VŨ VĂN PHONG Tên đề tài: HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG ROBOT DELTA NHẬN XÉT 1.. VŨ VĂN PHONG Sinh viên thực hiện: NGUYỄN CHÍ THIỆN MSSV: 19151178 NGUYỄN CÔNG DANH MSSV: 19151103 Ch
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Trong kỷ nguyên cách mạng công nghiệp 4.0, việc tích hợp tự động hóa và trí tuệ nhân tạo vào sản xuất và kinh doanh đã trở thành một xu hướng tất yếu, giúp nâng cao năng suất lao động đáng kể Việc áp dụng dây chuyền sản xuất tự động hóa toàn diện và tích hợp robot vào quy trình sản xuất đã giúp giảm thiểu nhân công, đồng thời đảm bảo chất lượng sản phẩm cao và độ chính xác tuyệt vời.
Trong sản xuất, việc kiểm tra lỗi bề mặt, đọc và giải mã mã vạch, QR code, xác định hướng, vị trí, hình dạng sản phẩm và phân loại hàng hóa thường đòi hỏi nhiều thời gian và công sức Tuy nhiên, với sự phát triển của công nghệ hiện nay, việc ứng dụng xử lý ảnh vào sản xuất đã giúp đơn giản hóa các quy trình này, mang lại hiệu quả kinh tế cao và tiết kiệm thời gian Nhờ đó, các doanh nghiệp có thể tự động hóa các hoạt động kiểm tra và phân loại sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác, giảm thiểu sai sót và tăng cường hiệu suất sản xuất.
Nhiều quốc gia trên thế giới như Mỹ, Nhật, Pháp đã nhanh chóng nắm bắt xu hướng và tích hợp robot kết hợp với camera vào quy trình sản xuất Các thương hiệu nổi tiếng như Mitsubishi và ABB đã cho ra đời nhiều dòng sản phẩm tiên tiến, trong đó có các cánh tay robot phổ biến như MELFA FR Series, đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa và nâng cao hiệu suất sản xuất.
Nhận thấy xu hướng toàn cầu hiện nay, nhóm quyết định lựa chọn đề tài "HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG ROBOT DELTA" với mục đích xây dựng một hệ thống ứng dụng cao, phục vụ cả việc học tập, nghiên cứu và cải tiến so với các hệ thống hiện tại.
Mục tiêu
Nghiên cứu này tập trung vào việc xây dựng mô hình phân loại sản phẩm thông minh sử dụng PLC và các thiết bị hiện đại như cánh tay Robot, HMI, cảm biến và camera Mô hình này được thiết kế để hoạt động chính xác và hiệu quả, nhằm đáp ứng các yêu cầu cụ thể trong sản xuất và phân loại sản phẩm.
- Hệ thống phân loại được sản phẩm theo hình dạng (tròn, chữ nhật, lục giác) với độ chính xác hơn 80%
- Tốc độ phân loại trên 10 sản phẩm/phút
- Nhận diện được sản phẩm với mọi góc lệch khác nhau
- Robot gắp sản phẩm và đặt đúng vị trí quy định trong hộp
- Phát hiện các sản phẩm bị lỗi
- Băng tải vận chuyển sản phẩm không được phép dừng lại mà phải chạy đồng bộ với cơ cấu phân loại
- Xây dựng một giao diện HMI kết hợp với Winform một cách trực quan, sinh động giúp người dùng có thể dễ dàng vận hành hệ thống
- Truy vấn dữ liệu hệ thống trên Webserver.
Nội dung nghiên cứu
Đề tài “HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG ROBOT
DELTA” gồm các nội dung như sau:
• Chương 1: TỔNG QUAN Ở chương này nhóm đặt ra vấn đề, lý do chọn đề tài, mục tiêu, ý nghĩa thực tiễn cũng như phạm vi của đề tài
• Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Nguyên lý hoạt động của hệ thống, tổng quan về các khái niệm xử lý ảnh, PLC
Sơ lược về Realtime Database, Webserver cũng như robot trong công nghiệp sẽ được trình bày trong chương này
• Chương 3: TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG Ở chương này nhóm nêu lên những yêu cầu của hệ thống sau đó tính toán và thiết kế
• Chương 4: THI CÔNG HỆ THỐNG Ở chương này nhóm sẽ tiến hành thi công lắp đặt hệ thống dựa trên những tính toán và thiết kế ở trước
• Chương 5: KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Kết quả đạt được của hệ thống sẽ được trình bày ở chương này
• Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Dựa trên những kết quả đạt được nhóm sẽ nêu lên những kết luận và hướng phát triển ở chương cuối cùng.
Giới hạn
Đề tài nhóm nghiên cứu có một số giới hạn như sau:
- Hệ thống chỉ có thể phân loại được những sản phẩm có hình dạng đã được quy định từ trước như tròn, chữ nhật, lục giác
- Hệ thống hoạt động với điều kiện ánh sáng ổn định
- Số lượng sản phẩm di chuyển trên băng tải không được liên tục mà phải có thời gian trì hoãn tối thiểu là 4s
- Số lượng tối đa của mỗi loại sản phẩm trong hộp dưới 5 sản phẩm
- Tốc độ của băng tải trong quá trình hoạt động phải giữ ở mức cố định
- Chỉ hút được những sản phẩm nhẹ với khối lượng < 1 kg và phải có bề mặt nhẵn.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu về hệ thống
Băng tải cấp sản phẩm và băng tải cấp hộp đựng được bố trí song song, với robot đặt giữa hai băng tải Khi hoạt động, băng tải chứa sản phẩm cần phân loại sẽ di chuyển qua khu vực xử lý ảnh, nơi camera thu nhận hình ảnh và truyền dữ liệu đến chương trình lập trình C# Tại đây, hình dạng và góc lệnh của sản phẩm sẽ được xác định và dữ liệu sẽ được gửi đến bộ điều khiển PLC (Programmable Logic Controller) để thực hiện các lệnh phân loại sản phẩm một cách chính xác.
PLC sẽ điều khiển động cơ Servo để thực hiện hành động gắp sản phẩm từ băng tải 1 vào hộp trên băng tải 2 một cách chính xác và đồng bộ Toàn bộ quá trình sẽ được giám sát và điều khiển thông qua màn hình HMI và giao diện Winform trên máy tính, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và quản lý các thông số của hệ thống cũng như trạng thái của từng khâu.
Số liệu liên quan đến hệ thống sẽ được lưu trên Realtime Database của Firebase và được truy xuất hiển thị lên Webserver để giám sát.
Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay
Hệ thống phân loại là giải pháp công nghiệp hiện đại, giúp thay thế phương pháp phân loại sản phẩm thủ công bằng tay bằng các hệ thống tự động hóa tiên tiến Với khả năng phân chia sản phẩm theo từng đặc tính cụ thể được xác định bởi người sử dụng, hệ thống này mang lại hiệu quả cao và độ chính xác tuyệt vời trong quá trình phân loại.
Một số ứng dụng của hệ thống phân loại trong thực tế hiện nay như:
- Ngành công nghiệp may mặc
- Ngành công nghiệp dược phẩm
Các loại hệ thống phân loại đang hiện hành ngoài thị trường hiện nay có thể kể tên như:
- Hệ thống phân loại Cross belt – Sorter (Hình 2.1)
- Hệ thống phân loại Vertical Crossbelt (Hình 2.2)
- Hệ thống phân loại Pop – Up (Hình 2.3
- Hệ thống phân loại Wave – Sorter (Hình 2.4)
Hình 2.1 Hệ thống phân loại Cross belt – Sorter [1]
Hình 2.2 Hệ thống phân loại Cross belt – Sorter [1]
Hình 2.3 Hệ thống phân loại Pop – Up [1]
Hình 2.4 Hệ thống phân loại Wawe – Sorter [1]
Tổng quan về robot trong công nghiệp
Robot công nghiệp là những loại robot được thiết kế để thực hiện các công việc tự động hóa trong môi trường sản xuất công nghiệp Chúng được lập trình để hoạt động và làm việc thông qua việc kết nối và điều khiển nhiều trục robot được liên kết với nhau, cho phép thực hiện các nhiệm vụ phức tạp và chính xác trong quá trình sản xuất.
