng dụng công nghiệp.
+ Tải trọng băng tải nhẹ.
+ Kết cấu cơ khí không quá phức tạp
+ Linh hoạt, dễ dàng hiệu chỉnh.
Mặc dù loại băng tải này có nhiều ưu điểm, nhưng cũng tồn tại một số nhược điểm, bao gồm độ chính xác vận hành không cao Điều này có thể do nhiều yếu tố, chẳng hạn như ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường và sự giảm độ ma sát của dây đai theo thời gian.
Hệ thống có các thông số đầu vào như sau:
- Nguồn lực đẩy phôi: xy lanh khí nén.
- Nguồn lực quay băng tải: động cơ điện.
- Chọn thời gian băng tải đặt tốc độ làm việc: t1 = 1 (s)
- Chiều dài băng tải: L= 610 (mm).
- Thông số hình học phôi: 16x8x6 (mm).
- Khối lượng lọ thuốc: m L = 50 (g)= 0,05 (kg).
- Khối lượng mâm xoay m m = 250 (g)= 0,25 (kg)
- Năng suất làm việc: N 1 = 24 (sp/phút), N 2 = 4 (lọ/phút)
- Diện tích tiết diện mặt cắt ngang: S (m 2 )
Hình 2.38 Sơ đồ phân bố phôi trên băng tải[ CITATION Ngu11 \l 1033 ]
Hình 2.39 Đồ thị biểu diễn quá trình tăng – giảm tốc của băng tải[ CITATION Ngu11 \l
2.4.3 Tính sơ bộ dữ liệu đầu vào.
2.4.3.1 Tính toán chọn dây đai băng tải sản phẩm Đặc điểm của dây đai băng tải: vải cao su
Hệ thống phân loại sản phẩm trong đồ án thiết kế có kích thước nhỏ với chiều dài 610 mm và công suất không lớn Do đó, loại băng tải được chọn là băng làm từ vải dệt sợi bông, một lớp, với bề rộng 60 mm.
− Chiều dày lớp bọc cao su bề mặt làm việc của băng tải: δ lv = 0,5 (mm)
− Chiều dày lớp bọc cao su của bề mặt không làm việc của băng tải: δ klv = 0,5 (mm)
− Chiều dày của lớp màng cốt: δ m =1 mm
Chiều dày của băng tải: h= δ lv +δ klv +δ m i= 0,5+ 0,5+ 1.1= 2(mm) (2.57)
(Trong đó i là số lớp màng cốt)
Hình 2.40 Mặt cắt dây đai[ CITATION Ngu11 \l 1033 ]
Tại một thời điểm, băng tải có 6 sản phẩm, do đó khoảng cách giữa mỗi sản phẩm là xa0÷52 (mm) Tổng khối lượng thuốc lớn nhất có thể đạt được trên băng tải tại thời điểm này là một yếu tố quan trọng cần xem xét.
M=n sp × m sp =6×0,001=0,006(kg) (2.58) Trong đó:
- n sp là số sản phẩm
- m sp là khối lượng sản phẩm Trong 1 phút, băng tải đi được quãng đường là: s=L × N m sp a0×24
6 =¿ 2440 (mm) (2.59) Vận tốc băng tải là: v=s t$40
Như vậy ta đã chọn được:
- Băng tải có chiều dày 2 mm
- Vận tốc băng tải là 40,67 mm/s
- Khoảng cách giữa các sản phẩm là 122 mm
- Thời gian một viên thuốc đi hết băng tải là 15 s
- Đường kính puly 30 mm và chiều dài 75 mm
2.4.3.2 Tính chọn băng tải lọ.
Băng tải lọ thuốc cho phép các lọ thuốc đứng yên trong thời gian chờ, trong khi băng tải vẫn hoạt động Thời gian chờ này phụ thuộc vào số lượng thuốc quy định cho mỗi lọ Với giả định mỗi lọ thuốc chứa 6 viên, băng tải có thể đóng gói 4 lọ trong 1 phút, do đó, số lượng lọ tối đa trên băng tải cùng lúc là 4 lọ.
Từ đây, ta tính toán và lựa chọn thông số băng tải như sau:
- Bề rộng băng tải 60 mm
- Chiều dày băng tải 2 mm
- Vận tốc băng tải là 40,67 mm/s
- Khoảng cách giữa các lọ là 203,33 mm
- Thời gian một lọ đi hết băng tải là 15 s
- Đường kính puly 30 mm và chiều dài 75 mm
Động cơ
Động cơ điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy móc và thiết bị Các loại động cơ điện thường được sử dụng để truyền động cho băng tải.
Động cơ không đồng bộ là loại động cơ phổ biến trong ngành công nghiệp nhờ vào giá thành rẻ và khả năng chống quá tải Tuy nhiên, việc điều khiển tốc độ của động cơ này gặp nhiều khó khăn và tốn kém chi phí.
Động cơ servo được thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín, nơi tín hiệu ra của động cơ được kết nối với mạch điều khiển Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được gửi trở lại mạch điều khiển Nếu có bất kỳ lý do nào cản trở chuyển động của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận diện rằng tín hiệu ra chưa đạt vị trí mong muốn Mạch điều khiển sẽ tiếp tục điều chỉnh sai lệch để động cơ đạt được độ chính xác cần thiết.
Động cơ đồng bộ là loại động cơ mà tốc độ quay của rotor tương đương với tốc độ của từ trường, không bị ảnh hưởng bởi tải hay điện áp lưới điện Hiệu suất của động cơ đồng bộ có thể rất cao, tuy nhiên, giá thành của nó lại khá cao và việc khởi động gặp nhiều khó khăn.
Động cơ điện một chiều hoạt động với dòng điện một chiều và được sử dụng phổ biến trong dân dụng nhờ vào giá thành rẻ và khả năng điều chỉnh tốc độ dễ dàng Đối với các ứng dụng công nghiệp, động cơ một chiều công suất lớn cung cấp moment khởi động lớn, phù hợp cho truyền động băng tải và hệ thống truyền động Do đó, lựa chọn động cơ một chiều là hợp lý cho đồ án này.
- Có cấu tạo đơn giản vận hành dễ dàng.
- Có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ với độ chính xác cao.
- Giá thành rẻ, mẫu mã đa dạng trên thị trường.
Hình 2.41 Động cơ 1 chiều[ CITATION san \l 1033 ]
2.5.2.1 Động cơ băng tải sản phẩm.
Khi tính chọn công suất động cơ cho thiết bị vận tải liên tục, thường dựa vào công suất cản tĩnh mà không cần xem xét chế độ quá độ do tần suất đóng cắt thấp Phụ tải của thiết bị này thường ổn định trong quá trình hoạt động, do đó không cần kiểm tra tình trạng quá tải Tuy nhiên, trong điều kiện làm việc nặng, việc kiểm tra theo điều kiện mở máy là cần thiết.