Việc chế tạo Robot công nghiệp đang được các hãng sản xuất đẩy mạnh phát triển nhằm nâng cao khả năng làm việc của robot, hướng tới mục tiêu thay thế sức lao động của con người trong nhiều lĩnh vực sản xuất.
Hình 2.5 Cánh tay robot trong ngành công nghiệp ô tô [2]
Trên thị trường hiện nay, có rất nhiều loại robot công nghiệp khác nhau, khiến việc kiểm soát và lựa chọn trở nên khó khăn Để giải quyết vấn đề này, người ta thường phân loại robot công nghiệp thành các nhóm chính, giúp việc lựa chọn và quản lý trở nên dễ dàng hơn Việc phân loại này cũng giúp người dùng xác định rõ nhu cầu và mục đích sử dụng robot, từ đó đưa ra quyết định phù hợp.
- Theo không gian làm việc
- Theo các ngành nghề công nghiệp
Giới thiệu về động cơ AC – Servo
2.4.1 Định nghĩa Động cơ Servo là một hệ thống truyền động điều khiển hồi tiếp vòng kín, nhận tín hiệu và thực hiện nhanh chóng, chính xác theo lệnh từ PLC Những thiết bị đi kèm khi sở hữu bộ động cơ AC – Servo sẽ bao gồm 1 bộ điều khiển Servo (Servo Driver),
1 động cơ Servo và 1 Encoder để phản hồi tín hiệu từ động cơ về bộ điều khiển (Hình 2.6)
Servo được ứng dụng rộng rãi trong việc điều khiển vị trí chính xác, điều chỉnh moment phù hợp với từng ứng dụng cụ thể và cho phép thay đổi tốc độ cực kỳ nhanh chóng, đáp ứng nhu cầu trong thời gian cực ngắn (chỉ tính bằng mili giây).
Hình 2.6 Driver và động cơ AC – Servo [4]
2.4.2 Cấu tạo Động cơ Servo là một thành phần trong hệ thống Servo Động cơ Servo nhận tín hiệu từ bộ điều khiển và cung cấp lực chuyển động cho các thiết bị máy móc khi vận hành với tốc độ và độ chính xác cực kỳ cao Động cơ Servo được chia thành 2 loại gồm động cơ AC Servo và động cơ DC Servo AC Servo có thể xử lý các dòng điện cao hơn và có xu hướng được sử dụng trong máy móc công nghiệp DC Servo không được thiết kế cho các dòng điện cao và thường phù hợp cho các ứng dụng nhỏ hơn
Cấu tạo của động cơ AC Servo bao gồm 3 phần là stator, rotor (thường là loại nam châm vĩnh cửu) và encoder (Hình 2.7)
- Stator 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
- Encoder được gắn sau đuôi động cơ có chức năng phản hồi chính xác tốc độ và vị trí của động cơ về bộ điều khiển.[4]
Hình 2.7 Cấu tạo của động cơ AC – Servo [4]
Giới thiệu về động cơ bước
Động cơ bước, còn được gọi là Step Motor, là một loại động cơ điện đặc biệt hoạt động dựa trên nguyên lý và ứng dụng riêng biệt so với các động cơ điện thông thường Động cơ này thực chất là một động cơ đồng bộ, có khả năng biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng xung điện rời rạc thành các chuyển động góc quay hoặc chuyển động của rotor, cho phép cố định rotor vào các vị trí cần thiết.
Động cơ bước được điều khiển bởi bộ điều khiển riêng biệt bên ngoài gọi là Driver, cho phép động cơ duy trì bất kỳ vị trí cố định nào và cũng có khả năng xoay đến bất kỳ vị trí khác Thiết kế của động cơ bước và bộ điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chính xác và linh hoạt của động cơ.
Trên Driver, người dùng có thể điều chỉnh nhiều thông số để phù hợp với yêu cầu điều khiển, bao gồm dòng điện tối đa cấp cho động cơ và số xung một vòng quay của động cơ, giúp tối ưu hóa quá trình điều khiển.
Hình 2.9 Driver động cơ bước [6]
Giới thiệu về xử lý ảnh
2.6.1 Khái niệm về xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mới nổi trong khoa học máy tính và kỹ thuật điện tử, tập trung vào việc áp dụng các phương pháp và thuật toán để thay đổi, cải thiện hoặc trích xuất thông tin từ hình ảnh Mục tiêu chính của xử lý ảnh là tạo ra các hình ảnh mới, trích xuất thông tin hữu ích từ hình ảnh hoặc đạt được một số mục tiêu cụ thể liên quan đến ảnh, giúp nâng cao chất lượng và giá trị của hình ảnh.
Xử lý ảnh là một lĩnh vực đa dạng, bao gồm nhiều phương pháp và kỹ thuật khác nhau, bao gồm các bước tiền xử lý, phân đoạn, trích xuất đặc trưng, nhận dạng và hiển thị Mục đích chính của xử lý ảnh là nhằm trích xuất thông tin hữu ích từ hình ảnh, giúp cải thiện chất lượng hình ảnh, nhận dạng đối tượng và thực hiện các ứng dụng khác nhau trong nhiều lĩnh vực.
- Biến đổi ảnh làm tăng chất lượng ảnh
Quá trình tự động nhận dạng ảnh, đoán nhận ảnh và đánh giá nội dung của ảnh là một bước quan trọng trong xử lý ảnh Để thực hiện điều này, ta cần thực hiện các bước cần thiết, bao gồm phân tích và xử lý hình ảnh để trích xuất thông tin hữu ích Quá trình này cho phép hệ thống tự động nhận dạng và đánh giá nội dung của ảnh một cách chính xác và hiệu quả.
Hình 2.10 Các bước xử lý ảnh cơ bản [7]
Ảnh có thể được thu nhận qua camera màu hoặc trắng đen, thường là ảnh tương tự từ camera ống chuẩn CCIR với tần số 1/25, mỗi ảnh 25 dòng Tuy nhiên, một số loại camera đã số hóa, chẳng hạn như loại CCD (Change Coupled Device), hoạt động như một loại photodiot tạo cường độ sáng tại mỗi điểm ảnh.
Camera thường được sử dụng là loại quét dòng, tạo ra hình ảnh hai chiều Chất lượng hình ảnh thu được phụ thuộc vào thiết bị thu và môi trường xung quanh, bao gồm cả ánh sáng và phong cảnh.
Sau khi thu nhận, ảnh thường bị nhiễu và có độ tương phản thấp, vì vậy cần phải đưa vào bộ tiền xử lý để cải thiện chất lượng hình ảnh Bộ tiền xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc lọc bỏ nhiễu và nâng cao độ tương phản, giúp ảnh trở nên rõ ràng và sắc nét hơn.
Phân đoạn ảnh hay phân vùng ảnh
Phân vùng ảnh là một bước quan trọng trong xử lý ảnh, giúp tách một ảnh đầu vào thành các vùng thành phần để biểu diễn phân tích và nhận dạng ảnh Đây là phần phức tạp và khó khăn nhất trong quá trình xử lý ảnh, đồng thời cũng dễ gây lỗi và làm mất độ chính xác của ảnh Do đó, kết quả nhận dạng ảnh phụ thuộc rất nhiều vào công đoạn phân vùng ảnh này.
Biểu diễn ảnh là giai đoạn quan trọng sau khi phân đoạn ảnh, nơi chứa các điểm ảnh của vùng ảnh đã phân đoạn cùng với mã liên kết ở các vùng lân cận Việc biến đổi các số liệu này thành dạng thích hợp là cần thiết để có thể xử lý tiếp theo bằng máy tính một cách hiệu quả.
Quy trình chọn các tính chất để thể hiện ảnh được gọi là trích chọn đặc trưng (Feature Extraction), quá trình này gắn liền với việc tách các đặc tính của ảnh dưới dạng các thông tin định lượng Điều này đóng vai trò quan trọng làm cơ sở để phân biệt lớp đối tượng này với đối tượng khác trong phạm vi ảnh nhận được.
• Nhận dạng và nội suy ảnh
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định và phân tích hình ảnh dựa trên mẫu chuẩn đã được học hoặc lưu trữ trước đó Quá trình này thường liên quan đến việc so sánh hình ảnh đầu vào với các mẫu đã biết để xác định nội dung hoặc ý nghĩa của hình ảnh Nội suy là bước tiếp theo sau nhận dạng ảnh, liên quan đến việc đưa ra phán đoán hoặc giải thích ý nghĩa của hình ảnh dựa trên kết quả nhận dạng.
• Cơ sở tri thức (Knowledge Base)
Ảnh là một đối tượng phức tạp về đường nét, độ sáng tối, dung lượng điểm ảnh và môi trường thu ảnh phong phú, dẫn đến nhiều nhiễu Trong quá trình xử lý và phân tích ảnh, ngoài việc đơn giản hóa các phương pháp toán học, con người mong muốn bắt chước quy trình tiếp nhận và xử lý ảnh theo cách của con người Các cơ sở tri thức được phát huy trong các bước xử lý ảnh, trong đó nhiều khâu đã được xử lý theo các phương pháp trí tuệ con người.
Sau khi số hóa, ảnh sẽ được lưu trữ trong bộ nhớ hoặc truyền đến các giai đoạn tiếp theo để phân tích Tuy nhiên, việc lưu trữ ảnh trực tiếp từ dữ liệu thô đòi hỏi dung lượng bộ nhớ cực lớn và không hiệu quả về mặt ứng dụng và công nghệ.
2.6.2 Những vấn đề liên quan đến quá trình xử lý ảnh
Điểm ảnh là đơn vị cơ bản nhất tạo thành một hình ảnh kỹ thuật số, được định vị bằng một tọa độ (x, y) trên bức ảnh Số lượng điểm ảnh càng nhiều trong một bức ảnh thì chi tiết càng cao, và mỗi điểm ảnh thường được biểu diễn bởi 1, 2, 8 hay 24 bit màu Bức ảnh kỹ thuật số được tạo ra thông qua việc chụp hoặc sử dụng các phương pháp đồ họa khác, bao gồm hàng ngàn hoặc hàng triệu điểm ảnh đơn lẻ.
Hình 2.11 Ảnh được tạo nên với vô số điểm ảnh
Ảnh số là tập hợp hữu hạn các điểm ảnh với mức xám phù hợp, giúp mô tả ảnh gần với ảnh thật Số điểm ảnh xác định độ phân giải của ảnh, và ảnh có độ phân giải càng cao thì càng thể hiện rõ nét các đặc điểm của tấm hình, làm cho tấm ảnh trở nên thực và sắc nét hơn.
Một hình ảnh là một tín hiệu hai chiều được xác định bởi hàm toán học f(x, y), trong đó x và y đại diện cho hai tọa độ theo chiều ngang và chiều dọc Tại mỗi điểm trên hình ảnh, giá trị của hàm f(x, y) sẽ cung cấp giá trị điểm ảnh (pixel) tương ứng, tạo nên hình ảnh hoàn chỉnh.
Hình 2.12 Ảnh với độ phân giải khác nhau [7]
Phần mềm MX Component
Phần mềm MX Component là một thư viện phần mềm được phát triển bởi Mitsubishi Electric, giúp kết nối và giao tiếp hiệu quả với các thiết bị điều khiển của họ Với khả năng hỗ trợ mạnh mẽ, MX Component cho phép người dùng kết nối và điều khiển các thiết bị như bộ điều khiển PLC và các thiết bị khác một cách dễ dàng và tiện lợi.
MX Component là một công cụ mạnh mẽ cho phép người dùng tương tác với các thiết bị Mitsubishi Electric thông qua các kết nối mạng phổ biến như Ethernet, RS-232 hoặc USB Thư viện này hỗ trợ đa ngôn ngữ lập trình, bao gồm C/C++, C#, Visual Basic và Java, giúp người dùng dễ dàng tích hợp vào các môi trường phát triển ứng dụng như Visual Studio.
Giới thiệu về PLC Mitsubishi
PLC Mitsubishi là dòng PLC phổ biến và được ưa chuộng tại các nhà máy ở Việt Nam nhờ sở hữu nhiều tính năng vượt trội và giá thành hợp lý Phần mềm điều khiển dễ sử dụng và thường xuyên được nâng cấp giúp người dùng dễ dàng vận hành và quản lý hệ thống Đặc biệt, dòng PLC Mitsubishi nổi bật với độ bền cao, hiệu suất ổn định, khả năng mở rộng và tích hợp linh hoạt trong nhiều môi trường khác nhau, đáp ứng nhu cầu đa dạng của người dùng.
Với những mục đích sử dụng khác nhau PLC Mitsubishi được phân thành các dòng phổ biến như: PLC Mitsubishi dòng FX (Hình 2.15), Q (Hình 2.16), iQ - R, iQ
Hình 2.15 PLC Mitsubishi dòng FX [8]
Giới thiệu về Realtime Database của Firebase và Webserver
2.9.1 Tổng quan về Realtime Database của Firebase
Firebase là nền tảng phát triển ứng dụng di động và web hàng đầu do Google cung cấp, mang đến loạt dịch vụ điện toán đám mây mạnh mẽ, bao gồm cơ sở dữ liệu thời gian thực (Realtime Database) giúp xây dựng ứng dụng có tính năng đồng bộ dữ liệu thời gian thực một cách hiệu quả.
Dịch vụ Realtime Database của Firebase là một cơ sở dữ liệu NoSQL dựa trên JSON, cho phép lưu trữ và đồng bộ dữ liệu ứng dụng trong thời gian thực Cơ chế đồng bộ dựa trên sự kiện của nó cho phép cập nhật dữ liệu ngay lập tức đến tất cả các thiết bị đang kết nối, giúp đảm bảo tính nhất quán và đồng bộ của dữ liệu trên tất cả các nền tảng.
Máy chủ web (web server) là một phần mềm hoặc máy tính đóng vai trò trung gian giữa người dùng và các ứng dụng web, xử lý và phản hồi các yêu cầu từ người dùng qua giao thức HTTP (Hypertext Transfer Protocol) Các máy chủ web phổ biến bao gồm Apache, Nginx, IIS và nhiều lựa chọn khác, giúp đáp ứng nhu cầu lưu trữ và truy cập các ứng dụng web một cách hiệu quả.
Mỗi khi truy cập một trang web trên internet, bạn đang gửi yêu cầu đến một máy chủ web Khi nhập URL vào trình duyệt (ví dụ: https://google.vn), trình duyệt sẽ thực hiện một loạt các bước để nhận phản hồi và trả kết quả về cho bạn.