Công suất động cơ truyền động băng tải bao gồm 3 thành phần chủ yếu sau:
- Công suất P1 để dịch chuyển vật liệu.
- Công suất P2 để khắc phục tổn thất do ma sát trong các ổ đỡ, ma sát giữa băng tải và các con lăn khi băng tải chạy không tải.
- Công suất P3 để nâng băng tải (nếu băng tải nghiêng).
Băng tải hoạt động dựa trên nguyên lý truyền chuyển động thông qua lực ma sát giữa băng tải và con lăn Mô hình tính toán cho hệ thống này được xây dựng dựa trên nguyên lý này để đảm bảo hiệu suất làm việc tối ưu.
Hình 2.40 Các lực tác động lên băng tải[ CITATION TạH19 \l 1033 ]
- P: Trọng lượng của phôi (viên thuốc).
- Fc: lực căng băng tải
Giả sử băng tải trên bị võng đi một góc θ
Ta có phương trình như sau:
Hệ số ma sát giữa con lăn và băng tải là: μ
F𝑚𝑠 = F𝑐 𝜇 = 2 tan P μ θ (N) (2.62) Vậy lực ma sát và công suất P1 là:
- Hệ số ma sát lấy bằng: μ = 0,35
Lực cản do ma sát giữa con lăn và ổ lăn khi băng tải chuyển động không tải là:
- k 2 = 0,05: Hệ số tính đến lực cản khi không tải.
- 𝛿𝑏 = 1,1.B.𝛿 = 1,1.0,6.0,035 = 0,0231(kG/m): Khối lượng băng tải trên một mét chiều dài băng tải.
Công suất cần để khắc phục lực ma sát ổ lăn và con lăn:
- P3=0 do băng tải nằm ngang.
- Vậy công suất trên trục tang là:
- Công suất trên trục động cơ:
Với: k 3 = 1,3: hệ số dự trữ về công suất. η = 0,98: hệ số truyền tải công suất của bộ truyền đai
Sản phẩm là viên thuốc nhỏ gọn, do đó góc võng gần như bằng 0 Điều này cho phép chúng ta lựa chọn công suất động cơ phù hợp với tốc độ và tính kinh tế.
- Tốc độ quay của trục máy:
- Tỷ số truyền hộp giảm tốc bánh răng: N11 (u)
- Số vòng quay sơ bộ của động cơ: nđc = u.n = 11.25 = 275 (v/p)
- v: vận tốc của băng tải
- Chọn động cơ thỏa mãn điều kiện: Pđc > Pct; nđc ≈ n
- Chọn số vòng quay đồng bộ của động cơ: n đc = 285 (vòng/phút)
Hình 2.42 Thông số kỹ thuật động cơ TG-85B-SG-gear ratio = 1/15[ CITATION www1 \l 1033 ]
Ta chọn động cơ gearmotor DC: TG-85B-SG (12V) -gear ratio = 1/15. (hãng TSUKASA ELECTRIC CO).
2.5.2.2 Động cơ băng tải lọ.
Thông số trọng lượng lọ là: P L = 0,05.9,8 = 0,49 (N)
Số lọ trên băng tải cùng lúc: n = 4 Tải trọng lớn nhất P=P L n=0,49.4=1,96(N) Tính toán tương tự như phần trên, ta được các thông số:
- Công suất trên trục động cơ: P đc =¿ 0,8 (W)
- Số vòng quay sơ bộ động cơ: n đc '5(vòng/phút)
Từ đây, ta chọn động cơ gearmotor DC: TG-85B-SG (12V) -gear ratio = 1/15. (hãng TSUKASA ELECTRIC CO).
- Đường kính mâm xoay: d= 200 (mm)
- Khối lượng mâm xoay m m = 250 (g) = 0,25 (kg)
- Thời gian di chuyển từ từ vị trí nhận thuốc đến đóng nắp: t = 2s Trọng lượng mâm xoay: P m = 0,25.9,8 = 2,45 (N)
Với số lọ tối đa trên mâm là 4 nên lực ma sát trượt tối đa là:
F ms =4μN=4.0,15.(0.059+0,49)=0,33 (N) Tải trọng lớn nhất: P=P m +F ms =2,45+0,33=2,78(N)
Ta tính được vận tốc: v=π d/4.t 0π/4.2x,54¿ ¿ ¿Sau đó ta tính toán tương tự phần trên:
- Công suất động cơ: P đc =2,9(W)
- Số vòng quay sơ bộ động cơ: n đc ,5 (vòng/phút)
Hình 2.43 Thông số kỹ thuật động cơ TG-85B-SG-gear ratio = 1/50[ CITATION www1 \l 1033 ]
Từ đây, ta chọn động cơ gearmotor DC: TG-85B-SG (12V) -gear ratio = 1/50.(hãng TSUKASA ELECTRIC CO).
Ổ lăn
Thời gian sử dụng ổ lăn: L h = 25000h.
Số vòng quay của trục: n = ν
= 26 (vg/ph) Ổ lăn không chịu lực dọc trục mà chỉ chịu lực hướng tâm:
Vì ổ không chịu tác dụng của tải trọng dọc trục nên chọn ổ bi đỡ 1 dãy cỡ siêu nhẹ, kí hiệu 1000904 có: C = 2,10kN; C 0 = 1,07kN
Tỉ số F a / C o = 0 < e với e=1,5 tan ∝ , ∝ là góc tiếp xúc; vòng trong quay nên
= 1,68 39,68 1/3 = 5,73 (N) = 0,00573 (kN) < 𝐶 = 2,1 (kN) Điều kiện thỏa mãn.
Vậy ổ lăn chúng ta chọn là ổ bi đỡ 1 dãy với các thông số sau:
Xy lanh khí nén
Hình 2.44 Hình chiếu bằng của hệ thống phân loại[ CITATION TạH19 \l 1033 ]
Tốc độ của xy lanh (v) được tính bằng mm/s và phụ thuộc vào áp suất cũng như việc điều chỉnh van tiết lưu Để xác định v, cần xem xét tốc độ băng tải và khoảng cách giữa các viên thuốc.
− W là hành trình của xy lanh, chọn W = 75 (mm)
Thời gian hành trình của xy lanh được chọn là t = 0,5 giây Do viên thuốc có khối lượng nhẹ, việc tính toán lựa chọn xy lanh chỉ cần tập trung vào hành trình (stroke) Nhóm đã quyết định sử dụng xy lanh CXSJ M6-20, với các thông số kỹ thuật và ý nghĩa ký hiệu được thể hiện trong hình dưới đây.