Hình 2.17 Mô hình hoạt động cơ bản của 1 Webserver [9]
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng Rovot Delta và xử lý ảnh gồm những yêu cầu theo từng quy trình được mô tả ở (Bảng 3.1)
Bảng 3.1 Quy trình và yêu cầu của hệ thống
Quy trình hoạt động Yêu cầu đặt ra
- Hộp di chuyển trên băng tải 1 đến khi chạm cảm biến thì băng tải 1 dừng
- Hộp được giữ nguyên vị trí suốt quá trình phân loại sản phẩm
- Kích thước hộp 252x86x30 (mm) với mỗi ô 80x80x27 (mm)
Vận chuyển sản phẩm - Sản phẩm được vận chuyển khi trong hệ thống có hộp
- Sản phẩm được phân loại theo đúng hình dáng (chữ nhật, tròn, lục giác)
- Có thể phân loại sản phẩm ở mọi vị trí trên băng tải và góc xoay khác nhau
Phân loại sản phẩm là một quá trình quan trọng trong sản xuất, và việc phân loại liên tục giúp tăng tuổi thọ băng tải và giảm chi phí điện năng Bằng cách không cho phép băng tải dừng trong quá trình phân loại, doanh nghiệp có thể tối ưu hóa hiệu suất và giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động Điều này không chỉ giúp tăng năng suất mà còn giảm thiểu chi phí bảo trì và sửa chữa băng tải, từ đó mang lại lợi ích kinh tế cho doanh nghiệp.
- Thiết kế giao diện vận hành và giám sát hệ thống đơn giản, dễ sử dụng trên phần mềm Visual Studio và trên HMI GS2110-WTBD
- Thiết kế giao diện Webserver trực quan, dễ truy cập dữ liệu liên quan đến hệ thống.
Sơ đồ khối của hệ thống
“HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM SỬ DỤNG ROBOT DELTA” có sơ đồ khối được thể hiển ở (Hình 3.1)
Khối vận hành và giám sát (HMI, PC)
Khối vận chuyển (Băng tải, Robot)
Khối xử lý trung tâm
Hình 3.1 Sơ đồ khối của hệ thống
Với chức năng của từng khối như sau:
- Khối nguồn: Cung cấp nguồn điện áp 220VAC và 24VDC cho toàn hệ thống
- Khối xử lý trung tâm: Nhận tín hiệu từ ngõ vào, xử lý và đưa ra phương pháp điều khiển cho các thiết bị trong hệ thống làm việc
- Khối nhận dạng: Camera chụp ảnh, xử lý và phân loại sản phẩm theo hình dạng; Cảm biến nhận khi có sản phẩm
- Khối vận chuyển: Băng tải vận chuyển hộp và sản phẩm; Robot thực hiện hút, xoay vật và thả vật theo đúng vị trí phân loại
- Khối vận hành và giám sát: Điều khiển và giám sát trạng thái vận hành của hệ thống trên HMI và PC.
Thiết kế và chọn thiết bị phần cứng
Hệ thống yêu cầu có hai nguồn cấp chính, bao gồm nguồn 24 VDC và nguồn 220 VAC Nguồn 24 VDC đảm nhiệm cung cấp năng lượng cho các cảm biến, nút nhấn, đèn báo và driver điều khiển động cơ bước Trong khi đó, nguồn 220 VAC cung cấp năng lượng cho driver MR-J4-20B và MR-J4-10B, phục vụ cho việc cấp nguồn cho động cơ servo và module R62P trên base.
Với các yêu cầu trên nguồn 220 VAC được lấy từ lưới điện dân dụng, nguồn
24 VDC nhóm sử dụng nguồn Omron S8VS-12024 (Hình 3.2) với thông số kỹ thuật như ở ( 3.2)
Hình 3.2 Nguồn Omron S8VS – 12024 Bảng 3.2 Thông số kỹ thuật nguồn Omron S8VS – 12024 Điện áp đầu vào 100 – 240 VAC
Công suất 120 W Điện áp đầu ra 24 VDC
Dòng điện định mức 5A Điện trở cách điện 100 MΩ
• Khối điều khiển hệ thống o CPU
Nhóm nghiên cứu đã lựa chọn bộ điều khiển lập trình PLC để điều khiển hệ thống, nhờ vào khả năng mở rộng dễ dàng với nhiều ngõ vào/ra, khả năng chống nhiễu trong môi trường công nghiệp, tích hợp các cổng kết nối thuận tiện và tốc độ xử lý cao.
Nhóm sử dụng CPU R04CPU (MELSEC iQ-R Series) được tích hợp module R71EN71, cho phép giao tiếp Ethernet trực tiếp với các thiết bị ngoại vi mà không cần mua thêm module Điều này giúp tối ưu hóa hệ thống và giảm thiểu chi phí Thông số kỹ thuật chi tiết của CPU R04CPU được trình bày trong Bảng 3.3, cung cấp thông tin đầy đủ về khả năng và hiệu suất của thiết bị.
Bảng 3.3 Thông số kỹ thuật module R04ENCPU [13]
Dòng STANDARD CPU (CC-LINK IE)
Nhóm sử dụng Base R312B (Hình 3.4) có khả năng gắn tới 12 module cho hệ thống để thuận tiện cho việc kết nối và phát triển hệ thống trong tương lai
Hình 3.4 Base R312B [13] o Module nguồn Để cấp nguồn cho các module được gắn trên Base nhóm sử dụng module nguồn R62P (Hình 3.5) với thông số như ở (Bảng 3.4)
Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật module R62P
Khối tín hiệu I/O đóng vai trò quan trọng trong việc nhận và xử lý tín hiệu từ các thiết bị ngoại vi Module ngõ vào được sử dụng để thu nhận tín hiệu từ cảm biến, nút nhấn và các thiết bị khác Trong hệ thống này, module Input RX42C4 (Hình 3.6) được lựa chọn với các thông số kỹ thuật chi tiết như được trình bày ở Bảng 3.5, giúp đảm bảo khả năng nhận tín hiệu chính xác và đáng tin cậy.
Hình 3.7 Sơ đồ kết nối của Module RX42C4 [14]
Bảng 3.5 Thông số kỹ thuật module RX42C4 [14]
Dòng tiêu thụ 0.18 A o Module ngõ ra
Để truyền tín hiệu từ PLC đến các thiết bị như đèn báo tín hiệu, van điện từ, nhóm nghiên cứu đã sử dụng module Output RY42NT2P, được minh họa ở hình 3.8, với các thông số kỹ thuật chi tiết được trình bày ở bảng 3.6.
Hình 3.8 Module output RY42NT2P [14]
Hình 3.9 Sơ đồ kết nối của Module RY42NT2P [14]
Bảng 3.6 Thông số kỹ thuật module RY42NT2P [14]
Bộ điều khiển động cơ servo MR-J4-20B là lựa chọn lý tưởng để điều khiển động cơ HG-KR23, với thông số kỹ thuật chi tiết được trình bày trong Bảng 3.7, giúp đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao trong quá trình vận hành.