Hình 2.42 Thông số kỹ thuật xylanh CXSJ series[ CITATION ca0 \l 1033 ]
Hình 2.45 Ý nghĩa các ký hiệu của xylanh CXSJ series[ CITATION ca0 \l 1033 ]
Cơ cấu đóng nắp lọ
Hình 2.46 Cơ cấu cấp, đóng lọ
2.8.1 Cấu tạo máy đóng nắp lọ Máy đóng nắp lọ tự động có cấu tạo gồm 4 bộ phận chính:
- Cơ cấu đóng nắp lọ
Mỗi bộ phận đảm nhiệm chức năng riêng nhưng vẫn đảm bảo phối hợp với nhau để mang lại hiệu suất làm việc tốt nhất.
Viên thuốc sau khi được kiểm tra lỗi sẽ được chuyển đến hộp chứa thuốc Bộ đếm sẽ xác định đủ số lượng viên thuốc trong một lọ, sau đó động cơ sẽ xoay bàn xoay để đưa lọ đến vị trí cấp nắp Tại đây, cơ cấu xy lanh khí nén sẽ hoạt động để thực hiện việc đóng nắp Sau khi nắp được đóng xong, mâm xoay sẽ tiếp tục di chuyển hộp thuốc đến khu vực băng tải tiếp theo để thực hiện quy trình tiếp theo.
Cách thức hoạt động của máy đóng lọ tự động:
- Máy đóng nắp lọ tự động vận hành thông qua màn hình điều khiển PLC.
- Máy được kết nối với nguồn điện 220V
- Thiết lập chế độ dập lọ.
- Nắp lọ sẽ được điều chỉnh thông qua nút tính năng trên máy.
- Máy vận hành liên tục với chế độ đã được bạn thiết lập sẵn trước đó. Ưu điểm:
- Rung động và tiếng ồn.
- Xy lanh chặn có thể gây bóp méo lọ thuốc.
HỆ THỐNG ĐIỆN, ĐIỀU KHIỂN
Giới thiệu các thiết bị điện cơ bản sử dụng trong hệ thống
Theo yêu cầu bài toán ta có danh sách các thiết bị đầu vào và đầu ra như sau:
Bảng 3.3 Các thiết bị đầu vào/ ra của bài toán. Đầu vào Đầu ra
Nút nhấn START Băng tải thuốc
Nút nhấn STOP Băng tải lọ
Nút nhấn RESET Mâm xoay
Cảm biến phát hiện thuốc vào vùng nhìn camera
Xylanh đẩy sản phẩm lỗi
Cảm biến dừng mâm xoay
Cảm biến đếm thuốc đạt Động cơ cấp phôi
Từ đây, ta có bảng thống kê các thiết bị sử dụng trong bài toán.
Bảng 3.4 Danh sách thiết bị cơ bản sử dụng trong hệ thống điện, điều khiển.
Van điện từ (van đảo chiều) 2
Sau đây là thông tin về một số thiết bị được sử dụng.
Nút ấn là công tắc đơn giản điều khiển hoạt động của máy hoặc quá trình, thường được làm từ nhựa hoặc kim loại Hình dạng nút ấn được thiết kế để phù hợp với ngón tay hoặc bàn tay, tạo thuận tiện trong sử dụng Có hai loại nút ấn chính: nút nhấn thường mở và nút nhấn thường đóng.
Cấu tạo và nguyên lý hoạt động:
Nút nhấn bao gồm một hệ thống lò xo, các tiếp điểm thường mở và thường đóng, cùng với vỏ bảo vệ Khi được kích hoạt, các tiếp điểm sẽ thay đổi trạng thái, và khi không còn tác động, chúng sẽ trở về trạng thái ban đầu.
Nút ấn thường được lắp đặt trên bảng điều khiển và trong tủ điện, với các loại nút ấn phổ biến có dòng định mức 5A và điện áp ổn định 400V Chúng có tuổi thọ điện lên đến 200.000 lần đóng ngắt và tuổi thọ cơ khí đạt 1.000.000 lần Màu sắc của nút ấn cũng có ý nghĩa riêng: nút màu đỏ thường được sử dụng để tắt máy, nút màu xanh để khởi động, và nút màu vàng để báo lỗi hệ thống.
Hình 3.47 Nút nhấn[ CITATION htt \l 1033 ]
Bên trên là hình ảnh nút nhấn được sử dụng trong hệ thống.
Cảm biến là thiết bị chuyển đổi các đại lượng không điện như nhiệt độ, áp suất, ánh sáng, tốc độ và lưu lượng thành tín hiệu điện tiêu chuẩn như mA và mV, cung cấp thông tin cho bộ điều khiển phân tích Chúng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống thu thập thông tin, giúp bộ điều khiển hoạt động hiệu quả Các loại cảm biến phổ biến trong công nghiệp bao gồm cảm biến nhiệt độ, cảm biến quang, cảm biến áp suất, cảm biến lưu lượng và cảm biến tiệm cận.
Để phát hiện viên thuốc trên băng tải và hộp thuốc vào vị trí, có thể áp dụng một số giải pháp sử dụng các loại cảm biến khác nhau.
Cảm biến tiệm cận là một trong những thiết bị quan trọng trên thị trường, với nhiều loại khác nhau và những ưu nhược điểm riêng Trong đồ án này, nhóm đã chọn sử dụng cảm biến tiệm cận để phân loại sản phẩm trên băng tải, đáp ứng yêu cầu về tính năng công nghệ Phôi được đưa vào băng chuyền thông qua hệ thống máng rung, và cảm biến sẽ phát hiện sự xuất hiện của đối tượng, tính toán thời gian dừng lại tại vị trí có camera để thực hiện chụp và xử lý ảnh Ngoài ra, một cảm biến sẽ đảm nhiệm việc phát hiện lọ vào vị trí hứng thuốc, trong khi cảm biến khác dùng để đếm số lượng thuốc đã vào lọ.
Sau khi lựa chọn các sản phẩm cảm biến trên thị trường, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến Omron E3F – DS30B4 (PNP) Đây là cảm biến khoảng cách hồng ngoại, có khả năng phát hiện vật cản trong khoảng cách từ 0 đến 30 cm Với công nghệ hồng ngoại, cảm biến này mang lại độ phản hồi nhanh và độ chính xác cao trong việc phát hiện vật cản.