Hình 3.11 Sơ đồ nối dây Servo Amplifier MR-J4-20B [15]
Bảng 3.7 Thông số kỹ thuật của Servo Amplifier MR-J4-20B [15]
Ngõ ra Điện áp định mức 3 pha 170VAC Dòng điện định mức 1.5A
Ngõ vào nguồn cấp điện mạch động lực Điện áp/Tần số 3 pha hoặc 1 pha 200 đến 240VAC, 50/60Hz
Dòng điện định mức (khi dùng nguồn 3 pha) 1.5A
Dao động điện áp cho phép 3 pha hoặc 1 pha 170 đến 264VAC
Dao động tần số cho phép Trong khoảng ±5%
Công suất nguồn cấp điện 0.5kVA Dòng điện khởi động 30A (giảm xuống xấp xỉ 3A trong 20ms)
Ngõ vào nguồn cấp điện mạch điều khiển Điện áp/Tần số 1 pha 200 đến 240VAC, 50/60Hz Dòng điện định mức 0.2A
Dao động điện áp cho phép 1 pha 170 đến 264VAC
Dao động tần số cho phép Trong khoảng ±5%
Dòng điện khởi động 20 đến 30A (giảm xuống xấp xỉ 1A trong
Nguồn cấp điện chân giao tiếp Điện áp 24VDC ± 10%
Dòng điện 0.3A (gồm các tín hiệu đầu cắm CN8) Phương pháp điều khiển PWM sóng sin, dòng điện
Phanh động Được lắp trong
Chu kỳ giao tiếp SSCNET III/H 0.222ms, 0.444ms, 0.888ms Điều khiển vòng kín hoàn toàn Tương thích
Chức năng đo định tỉ lệ Tương thích
Giao tiếp encoder phía tải Giao thức nối tiếp tốc độ cao của Mitsubishi
Chức năng truyền thông USB
Bộ điều khiển servo MR-J4-10B được sử dụng để điều khiển động cơ HF-KP053, với khả năng tương thích xung ngõ ra encoder (xung pha A/B/Z) Thông số kỹ thuật chi tiết của bộ điều khiển này được trình bày trong Bảng 3.8, giúp người dùng dễ dàng tham khảo và lựa chọn phù hợp với nhu cầu sử dụng.
Hình 3.12 Sơ đồ nối dây Servo Amplifier MR-J4-10B [15]
Hình 3.13 Sơ đồ nối dây Servo Amplifier MR-J4-10B [15]
Bảng 3.8 Thông số kỹ thuật của Servo Amplifier MR-J4-10B [15]
Ngõ ra Điện áp định mức 3 pha 170VAC Dòng điện định mức 1.1A
Ngõ vào nguồn cấp điện mạch động lực Điện áp/Tần số 3 pha hoặc 1 pha 200 đến 240VAC, 50/60Hz
Dòng điện định mức (khi dùng nguồn 3 pha) 0.9A
Dao động điện áp cho phép 3 pha hoặc 1 pha 170 đến 264VAC
Dao động tần số cho phép Trong khoảng ±5%
Công suất nguồn cấp điện 0.5kVA Dòng điện khởi động 30A (giảm xuống xấp xỉ 3A trong 20ms)
Ngõ vào nguồn cấp điện mạch điều khiển Điện áp/Tần số 1 pha 200 đến 240VAC, 50/60Hz Dòng điện định mức 0.2A
Dao động điện áp cho phép 1 pha 170 đến 264VAC
Dao động tần số cho phép Trong khoảng ±5%
Dòng điện khởi động 20 đến 30A (giảm xuống xấp xỉ 1A trong
Nguồn cấp điện chân giao tiếp Điện áp 24VDC ± 10%
Dòng điện 0.3A (gồm các tín hiệu đầu cắm CN8)
Phương pháp điều khiển PWM sóng sin, dòng điện
Phanh động Được lắp trong
Chu kỳ giao tiếp SSCNET III/H 0.222ms, 0.444ms, 0.888ms Điều khiển vòng kín hoàn toàn Tương thích
Chức năng đo định tỉ lệ Tương thích
Giao tiếp encoder phía tải Giao thức nối tiếp tốc độ cao của Mitsubishi
Chức năng truyền thông USB
Xung ngõ ra encoder Tương thích (xung pha A/B/Z) o Module RD77MS4
Module RD77MS4 (Hình 3.14) cho phép thực thi tải xuống lệnh điều khiển vị trí và tốc độ đến bộ khuếch đại servo, đồng thời bật/tắt bộ khuếch đại servo Ngoài ra, module này còn hỗ trợ phối hợp điều khiển đồng bộ giữa các trục khi kết nối với bộ khuếch đại servo qua cáp SSCNET III/H Thông số kỹ thuật chi tiết của module RD77MS4 được trình bày ở Bảng 3.9.
Bảng 3.9 Thông số kỹ thuật Modulet RD77MS4 [15]
Số trục điều khiển tối đa 4 trục
Chu kỳ vận hành 0.444 ms, 0.888 ms, 1.777 ms, 3.555 ms
Nội suy tuyến tính 2, 3 hoặc 4 trục Nội suy cung tròn 2 trục
Nội suy xoắn ốc 3 trục Đơn vị điều khiển mm, inch, degree, pulse
Phương pháp điều khiển được áp dụng bao gồm điều khiển PTP (Điểm tới Điểm), điều khiển đường đi với khả năng thiết lập tuyến tính, cung và xoắn, cũng như điều khiển tốc độ và chuyển đổi tốc độ-vị trí, moment-tốc độ Để điều khiển tốc độ cho 2 động cơ Step kéo băng tải, module đếm xung tốc độ cao RD62P2E được sử dụng, với thông số kỹ thuật chi tiết được mô tả trong Bảng 3.10.
Hình 3.16 Sơ đồ nối dây ngõ ra kiểu source giữa Module RD62P2E với tải [17] Bảng 3.10 Thông số kỹ thuật Module RD62P2E [17]
Chuyển đổi tốc độ đếm 200kpps, 100kpps, 10kpps
Số kênh 2 kênh (CH1 – CH2)
Cấp tín hiệu 5/12/24VDC; 2 – 5mA
Kiểu bộ đếm Đếm đặt trước Lên/Xuống; Đếm vòng
Dải đếm 32-bit có dấu
Loại ngõ ra Transistor (Kiểu source)
Dòng nội tiêu thụ (5VDC) 0.2A
Để vận hành và giám sát hệ thống sử dụng PLC từ xa một cách hiệu quả, việc lựa chọn màn hình HMI phù hợp là rất quan trọng Nhóm đã chọn màn hình HMI GS2110 – WTBD với các thông số kỹ thuật đáp ứng yêu cầu vận hành và giám sát hệ thống Màn hình này cung cấp giao diện người dùng thân thiện và dễ sử dụng, cho phép người vận hành theo dõi và kiểm soát hệ thống một cách chính xác và hiệu quả.
Hình 3.17 Màn hình HMI GS2110 – WTBD Bảng 3.11 Thông số kỹ thuật màn hình HMI GS2110 – WTBD
Truyền thông RS232, RS422, RS485, Ethernet, USB
Hỗ trợ PLC Mitsubishi, Siemens,
Phần mềm lập trình GT Designer 3
• Các cơ cấu chấp hành còn lại o MCB
Hệ thống nguồn điện cần được trang bị MCB để thực hiện việc đóng cắt và bảo vệ toàn bộ hệ thống khỏi các sự cố quá dòng, quá áp có thể xảy ra từ bên trong lẫn bên ngoài Việc này giúp ngăn chặn các thiết bị điện khỏi hư hỏng, đảm bảo an toàn và ổn định cho toàn bộ hệ thống điện.
Nhóm sử dụng MCB BHW-T10 C32 (Hình 3.18) để đóng cắt cho khối điều khiển và các thiết bị ngoại vi khác với thông số kỹ thuật như ở (Bảng 3.12)
Hình 3.18 MCB BHW-T10 C32 Bảng 3.12 Thông số kỹ thuật màn hình HMI GS2110 – WTBD
Dòng điện 32A Điện áp 220 VAC / 440 VAC
Cho từng module điều khiển động cơ servo MR-J4-20B nhóm sử dụng MCB BH-D6 C20 (Hình 3.19) với thông số kỹ thuật được mô tả ở (Bảng 3.13)
Hình 3.19 MCB BH-D6 C20 Bảng 3.13 Thông số kỹ thuật của MCB BH-D6 C20
Dòng điện 20A Điện áp 230 VAC / 400 VAC
Dòng ngắn mạch 6kA và cảm biến quang đóng vai trò quan trọng trong hệ thống tự động hóa, giúp phát hiện hộp và sản phẩm được cấp vào, từ đó tạo ra tín hiệu đồng bộ chuyển động cho robot và hệ thống cấp sản phẩm và hộp Cụ thể, nhóm sử dụng cảm biến quang E3F-DS30C4, thiết bị này có thông số kỹ thuật chi tiết được trình bày ở bảng 3.14, giúp đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao trong quá trình hoạt động.