Hình 3.48 Cảm biến Omron E3F-DS30B4[ CITATION htt1 \l 1033 ]
- Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở
- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ
- Màu sắc: đen và vàng
Sơ đồ đấu nối dây
- Dây màu xanh dương: GND
- Dây màu đen: tín hiệu PNP thường hở
3.1.3 Van đảo chiều. Để điều khiển xylanh khí nén ta sẽ sử dụng van đảo chiều.
Van đảo chiều khí nén, hay còn gọi là van điện từ khí nén, là thiết bị điều chỉnh hướng và dòng chảy của khí nén Chức năng chính của van điện từ khí nén là đóng hoặc ngắt dòng khí, đồng thời điều chỉnh hướng dòng khí một cách hiệu quả Loại van này được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp.
Van điện từ khí nén có nhiều loại khác nhau, nhưng chúng có thể được phân loại dựa trên các đặc điểm chung như số cửa, số vị trí và số tín hiệu điện tác động.
Số vị trí của van điện từ khí nén là số chỗ định vị con trượt, thường gặp là hai hoặc ba vị trí, nhưng trong một số trường hợp đặc biệt, van có thể có nhiều hơn.
- Số cửa: là số lỗ để dẫn khí nén vào hoặc ra, số cửa của van điện từ khí nén thường dung là 2,3,4,5 Đối khi có thể nhiều hơn.
Số tín hiệu điện (cuộn Coil) là tín hiệu điện từ dùng để điều khiển con trượt di chuyển giữa các vị trí khác nhau Số lượng cuộn coil có thể là một hoặc hai, tùy thuộc vào thiết kế và yêu cầu của hệ thống.
Hình 3.49 Van đảo chiều điện từ[ CITATION htt5 \l 1033 ]
Trong mô hình này, chúng tôi đã chọn van điện từ 5/2 với điều khiển từ một phía Van 5/2 có cấu tạo gồm 5 cổng làm việc: một cổng cấp khí vào, hai cổng xả khí ra và hai cửa xả riêng biệt cho mỗi trạng thái, với tổng cộng hai trạng thái hoạt động.
Hình 3.50 Van đảo chiều 5/2[ CITATION htt5 \l 1033 ]
Van 5/2 có khả năng điều khiển điện từ một hoặc cả hai phía, với đặc điểm nổi bật là phần tử nhớ 2 trạng thái Chính vì vậy, sản phẩm này được ưa chuộng trong ứng dụng làm van đảo chiều, giúp điều khiển xy lanh tác dụng kép một cách hiệu quả.
Van 5/2 được sử dụng để điều khiển các bộ truyền động khí nén tác động kép như xi lanh, kẹp và bộ truyền động quay Những bộ truyền động này cần khí nén để hoạt động và di chuyển theo cả hai hướng.
Rơ le là thiết bị được sử dụng để kiểm soát mạch điện thông qua tín hiệu công suất thấp, đảm bảo cách điện hoàn toàn giữa mạch điều khiển và mạch kiểm soát Nó cũng cho phép kiểm soát các mạch khác nhau bằng tín hiệu, mang lại sự linh hoạt trong việc điều khiển hệ thống điện.
Trong mô hình hệ thống phân loại và đóng ống sản phẩm nay đã sử dụng relay trung gian MY2NJ của OMRON.
Hình 3.51 Relay trung gian Omron MY2NJ[ CITATION htt3 \l 1033 ]
Các thông số của MY2NJ:
- Điện áp cuộn dây: 24 VDC có led báo hiển thị.
- Thông số của tiếp điểm: 5A – 24VDC.
Bài toán điều khiển
3.2.1 Bài toán và yêu cầu.
- Mục tiêu của đề tài là phân loại và đóng gói thuốc nên phần tử được điều khiển là băng chuyền, thiết bị phân tách và đóng gói thuốc.
- Bộ điều khiển trung tâm hoạt động khi có tín hiệu khởi động.
- PC thực hiện nhiệm vụ xử lý ảnh và gửi tín hiệu xuống PLC.
Nhấn nút START để khởi động băng tải sản phẩm và băng tải hộp, kích hoạt động cơ cấp phôi Sau 6 giây, động cơ mâm xoay sẽ hoạt động Lưu ý rằng động cơ cấp phôi chỉ hoạt động khi băng tải sản phẩm đang chạy.
CB2 gửi tín hiệu dừng băng tải thuốc để thực hiện chụp ảnh Khi băng tải dừng, PLC gán địa chỉ MW300 = 1 để kích hoạt tín hiệu chụp ảnh Ảnh sau đó được chuyển lên máy tính để xử lý Nếu sản phẩm được xác định là NG (sản phẩm lỗi), máy tính sẽ gán địa chỉ MW100 = 1.
Khi MW100 bằng 1, tín hiệu được cấp cho van điện từ để điều khiển xylanh 2 đẩy sản phẩm Đồng thời, số lượng sản phẩm lỗi (NG) sẽ tăng lên 1 Nếu số lượng sản phẩm lỗi đạt đến mức đã được thiết lập trước, hệ thống sẽ tự động dừng hoạt động.
Nếu CB3 phát tín hiệu, hãy thiết lập T2 là 1.5 giây Sau khi có T2, biến đếm sản phẩm G (C1) sẽ tăng thêm 1 Khi C1 đạt đủ số lượng sản phẩm đã đặt trước, động cơ mâm xoay sẽ được kích hoạt.
Khi hộp đi qua cảm biến 1, động cơ mâm xoay sẽ dừng hoạt động và kích hoạt timer T0 trong 2 giây Sau khi nhận tín hiệu từ T0, động cơ vặn nắp và van điện từ điều khiển xylanh 1 sẽ được kích hoạt để thực hiện việc vặn nắp hộp trong 2 giây.
Nhấn STOP hệ thống dừng hoạt động Nhấn RESET các thông số trong hệ thống về 0.
Từ yêu cầu bài toán ta có sơ đồ tín hiệu điều khiển sau:
Hình 3.56 Sơ đồ tín hiệu điều khiển.
Xylanh 1 – xylanh đẩy sản phẩm lỗi.
Từ đây ta có lưu đồ điều khiển như sau:
Hình 3.57 Lưu đồ điều khiển của hệ thống.
TIA Portal là phần mềm lập trình cho thiết bị điều khiển logic (PLC) trong công nghiệp Khác với các hệ thống lập trình trước đây, TIA Portal tích hợp đầy đủ các chức năng lập trình, giám sát và điều khiển thiết bị, cho phép người dùng thiết kế hệ thống điều khiển một cách hiệu quả Đây là phiên bản hoàn thiện nhất cho việc thiết kế trên nền tảng điều khiển bằng PLC, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc và nâng cao hiệu suất sản xuất.