Hình 3.21 Sơ đồ kết nối của cảm biến quang E3F-DS30C4
Bảng 3.14 Thông số kỹ thuật cảm biến quang E3F-DS30C4
Khoảng cách phát hiện 7 – 30 cm
Dòng tiêu thụ 8mA/12V, 15mA/24V o Van điện khí nén
Vì ngõ ra PLC là sinking 24VDC nên nhóm sử dụng van khí nén Airtac 3V210-08 (Hình 3.22) với thông số kỹ thuật như ở (Bảng 3.15)
Hình 3.22 Van khí nén Airtac 3V210-08
Bảng 3.15 Thông số kỹ thuật van khí nén Airtac 3V210-08 Áp suất hoạt động 0.15 – 0.8 Mpa
Loại Van hơi 3 cửa 2 vị trí (1 đầu Coil điện)
Nhiệt độ hoạt động 20 – 70 0 C o Đèn và nút nhấn
Nhóm nghiên cứu đã tích hợp thêm các nút nhấn và công tắc vào hệ thống, cho phép người dùng dễ dàng bật tắt và theo dõi hoạt động của hệ thống thông qua các đèn báo trạng thái được gắn ở mặt trước tủ điện, giúp phát hiện nhanh chóng khi có sự cố xảy ra.
Hình 3.23 Các nút nhấn, công tắc vận hành hệ thống
Hình 3.24 Các đèn báo trạng thái của hệ thống
Theo yêu cầu thiết kế, hộp đựng sản phẩm là những hộp mica kích thước 252x86x30 (mm) với sản phẩm được làm bằng mica có kích thước tối đa 60x60x15 (mm)
Từ những yêu cầu trên nhóm đã lựa chọn băng tải có các thông số:
- Băng tải 1: chiều dài băng tải 600 (mm), chiều rộng mặt băng tải 100 (mm), chất liệu dây băng tải PVC, khung được làm từ nhôm định hình 20x20mm (Hình 3.25)
Hình 3.25 Mô hình 3D của băng tải 1
- Băng tải 2: chiều dài băng tải 1200 (mm), chiều rộng mặt băng tải 110 (mm), chất liệu dây băng tải PVC, khung được làm từ nhôm định hình 30x30mm (Hình 3.26)
Hình 3.26 Mô hình 3D của băng tải 2
• Động cơ kéo băng tải
Dựa theo những thông số từ bản thiết kế băng tải 1 gồm:
- Tổng khối lượng hàng trên băng chuyền: 0.2 kg
- Khối lượng của dây và trục băng tải: W = 1.2 kg
- Chiều dài băng tải: 60 cm
- Bán kính trục pully: 𝑟 = 2 cm
- Thời gian làm việc: 8 giờ/ngày
- Tốc độ tối đa của băng tải: V@000 mm/min
- Tỉ số truyền bằng tỉ số vòng quay pully2/ pully1 là: 3/2
- Moment đầu trục băng tải:
= = = - Moment đầu trục động cơ:
với 3/2 là tỷ số truyền
- Tốc độ quay động cơ:
Dựa theo những thông số từ bản thiết kế băng tải 2 gồm:
- Tổng khối lượng hàng trên băng chuyền: 0.2 kg
- Khối lượng của dây và trục băng tải: W = 1.8 kg
- Chiều dài băng tải: 120 cm
- Bán kính trục pully: 𝑟 = 2 cm
- Thời gian làm việc: 8 giờ/ngày
- Tốc độ tối đa của băng tải: V$000 mm/min
- Tỉ số truyền bằng tỉ số vòng quay pully2/ pully1 là: 5/2
- Moment đầu trục băng tải:
= = = - Moment đầu trục động cơ:
với 3/2 là tỷ số truyền
- Tốc độ quay động cơ:
Để đáp ứng yêu cầu thiết kế, băng tải vận chuyển sản phẩm cần hoạt động liên tục và đồng bộ với cơ cấu phân loại Nhóm đã lựa chọn động cơ bước 42BYGP40-PG5.18 phù hợp với yêu cầu về moment và tốc độ, với thông số kỹ thuật chi tiết được trình bày trong Bảng 3.16.
Hình 3.27 Động cơ bước 42BYGP40-PG5.18 Bảng 3.16 Thông số kỹ thuật của động cơ bước 42BYGP40-PG5.18
Số pha 2 Độ phân giải 1.8°
3.3.3 Thiết kế khâu phân loại sản phẩm
Do yêu cầu phân loại sản phẩm dựa trên hình dạng, nhóm đã lựa chọn phương pháp xử lý ảnh để đáp ứng yêu cầu đặt ra, đồng thời tạo nền tảng cho việc phát triển hệ thống trong tương lai.
Thiết kế phần mềm
Hệ thống có thể được vận hành ở 2 chế độ: Auto và Manual
- Khi nhấn ON hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động
- Băng tải 1 chạy đến khi cảm biến gặp hộp chứa sản phẩm sẽ dừng và băng tải 2 bắt đầu chạy
- Khi có vật xuất hiện trong vùng quét của camera, quá trình phân loại sản phẩm và chuyển đổi tọa độ sẽ được diễn ra
- Khi vật ra khỏi vùng quét của camera, Robot sẽ bắt đầu quá trình gắp và thả sản phẩm dựa theo tọa độ đã được tính toán
Quá trình phân loại sản phẩm sẽ diễn ra liên tục cho đến khi hộp đạt đủ số lượng sản phẩm yêu cầu Khi đó, băng tải 1 sẽ được kích hoạt để đưa hộp rỗng mới vào vị trí Đồng thời, băng tải 2 sẽ tạm thời dừng hoạt động trong suốt quá trình băng tải 1 di chuyển hộp mới vào vị trí.
- Khi camera phát hiện vật lỗi, Robot không gắp sản phẩm lỗi và số sản phẩm được tính ở trong hộp sẽ không bị ảnh hưởng
Dữ liệu về số sản phẩm phân loại được cũng như số hộp đã đủ ba vật sẽ được lưu trữ trên Firebase, cho phép truy vấn dễ dàng trên Webserver và giám sát trực quan trên màn hình HMI.
- Quá trình hoạt động sẽ diễn ra liên tục cho đến khi người vận hành ấn nút OFF, EMERGENCY hoặc chuyển sang chế độ Manual
- Ở chế độ Manual người dùng có thể điểu khiển từng thiết bị có trong hệ thống chẳng hạn như:
+ Chạy hoặc dừng băng tải 1 và 2
+ Bật tắt đầu hút khí nén
+ Quay lên hoặc quay xuống từng khớp của Robot với góc giới hạn là (-20:70) độ, quay trái hoặc quay phải (-180:180) đối với khớp xoay đầu hút
+ Điều khiển đầu hút sản phẩm của Robot di chuyển tiến, lùi, trái, phải, lên, xuống
- Khi hệ thống đang hoạt động ở chế độ Manual các biến đếm dữ liệu liên quan đến hệ thống sẽ không được cập nhật tự động
Dựa trên quy trình vận hành được trình bày ở phần trước, nhóm thiết kế đã xây dựng lưu đồ của hệ thống với hai chế độ vận hành chính là Auto và Manual, được minh họa cụ thể tại Hình 3.58, Hình 3.59 và Hình 3.60.