Hình 3.58 Lập trình và mô phỏng trên Tia Portal V15.1
1.1.3 Các biến sử dụng trong chương trình.
3.2.2.1 Các kiểu dữ liệu thường dùng.
- Bool: chỉ có giá trị 0 và 1.
- Byte: 1byte bằng 8 bit, có giá trị từ 0-255.
- Word: 16 bit, số nguyên dương từ 0 đến 65535.
- Dword: 32bit, số nguyên dương từ 0 đến 2 32 – 1.
3.2.2.2 Bit tín hiệu đầu vào (Input)/ đầu ra (Output).
Bảng 3.5 Địa chỉ và tên Tag của các tín hiệu đầu vào trên Tia Portal
Bit đầu vào phần cứng Tag Bit đầu vào mô phỏng Tag
- I0.3 (M1.3): CB1 – cảm biến phát hiện hộp
- I0.4 (M1.4): CB2 – cảm biến phát hiện thuốc vào vùng chụp ảnh
- I0.5(M1.5): CB3 – cảm biến đếm thuốc đạt
- MW100: biến lấy tín hiệu từ xử lý ảnh gửi xuống PLC.
3.2.2.3 Tín hiệu ra điều khiển (Output) Bảng 3.6 Địa chỉ và tên Tag tín hiệu đầu ra trên Tia Portal.
- Q0.0: điều khiển băng tải sản phẩm (BT1).
- Q0.1: điều khiển băng tải hộp (BT2).
- Q0.2: điều khiển động cơ mâm xoay.
- Q0.4: điều khiển van điện từ xy lanh vặn nắp (Xylanh 1).
- Q0.5: điều khiển van điện từ xy lanh đẩy sản phẩm lỗi (Xylanh 2).
- Q0.6: điều khiển động cơ cấp phôi.
- MW300: tín hiệu gửi xuống PC để chụp ảnh.
3.2.3 Thiết kế giao diện HMI.
HMI, viết tắt của Human-Machine Interface, là thiết bị giao tiếp giữa con người và máy móc Đúng hơn, bất kỳ phương thức nào mà con người tương tác với máy móc thông qua một màn hình giao diện đều được gọi là HMI.
HMI đóng vai trò quan trọng trong việc hỗ trợ người vận hành, đặc biệt khi quá trình tự động hóa trong sản xuất ngày càng gia tăng Sự cần thiết phải có thêm thông tin về quy trình đã thúc đẩy sự phát triển của các thiết bị HMI nhỏ gọn và linh hoạt, giúp giám sát và điều khiển hiệu quả Với công nghệ hiện đại như màn hình tinh thể lỏng và máy tính nhúng, HMI ngày càng khẳng định vị trí và tầm quan trọng trong hệ thống tự động hóa công nghiệp.
Những đặc điểm của HMI hiện đại:
- Tính đầy đủ kịp thời và chính xác của thông tin.
- Tính mềm dẻo dễ thay đổi bổ xung thông tin cần thiết.
- Tính đơn giản của hệ thống, dễ mở rộng, vận hành, sửa chữa.
- Có khả năng kết nối mạnh, kết nối với nhiều loại thiết bị và giao thức.
- Khả năng lưu trữ cao.
3.2.3.1 Vị trí của HMI trong hệ thống tự động hóa hiện đại
HMI luôn có trong hệ thống tự động hóa hiện đại, vị trí của HMI ở cấp điều khiển, giám sát.
Hình 3.59 Vị trí của HMI trong hệ thống tự động hóa hiện đại[ CITATION htt6 \l
Với vai trò thiết yếu của HMI trong hệ thống tự động hóa, nhóm chúng em đã quyết định thiết kế mô phỏng giao diện HMI cho đề tài của mình.
Hình 3.60 Màn hình giám sát HMI
Các b c thi t k giao di n HMI:ướ ế ế ệ
- Ch n và v các kh i c n s d ng, sau ó g n tag bi n c n i u khi n choọ ẽ ố ầ ử ụ đ ắ ế ầ đ ề ể chúng.
- T o chuy n ng, thay i tr ng thái chuy n ng cho các kh i.ạ ể độ đổ ạ ể độ ố
3.2.4 Bài toán kết nối PLC với Python.
Hiện nay, có nhiều lựa chọn để kết nối với PLC, đặc biệt là PLC của Siemens, thông qua các công cụ lập trình Một trong những giải pháp nổi bật là OPC UA, được xem là giao thức nền tảng cho công nghiệp 4.0.
OPC UA là một chuẩn truyền thông bậc cao, độc lập, phát triển bởi hiệp hội OPC Foundation, khác biệt hoàn toàn so với phiên bản trước là OPC DA Cụm từ Open Platform Communication (OPC) Unified Architecture (UA) được sử dụng để thay thế thuật ngữ lỗi thời OLE for Process Control của OPC DA và các đặc tả khác.
Đề tài này áp dụng Python kết hợp với PLC nhằm giảm thời gian và đơn giản hóa bài toán điều khiển Đặc biệt, đồ án sử dụng thư viện Snap7, một thư viện mã nguồn mở, hỗ trợ các hệ điều hành 32/64 bit và giao tiếp đa nền tảng với Siemens S7 PLC qua cổng Ethernet.
Một PLC Client là một thiết bị quen thuộc, với hầu hết các trình điều khiển truyền thông PLC trên thị trường đều hoạt động như máy khách Giống như OPC, Snap7 cũng là một máy khách, hỗ trợ hầu hết các giao thức giao tiếp với dòng S7 Nó có khả năng đọc và ghi toàn bộ bộ nhớ PLC, bao gồm In/Out/DB/Merkers/Timer/Counter, thực hiện các thao tác như Upload/Download, và điều khiển PLC với các chức năng như Run/Stop/Compress Ngoài ra, Snap7 còn đáp ứng các yêu cầu về bảo mật như đặt và xóa mật khẩu, cùng với hầu hết các chức năng mà Simatic Manager hay TIA Portal cung cấp.
Thư viện Snap7 được thiết kế để ghi nhớ việc truyền dữ liệu quan trọng trong công nghiệp liên quan đến các mạng có rất nhiều PLC.
Hình 3.61 Mô hình truyền thông của Snap7[ CITATION htt6 \l 1033 ]
Hình 3.62 Danh sách tương thích của Snap7[ CITATION Ngu18 \l 1033 ]
CHƯƠNG TRÌNH PHÂN LOẠI THUỐC ỨNG DỤNG XỬ LÝ ẢNH VÀ CÔNG NGHỆ HỌC MÁY
Thuật toán
Bộ lọc Gauss là một trong những bộ lọc hiệu quả nhất, hoạt động bằng cách nhân chập ảnh đầu vào với ma trận lọc Gauss và cộng lại để tạo ra ảnh đầu ra Ý tưởng chính là giá trị của mỗi điểm ảnh phụ thuộc nhiều vào các điểm ảnh lân cận hơn là các điểm ảnh xa hơn, với trọng số phụ thuộc được xác định theo hàm Gauss, tương tự như quy luật phân phối chuẩn.
Hình 4.63 Biểu diễn ma trận lọc Gauss[ CITATION blo \l 1033 ]
Trong một bức ảnh, điểm ảnh ở trung tâm có trọng số lớn nhất, trong khi các điểm ảnh xa trung tâm sẽ có trọng số giảm dần theo khoảng cách Do đó, những điểm ảnh gần trung tâm sẽ đóng góp nhiều hơn vào giá trị của điểm trung tâm.
Chú ý: Trên thực tế, việc lọc ảnh dựa trên hàm Gauss 2 chiều (ngang và dọc) Phân phối chuẩn 2 chiều có thể biểu diễn dưới dạng:
- σ 2 là phương sai của các biến số x và y.
- Tham số μ quyết định tác dụng của bộ lọc Gauss lên ảnh Độ lớn của ma trận lọc (kernel) cần được lựa chọn cho đủ rộng.
Trong chương trình, chúng tôi đã sử dụng Canny Detection để phân tách vùng ảnh Canny Detection là một thuật toán phát hiện góc cạnh rất phổ biến Thuật toán này bao gồm bốn bước tổng quát.
1 Lấy đạo hàm của ảnh theo chiều ngang và dọc theo phân phối Gaussian
2 Tính cường độ và hướng của Gradient
4 Sử dụng Threshold để tạo loại bỏ cạnh gỉa, xác định cạnh thực sự (real edge)
B1: Lấy đạo hàm theo phân phối Gaussian
Chúng ta thực hiện việc lấy đạo hàm theo chiều ngang x (Gx) và chiều dọc y (Gy) Hướng của gradient luôn vuông góc với các cạnh, do đó, khi lấy đạo hàm theo chiều ngang x (Gx), chúng ta sẽ thu được các nét dọc, trong khi việc lấy đạo hàm theo chiều dọc y (Gy) sẽ cho ra các nét ngang của bức ảnh.
Hình 4.64 Đạo hàm ảnh theo chiều ngang (x) và dọc (y)[ CITATION www2 \l 1033 ]
B2: Tính cường độ và hướng gradient
Từ kết quả tính đạo hàm theo hướng x và y trên ảnh đầu vào, ta tính cường độ gradient và hướng của mỗi pixel theo công thức:
Để làm cho các đường biên trong hình ảnh trở nên sắc nét và mảnh hơn giống như ảnh gốc, chúng ta áp dụng kỹ thuật Non-maximum suppression nhằm loại bỏ các pixel thừa không cần thiết.
Hình 4.65 Cường độ và hướng của gradient[ CITATION www2 \l 1033 ]
Thuật toán Non-maximum suppression hoạt động bằng cách xác định một pixel A nằm trên một cạnh Vector gradient direction của pixel A sẽ vuông góc với cạnh Trên vector này, có thể có nhiều pixel khác như B và C Ba pixel A, B, C cùng mô tả một điểm trên cạnh ban đầu, do đó, chúng ta cần so sánh giá trị giữa A, B và C để xác định pixel nào có giá trị lớn nhất Cuối cùng, hai pixel còn lại sẽ bị loại bỏ bằng cách đặt giá trị của chúng bằng 0.
Hình 4.66 Kết quả thuật Non – maximum suppression[ CITATION www2 \l 1033 ]
Bước này xác định xem cạnh dự đoán ở các bước trước có phải là cạnh thực sự hay không, dựa vào hai ngưỡng giá trị threshold là Vmax và Vmin Thuật toán được triển khai dựa trên hai giá trị này.
Nếu cường độ của gradient (Magnitude) > Vmax thì đó là chắc chắn là một cạnh (strong edge)
Nếu Magnitude < low threshold < Vmin thì đó là noise
Nếu Vmin < Magnitude < Vmax thì đó là một cạnh yếu chưa xác định được là cạnh hay nhiễu (weak edge)
Đối với những weak edge, nếu cạnh nào có kết nối với một strong edge thì weak edge đó là cạnh, nếu không sẽ là noise
Hình 4.67 Ngưỡng lựa chọn trong threshould[ CITATION www2 \l 1033 ]
Ví dụ ở hình trên A nằm trên ngưỡng Vmax nên A chắc chắn là cạnh (strong edge) C nằm giữa ngường Vmax và Vmin nên C là cạnh yếu (weak edge) nhưng
C kết nối với cạnh mạnh A, do đó C cũng được coi là một cạnh Mặc dù B nằm trong ngưỡng tương tự như C, nhưng vì không kết nối với cạnh nào một cách chắc chắn, B được xác định là nhiễu.
4.1.3 Thuật toán trích chọn đặc trưng HOG
Nghiệm vụ của trích chon đặc trưng là giảm số lượng thông tin trong ảnh nhưng vẫn giữ đủ thông tin để phân loại.
B1: Tính Gradient là bước đầu tiên trong quá trình xử lý ảnh, thực hiện bằng cách nhân chập ảnh gốc với hai chiều tương ứng với các toán tử đạo hàm theo hai hướng Ox và Oy.
2 hướng tương ứng đó là:
T là phép toán chuyển vị ma trận.
Và nếu bạn có một ảnh input là I, ta sẽ có 2 ảnh đạo hàm riêng theo 2 hướng đó, theo công thức:
I y =I D y (4.5) Khi đó, bạn có thể tính được Gradient bao gồm hai thành phần cường độ (Gradient Magnitude) và hướng (Gradient Derection) theo công thức 4.6 và 4.7: ¿G∨¿√ I x 2 + I y 2 (4.6)
Hình 4.68 Ví dụ sử dụngTheshould[ CITATION www2 \l 1033 ] θ = arctan I I x y (4.7)
Ví dụ: Giả sử ta có một điểm ảnh như sau
Chúng ta sẽ áp dụng các công thức trên để tính được gradient của điểm ảnh này:
Đối với hình ảnh màu, gradient của ba kênh (đỏ, xanh lá và xanh dương) được đánh giá bằng cách xác định độ lớn và góc của gradient tại mỗi điểm ảnh Độ lớn gradient tại một điểm ảnh là giá trị lớn nhất của cường độ gradient của ba kênh, trong khi góc tương ứng với gradient tối đa.
Sau bước này, kết quả thu được sẽ là:
Hình 4.70 Kết quả của Gradient 3 kênh[ CITATION www3 \l 1033 ]
Để tính toán vector đặc trưng cho từng ô (cell), chúng ta cần chia hình ảnh thành các block, và mỗi block sẽ được chia thành các cell Số lượng block được xác định bằng công thức: n block image = (w image − w block w cell w cell + 1) (H image − H block H cell).