Khi hoạt động ở chế độ Auto, robot sẽ tự động gắp sản phẩm khi có hộp đi vào băng tải 1 và cho phép băng tải 2 chạy Các vật thể sẽ lần lượt đi vào vùng quét của camera theo một khoảng cách nhất định, tại đó robot sẽ gắp vật thể để đưa vào đúng vị trí thả trong hộp Quá trình gắp sản phẩm sẽ được lặp lại cho đến khi số lượng sản phẩm đạt được bằng với số lượng mong muốn.
Ở chế độ Manual, hệ thống hoạt động hoàn toàn theo sự điều khiển của người dùng thông qua các thao tác trên giao diện HMI, cho phép người dùng tự động hóa quy trình vận hành theo ý muốn.
Hình 3.60 Lưu đồ của chế độ Manual
3.4.3 Lưu đồ xử lý ảnh Đầu tiên, camera sẽ chụp liên tục và đưa về máy tính sử lý với hình ảnh RGB trên băng tải, khi có sản phẩm đi qua hình ảnh sản phẩm sẽ được chuyển từ kênh màu RGB sang HSV nhàm mục đích có thể xác định được rõ màu sắc của sản phẩm một cách chính xác Tiếp theo hình ảnh HSV đó sẽ được so sánh với mức ngưỡng đã được cài đặt trước để xác định màu của sản phẩm Sau đó ảnh sẽ được chuyển sang nhị phân và thông qua các kỹ thuật giảm nhiễu ta sẽ có được contour khi bao quanh các pixel có cùng giá trị Khi đã có contour bao quanh sản phẩm ta rất dễ áp dụng các hàm xử lý để tìm ra trọng tâm và góc xoay của sản phẩm Khi đã có đủ các thông tin về hình dạng, trọng tâm và góc xoay ta sẽ gửi các thông tin về PLC để tiến hành phân loại.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Thi công phần cứng
Sau khi hoàn thành robot, nhóm tiến hành thi công mô hình hệ thống gồm băng tải 1 và 2 được đặt song song với nhau, trong đó băng tải 1 được trang bị cảm biến quang để phát hiện hộp đi vào Mô hình này được thiết kế với robot đặt phía trên 2 băng tải, tạo nên một hệ thống tự động hóa hiệu quả.
Hình 4.1 Mô hình của hệ thống 4.1.2 Tủ điện
Quá trình thi công tủ điện của nhóm diễn ra gồm 2 giai đoạn:
- Bố trí, cố định và đi dây cho các thiết bị trên Panel tủ điện
- Gắn Panel lên tủ điện và nối dây cho các cơ cấu còn lại (nút nhấn, đèn, động cơ,…) (Hình 4.2)
Hình 4.2 Gắn Panel lên tủ điện và nối dây cho các cơ cấu còn lại
Sau khi có bản vẽ thiết kế Robot từ Solidworks nhóm tiến hành thi công Robot và đạt được kết quả như ở (Hình 4.3).
Thi công phần mềm
4.2.1 Lập trình điều khiển hệ thống trên GX Works3 Đầu tiên ta khai báo các module sử dụng trong hệ thống (Hình 4.4)
Hình 4.4 Khai báo các module có trong hệ thống
Tiếp đến ta khai báo các biến nhận và truyền dữ liệu giữa R04ENCPU với RD77MS4 (Hình 4.5)
Hình 4.5 Khai báo các biến truyền dữ liệu giữa R04ENCPU với RD77MS4
Viết chương trình điều khiển (phụ lục 1)
4.2.2 Lập trình điều khiển Robot trên Simple Motion Module
Ta cấu hình kết nối giữa Module RD77MS4 với các động cơ (Hình 4.6) và cài đặt các phương pháp điều khiển cho Robot Delta (Hình 4.7)
Hình 4.6 Cấu hình kết nối giữa Module RD77MS4 với các động cơ
Hình 4.7 Cài đặt các phương pháp điều khiển cho robot Delta
Chọn cách truyền động và khai báo các thông số cho động cơ Servo (Hình 4.8)
Cài đặt các tham số cấu hình của các động cơ Servo (Hình 4.9)
Hình 4.9 Cài đặt các tham số cấu hình của các động cơ Servo
4.2.3 Thiết kế giao diện giám sát và điều khiển trên GT Designer3
Để vận hành và giám sát HMI GS2110 – WTBD, nhóm sử dụng phần mềm GT Designer 3 để thiết kế giao diện, đáp ứng các tiêu chí cần thiết.
- Dễ vận hành giữa 2 chế độ Auto và Manual
- Có màn hình cảnh báo mỗi khi hệ thống gặp lỗi
- Có phân quyền giữa những người dùng khác nhau
Từ những tiêu chí đã đề ra ở trên nhóm đã thiết kế được giao diện HMI với tổng cộng 5 màn hình chính và 1 màn hình cửa sổ gồm:
- Màn hình điều khiển ở chế độ Manual liên kết PLC với PC thông qua
Liên kết giữa phần mềm máy tính và thiết bị thực PLC iQ-R được thiết lập thông qua MX Component, một công cụ giao tiếp mạnh mẽ cho phép kết nối với các bộ điều khiển lập trình (PLC) của Mitsubishi Electric thông qua các API sẵn có.
Máy tính (C#) MX Component PLC iQ-R
• Liên kết MX Component với PLC
Trước tiên để liên kết MX Component với PLC iQ-R ta thực hiện theo các bước sau:
Bước 1: Chọn loại kết nối, ở đây nhóm sử dụng kết nối bằng USB
Hình 4.10 Chọn kết nối giữa MX Component với PLC Bước 2: Chọn loại CPU, ở đây nhóm chọn CPU dòng R với mã là R04EN
Hình 4.11 Chọn loại CPU được kết nối với MX Component
Bước 3: Kiểm tra kết nối
Hình 4.12 Kiểm tra kết nối giữa MX Component với PLC
• Liên kết PLC với Visual Studio C# qua MX Component
Bước 1: Thêm thư viên hỗ trợ kết nối giữa MX Component với Visual Studio C#
Hình 4.13 Thêm thư viên hỗ trợ kết nối giữa MX Component với Visual Studio
Bước 2: Tạo hàm kết nối và ngắt kết nối với PLC trên Visual Studio C#
Hình 4.14 Hàm kết nối và ngắt kết nối với PLC trên Visual Studio C#
Sau khi thêm các biến trùng nhau vào trong Visual Studio C# và GX Works3, bạn có thể dễ dàng sử dụng, truyền và nhận dữ liệu giữa hai môi trường này, cho phép tích hợp liền mạch giữa ứng dụng C# và PLC.
4.2.4 Thiết kế chương trình xử lý ảnh bằng ngôn ngữ lập trình C Sharp Đầu tiên ta viết chương trình đọc ảnh liên tục từ camera bằng vòng lặp while(true) như (Hình 4.15)
Hình 4.15 Chương trình nhận ảnh từ camera
Khi có vật xuất hiện trong khung hình camera, chương trình sẽ tự động phát hiện thông qua một template màu đã được định nghĩa trước đó Template này sau đó sẽ được đưa vào hàm xử lý ảnh, nơi thực hiện các bước chuyển đổi ảnh cần thiết để lọc các pixel không cần thiết Mục đích chính của quá trình này là tìm và xác định contours của vật thể, giúp chương trình nhận dạng và phân tích chính xác hơn.
Hình 4.16 Chương trình giảm các pixel nhiễu và tìm contour
Từ contour tìm được có thể tìm các được các thông tin cơ bản thông qua cái API của thư viện EmguCV như:
- Góc xoay của vậy đối với hệ trục
Cuối cùng hiển thị các thông tin tìm được lên pictureBox cho người vận hành theo dỏi:
Hình 4.17 Kết quả hiện thị trên giao diện
Để bắt đầu sử dụng dịch vụ Realtime Database của Firebase, bước đầu tiên là tạo một dự án Firebase bằng cách truy cập vào trang web chính thức của Firebase và đăng nhập bằng tài khoản Google, sau đó thiết kế cơ sở dữ liệu phù hợp với nhu cầu của ứng dụng.