H cell +1) (4.8) image w , w block , w cell : lần lượt là chiều rộng của ảnh, số khối, số ô
Hình 4.69 Minh họa điểm ảnh [ CITATION www3 \l 1033 ] image
H , H block , H cell : lần lượt là chiều dài của ảnh, số khối, số ô
Các block có thể xếp chồng lên nhau như hình:
Sau khi xác định số block và kích thước mỗi block, cell, để tính toán vector đặc trưng cho từng cell, chúng ta cần:
1 Chia không gian hướng thành p bin (số chiều vector đặc trưng của ô).
2 Rời rạc hóa góc hướng nghiêng tại mỗi điểm ảnh vào trong các bin.
Giả sử góc hướng nghiêng tại pixel ở vị trí (x, y) có độ lớn là α (x, y) Trường hợp rời rạc hóa unsigned-HOG với p=9:
Trường hợp rời rạc hóa signed- HOG với p:
Giá trị bin được xác định bởi tổng cường độ biến thiên của các pixel trong bin Sau khi tính toán đặc trưng ô, các vector đặc trưng ô sẽ được nối lại để tạo thành vector đặc trưng khối Kích thước của vector đặc trưng khối được tính theo công thức: kích thước khối = n kích thước ô.
- siz e cell : là số chiều của vector đặc trưng ô ( siz e cell =¿ 9 nếu sử dụng “ unsigned-HOG và siz e cell =¿ 18 nếu sử dụng “signed-HOG”).
Ví dụ: Trong trường hợp này, hình ảnh của chúng ta có kích thước là 64x128, ta sẽ chia mỗi hình ảnh thành các block có kích thước 16x16.
Hình 4.71 Khối Block[ CITATION www3 \l 1033 ]
Hình 4.72 Ví dụ về size ảnh
Mỗi block trong hệ thống sẽ được cấu thành từ 4 cell, với kích thước mỗi cell là 8x8 Tiến trình tiếp theo là tính toán đặc trưng HOG cho từng cell, sử dụng không gian hướng gồm 9 bin trong trường hợp "unsigned-HOG" Hướng gradient được xác định trong khoảng từ 0 độ đến 180 độ, với mỗi bin có độ rộng trung bình là 20 độ Để xây dựng biểu đồ cường độ gradient tại mỗi cell, các pixel sẽ được vote vào biểu đồ tương ứng.
Trọng số vote của mỗi pixel phụ thuộc hướng và cường độ gradient (được tính toán từ bước 2) của pixel đó:
Hình 4.74 Ví dụ về cell trong 1 ảnh
Trong quá trình phân tích hình ảnh, đầu tiên, pixel được bao quanh bởi màu xanh lam có hướng 80 độ và cường độ 2, do đó ta cộng thêm 2 vào bin thứ 5 (hướng 80 độ) Tiếp theo, pixel bao quanh màu đỏ có hướng 10 độ và cường độ 4 Vì không có bin 10 độ, nên ta phân bổ thêm 2 đơn vị cho cả bin 0 độ và 20 độ Sau khi hoàn tất việc phân tích tất cả các pixel trong một ô kích thước 8x8 vào 9 bin, kết quả thu được sẽ được tổng hợp như sau:
Hình 4.73 Vector đặc trưng[ CITATION www3 \l 1033 ]
Hình 4.75 Kết quả sau khi vote các pixel[ CITATION www3 \l 1033 ]
Để nâng cao hiệu suất nhận dạng, các histogram cục bộ sẽ được chuẩn hóa về độ tương phản bằng cách tính ngưỡng cường độ trong một khối và sử dụng giá trị đó để chuẩn hóa tất cả các ô trong khối Kết quả của quá trình chuẩn hóa này là một vector đặc trưng có tính bất biến cao hơn trước các thay đổi về điều kiện ánh sáng Hãy xem xét ảnh hưởng của việc chuẩn hóa đến các vector gradient trong ví dụ sau.
Hình 4.76 Ví dụ chuẩn hóa[ CITATION www3 \l 1033 ]
Kết quả thực hiện
Để phân loại đối tượng, bước đầu tiên là tách vật thể ra khỏi nền Trong bài toán này, chúng ta cần tách viên thuốc khỏi nền băng tải Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng thuật toán Canny, như đã đề cập trong mục 4.1.2.
Hình 4.80 Kết quả thuật toán Canny
Do điều kiện môi trường như ánh sáng không đủ và băng tải bị bẩn, kết quả thu được không khả quan Để cải thiện tình hình, chúng ta cần áp dụng thuật toán lọc nhiễu Gauss như đã đề cập trong mục 4.1.1.
Hình 4.81 Kết quả thuật toán Canny kết hợp bộ lọc Gauss
Chúng ta sẽ tách đối tượng ra khỏi khung hình và điều chỉnh hướng của đối tượng về cùng một chiều Để thực hiện điều này, chúng ta sử dụng module Contour miễn phí trong thư viện mã nguồn mở OpenCV.
Phương pháp này đơn giản nhưng hiệu quả, giúp tăng tốc độ chương trình và đạt được kết quả tốt Hơn nữa, nó cho phép phát hiện bất kỳ vật thể nào trên băng tải, thuận lợi cho việc phát triển hệ thống phân loại các sản phẩm, không chỉ giới hạn ở thuốc.
Để tối ưu hóa tốc độ chương trình, sau khi tách đối tượng cần thiết, chúng ta cần giảm lượng thông tin mà vẫn giữ lại những đặc trưng quan trọng Thuật toán trích rút đặc trưng HOG từ thư viện Scikit-image được sử dụng với số ô bin là 8, kích cỡ cell là 16x16, kích cỡ block là 4x4 và phép chuẩn hóa L2norm (như đã nêu tại mục 4.1.3).
Sau khi trích chọn đặc trưng ta thu được vector đặc trưng của mỗi một đối tượng có số chiều là 384.
Trong chương trình này, chúng ta sẽ xem xét thuốc viên nén hình bầu dục và cung cấp bảng liệt kê các đặc điểm giúp phân biệt giữa thuốc đạt tiêu chuẩn và thuốc lỗi Các đặc điểm này sẽ bao gồm hình ảnh minh họa để dễ dàng nhận diện.