Tiếp theo đó kích hoạt Realtime Database thông qua các bước nhập một số thông tin và lựa chọn loại cơ sở dữ liệu và xác nhận
Sau đó Firebase sẽ cấp một Database rỗng để chúng ta có thể định hình cấu trúc của dữ liệu
Hình 4.18 Cấu trúc dữ liệu của Database
Database trên hình gồm các thành phần chính:
- System: thông tin về trạng thái On, Off của hệ thống
- Warning: thông tin cụ thể về thời gian của các trạng thái On, Off, Wanring
- Data: thông tin về từng sản phẩm được phân loại như hình dạng, thời gian được phân loại
- CharQuantity: thông tin phân tích tổng số lượng của tường loại sản phẩm
- CharBoxQuantity: thông tin phân tích tổng số lượng Box của từng loại sản phẩm
• Kết nối ứng dụng với Firebase Đầu tiên cần phải cấu hình SDK trên máy tính theo các hướng dẫn trong tài liệu của Firebase
Thêm mã kết nối ứng dụng với Firebase Realtime Database bao gồm việc cung cấp khóa API và thông tin xác thực để tạo kết nối
Hình 4.19 Cấu hình các thông tin để tạo kết nối với Firebase
Sau khi kết nối thành công với Firebase, người dùng có thể thực hiện các thao tác như đọc, ghi, cập nhật và xóa dữ liệu trong cơ sở dữ liệu một cách linh hoạt Điều này được thực hiện thông qua các API có sẵn của Firebase, cho phép xử lý các sự kiện theo thời gian thực.
Nhóm lựa chọn ngôn ngữ HTML, CSS và Javascript thường được ưu tiên sử dụng trong các trang web vì chúng dễ dàng tích hợp với Firebase Realtime Database, cho phép kết nối và lấy dữ liệu một cách hiệu quả.
Webserver được tạo với các tiêu chí như: trực quan, dễ quan sát và có tổng cộng 3 trang gồm:
- Trang Dashboard: gồm các thông tin về trạng thái hệ thống, sản phẩm đã được phân loại và biểu đồ phân tích số lượng
- Trang Export: dùng để truy vấn dữ liệu và xuất dữ liệu đó ra file excel
- Trang Contact: chứa các thông tin cá nhận
- Trang Login: xác thực người dùng trước khi cấp quyền giám sát và sử dụng
Hình 4.20 Lập trình Webserver bằng HTML, CSS, JS
KẾT QUẢ ĐẠT ĐƯỢC
Phần cứng
Sau quá trình thiết kế và thi công nhóm đã đạt được kết quả của phần cứng như ở (Hình 5.1) và (Hình 5.2)
Hình 5.1 Hệ thống sau khi hoàn chỉnh
Hình 5.2 Robot đang gắp sản phẩm
Phần mềm
5.2.1 Khâu giám sát và vận hành trên HMI và PC
Với tiêu chí thiết kế màn hình HMI trực quan, dễ sử dụng nên nhóm đã thiết kế giao diện điều khiển HMI gồm các màn hình như sau:
Hình 5.4 Màn hình tổng quan hệ thống
Màn hình điều khiển (Hình 5.5) để vận hành và quan sát trạng thái hoạt động của hệ thống
Hình 5.5 Màn hình điều khiển
Màn hình điều khiển (Hình 5.6) ở chế độ Manual dùng để điều khiển robot và băng tải theo các chế độ chạy bằng tay
Hình 5.6 Màn hình điều khiển ở chế độ Manual
Màn hình giám sát (Hình 5.7) dùng để giám sát các trạng thái hoạt động của hệ thống
Hình 5.7 Màn hình giám sát
Màn hình cài đặt (Hình 5.8) dùng để cài đặt tốc độ cho từng khớp của Robot Delta
Hình 5.8 Màn hình cài đặt
Màn hình cảnh báo (Hình 5.9) dùng để xem các lỗi của hệ thống
Hình 5.9 Màn hình cảnh báo
Giao diện điều khiển và giám sát trên Winform (Hình 5.10) và (Hình 5.11) cung cấp cho người dùng cái nhìn tổng quan về hoạt động của camera trong hệ thống cũng như dữ liệu hoạt động của hệ thống, giúp người dùng dễ dàng theo dõi và kiểm soát hệ thống.
Hình 5.10 Màn hình giám sát và điều khiển trên Winform
Hình 5.11 Màn hình truy xuất và phân tích dữ liệu
5.2.2 Truy vấn và giám sát dữ liệu trên Webserver
Webserver giúp cho người dùng có thể giám sát trạng thái hoạt động của hệ thống từ xa bằng điện thoại hay máy tính có kết nối internet
Hình 5.12 Trang giám sát trên Webserver
Hình 5.13 Trang truy xuất dữ liệu
Hình 5.14 Trang thông tin liên hệ
Kết quả thực nghiệm
Giao diện Winform và HMI khi hệ thống đang hoạt động như ở các hình bên dưới
Hình 5.16 Giao diện Winform khi camera phát hiện vật hình chữ nhật
Hình 5 17 Giao diện Winform khi camera phát hiện vật hình tròn
Hình 5 18 Giao diện Winform khi camera phát hiện vật hình lục giác
Hình 5.19 Giao diện HMI khi camera phát hiện vật hình chữ nhật
Hình 5 20 Giao diện HMI khi camera phát hiện vật hình tròn
Hình 5 21 Giao diện HMI khi camera phát hiện vật hình lục giác
Nhóm đã tiến hành khảo sát trên sản phẩm với ba hình dạng khác nhau, số lần lấy mẫu của mỗi sản phẩm là 100, kết quả như ở (Bảng 5.1)
Bảng 5.1 Kết quả thực nghiệm
Số lần phân loại Hình dạng
Kết quả phân loại Độ chính Chữ xác nhật Tròn Lục Giác Lỗi
Xác suất chính xác đạt 96% là tương đối thấp, theo nhóm nghiên cứu và phân tích thì nguyên nhân đến từ những lý do sau:
Các yếu tố khách quan của môi trường như cường độ ánh sáng và độ tương phản có thể ảnh hưởng đến khả năng nhận dạng của Camera khi vật thể di chuyển từ bên ngoài băng tải vào Đặc biệt, cường độ ánh sáng quá thấp hoặc quá cao sẽ khiến Camera gặp khó khăn trong việc nhận dạng vật thể một cách hiệu quả.
Bên cạnh những hạn chế về phần cứng, yếu tố phần mềm cũng cần được cải thiện đáng kể Đặc biệt, phần điều chỉnh các thông số trong phần mềm Visual Studio C# vẫn còn nhiều bất cập và chưa thật sự hoàn hảo, đòi hỏi sự nâng cấp và tinh chỉnh để mang lại trải nghiệm tốt hơn cho người dùng.
Quy trình xử lý ảnh hiện tại còn phụ thuộc vào một số hàm có sẵn, dẫn đến khả năng xử lý chưa thực sự nhạy và linh hoạt đối với từng điều kiện môi trường cụ thể Điều này đặc biệt rõ ràng khi kết hợp với webserver, nơi dữ liệu được truyền nhận một cách bất đồng bộ, gây ra sự chậm trễ trong quá trình xử lý và ảnh hưởng đến hiệu suất của toàn bộ hệ thống.
- Mật độ sản phẩm lớn khiến robot không đáp ứng đủ tốc độ gắp hết vậy, phạm vi camera hạn chế nên robot bị giới hạn tầm nhìn.