Hình 4.82 Kết quả phát hiện đối tượng
Hình 4.83 Ảnh minh họa trích rút đặc trưng[ CITATION www2 \l 1033 ]
Bị sứt mẻ các góc
Để máy tính phân loại thuốc đạt và thuốc lỗi, cần chuẩn bị hai tệp dữ liệu riêng biệt Số lượng dữ liệu mẫu lớn sẽ nâng cao độ chính xác trong quá trình phân loại Trong nghiên cứu này, chúng tôi sử dụng 2500 ảnh mẫu, bao gồm 900 ảnh thuốc lỗi và 1600 ảnh thuốc đạt.
Hình 4.84 Dữ liệu thuốc đạt
Hình 4.85 Dữ liệu thuốc lỗi
Sau khi đã có được dữ liệu mẫu ta sẽ tạo model SVM (xem thêm ở mục
Trong chương trình này, chúng ta sử dụng API của thư viện Scikit-learn và lựa chọn hàm Kernel cùng các thông số của model để tránh tình trạng underfitting và overfitting Nếu model vẫn bị underfitting, chúng ta sẽ tăng số chiều của vector đặc trưng; nếu không hiệu quả, ta sẽ thay đổi phương pháp trích chọn đặc trưng Ngược lại, nếu model bị overfitting, chúng ta sẽ thu thập thêm dữ liệu mẫu hoặc tăng độ phức tạp của model Quá trình này sẽ được lặp lại cho đến khi model đạt được sự fitting mong muốn Dưới đây là kết quả của model đã được huấn luyện, với các thuốc lỗi được khoanh đỏ và các thuốc đạt được khoanh xanh.
Hình 4.86 Kết quả phân loại của SVM
XÂY DỰNG MÔ HÌNH HỆ THỐNG VÀ THỰC NGHIỆM 76
Xây dựng mô hình hệ thống
Sau khi tính toán và lựa chọn thời gian thực hiện đồ án, nhóm quyết định gắn toàn bộ chi tiết và hệ thống điện, khí nén trên tấm đế gỗ Do hệ thống cấp phôi có chi phí cao, nhóm đã chọn phương pháp cấp phôi bằng tay Hệ thống sử dụng máy nén khí mini và chai nhựa, trong khi hệ thống đóng nắp được thay thế bằng cách cấp nắp và dập nắp thủ công Mặc dù phương pháp này có thể hoạt động, nhưng nó gặp phải nhược điểm là ồn và không nén được nhiều khí.
Đề tài tốt nghiệp này tập trung vào việc thiết kế hệ thống phân loại và đóng lọ thuốc sử dụng trong học máy Hệ thống này nhằm mục đích cải thiện quy trình phân loại và quản lý thuốc, đồng thời nâng cao hiệu quả trong việc sử dụng công nghệ học máy Qua nghiên cứu, chúng tôi sẽ phát triển một mô hình phân loại chính xác, giúp người dùng dễ dàng tìm kiếm và sử dụng thuốc một cách hiệu quả hơn Việc áp dụng học máy trong lĩnh vực y tế không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn nâng cao độ chính xác trong việc lựa chọn thuốc phù hợp.
Hình 5.87 Mô hình thực nghiệm
Hệ thống kết nối bao gồm dây nguồn kết nối với nguồn AC 220V, sau đó chuyển đổi thành các nguồn 24VDC và 12VDC để phù hợp với các linh kiện sử dụng Nguồn cấp cho các thiết bị như camera kết nối với PC qua cổng USB và PLC kết nối qua Ethernet, đồng thời điều khiển các rơle trong sơ đồ kèm theo báo cáo Sau khi hoàn tất kết nối và cấp nguồn cho hệ thống, nhóm thực hiện chuẩn bị phôi, nạp code cho PLC và chạy chương trình xử lý để tiến hành thực nghiệm Nguyên lý hoạt động của hệ thống bao gồm các bước cụ thể để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác trong quá trình vận hành.
Cấp thuốc bằng tay thay thế cho phễu rung trong thiết kế:
Hình 5.3 Thuốc được cấp bằng tay vào băng tải
Thuốc đến vị trí cảm biến, được cài đặt thời gian để dừng ở vị trí đặt camera Khi thuốc dừng ở vị trí này camera tiến hành chụp ảnh:
Hình 5.4 Thuốc đến vị trí của cảm biến số 2
Hình 5.5 Thuốc dừng ở vị trí camera tiến hành chụp ảnh
Nếu là thuốc lỗi sẽ bị đẩy bỏ nhờ cơ cấu xylanh khí nén:
Hình 5.6 Cơ cấu xylanh khí nén đẩy thuốc lỗi
Hình 5.7 Thuốc lỗi đến vị trí của xylanh đẩy
Hình 5.8 Xylanh tiến hành đẩy thuốc lỗi vào khay chứa
Nếu thuốc đáp ứng tiêu chuẩn, nó sẽ tiếp tục di chuyển đến cảm biến số 3, nơi có nhiệm vụ đếm số lượng thuốc đã được đưa vào lọ theo cài đặt sẵn.
Hình 5.9 Thuốc đạt tới vị trí cảm biến số 3
Trong khi các bước trên thực hiện thì băng tải hộp cũng hoạt động đưa hộp vào vị trí mâm xoay:
Hình 5.10 Băng tải hộp hoạt động
Hình 5.11 Lọ được đưa vào vị trí mâm xoay
Sau khi hộp được đặt vào vị trí của mâm xoay, mâm xoay sẽ bắt đầu hoạt động Khi cảm biến số 1 phát hiện hộp tiến tới, mâm xoay sẽ dừng lại, tạo điều kiện cho việc hứng thuốc từ băng tải rơi xuống qua máng trượt.
Hình 5.12 Mâm xoay hoạt động đưa lọ vào vị trí hứng thuốc
Khi cảm biến số 3 xác định đủ số lượng thuốc rơi vào lọ, mâm xoay sẽ tiếp tục hoạt động để đưa lọ rỗng đến vị trí hứng thuốc, trong khi lọ đã chứa thuốc sẽ được chuyển đến vị trí dập nắp.
Hình 5.13 Thuốc rơi đủ số lượng vào lọ
Hình 5.14 Mâm xoay hoạt động đưa lọ mới vào đồng thời đưa lọ đã có thuốc tới vị trí dập nắp
Kết quả thực nghiệm
Sau khi tiến hành chạy thực nghiệm, nhóm thu được các kết quả sau:
Sau 280 lần phân loại, xác suất nhận diện chính xác đạt 85%, trong khi tỷ lệ thuốc rơi đúng lọ là 90,32% Đặc biệt, tỷ lệ sản phẩm lỗi thành công là 0%, đảm bảo loại bỏ hoàn toàn sản phẩm lỗi với tỷ lệ 100% Tốc độ phân loại đạt 24 viên mỗi phút, đảm bảo đầu ra tuyệt đối.