Chương 1: Giới thiệu hệ thống phấn loại sản phẩm theo chiều cao, màu sắc1.1 Giới thiệu tổng quanHiện nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, tự động hoá đóng một vai tr
Giới thiệu tổng quan
Hiện nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kĩ thuật, tự động hoá đóng một vai trò quan trọng trong mọi lĩnh vực đời sống, các dây chuyền tự động được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong sản xuất Các doanh nghiệp sản xuất luôn tự cải tiến công nghệ, hệ thống máy móc của mình để tạo ra những sản phẩm có chất lượng tốt nhất, giá cả cạnh tranh nhất Đó chính là cơ sở để nâng cao vị thế cạnh tranh, giúp doanh nghiệp đứng vững trên thị trường khốc liệt Trong ứng dụng cụ thể, tự động hóa được sử dụng để điều chỉnh và kiểm soát các thông số hoạt động của các loại thiết bị máy móc Trong các hệ thống điều khiển công nghiệp thường sử dụng Programmable Logic Controller (PLC) để thiết lập thuật toán điều khiển, thu thập và ghi nhận thông tin phản hồi từ dây chuyền sản xuất
Các công đoạn sản xuất thủ công sử dụng sức lao động chân tay đang dần được thay thế bằng các hệ thống dây chuyền sản xuất tự động Sử dụng các hệ thống điều khiển khác nhau cho các thiết bị vận hành như máy móc, quy trình trong nhà máy, các ứng dụng và phương tiện khác nhằm giảm sự can thiệp của con người, một số quy trình đã được thực hiện hoàn toàn tự động
Qua quá trình tìm hiểu các dây chuyền, hệ thống sản xuất tự động hoá trong các doanh nhiệp Chúng em đã thấy rất nhiều khâu tự động hoá khác nhau Một trong số đó là khâu phân loại và lắp ghép sản phẩm Do đó nhóm chúng em chọn đề tài “Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc, chiều cao, có loại bỏ sản phẩm lỗi” làm đề tài báo cáo cuối kỳ môn Trang bị điện và Khí nén.
Hệ thống phân loại sản phẩm màu sắc được rất nhiều đơn vị, cá nhân nghiên cứu như:
- Huỳnh Văn Ngọc áp dụng thiết kế hệ thống điều khiển giám sát, phân loại sản phẩm theo chiều cao Sử dụng hê thống phân loại chiều cao để phân loại thùng carton.
- Nguyễn Thành Thắng ứng dụng hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc để phân loại táo, …
Trong thực tế, hệ thống được sử dụng khá rộng rãi như:
- Phân loại sản phẩm theo màu sắc: phân loại trái cây, nước giải khát, mỹ phẩm, thủy hải sản,
- Phân loại sản phẩm theo chiều cao: phân loại sản phẩm đóng hộp, thùng hàng, gói hàng với chiều cao khác nhau để tiến hành sắp xếp, đóng gói cho phù hợp, …
- Lắp ghép sản phẩm: hệ thống có thể lắp ghép chi tiết để hoàn thiện sản phẩm, đóng nắp sản phẩm,
- Loại bỏ sản phẩm lỗi: dùng để loại bỏ các nông sản, thủy sản, các sản phẩm đóng hộp không đạt yêu cầu, …
Mô tả các thành phần của hệ thống
Nhấn nút Start khởi động hệ thống Sản phẩm được đưa vào băng tải chính đầu tiên qua khâu phân loại chiều cao Cảm biến nhận dạng sản phẩm cao thì tay gạt gạt sản phẩm vào line 1, sản phẩm thấp vào line 2 Thùng được phân loại theo chiều cao di chuyển đến pallet, cứ đủ 3 thùng pallet sẽ di chuyển Sản phẩm đến khâu phân loại màu sắc và được phân loại bằng cảm biến Vision Sản phẩm xanh dương sẽ phân loại vào line thứ 3 xanh lá vào line thứ 4 Sản phẩm đã phân loại màu sắc đưa đến vị trí ghép, được cố định bằng Right Position và thực hiện ghép bằng cánh tay robot Sản phẩm sau khi ghép phôi đưa đến vị trí đóng gói ,cánh tay robot thực hiện gắp sản phẩm vào thùng , cứ 3 sản phẩm 1 thùng Sản phẩm lỗi không được phân loại sẽ đi thẳng đến cuối băng chuyền và đưa vào kho chứa sản phẩm lỗi.
Khâu điều khiển: tủ điện có 3 nút nhấn
Khâu vận chuyển: gồm các băng tải
- Băng tải PVC (Belt Conveyor) gồm: 4 băng tải 6m, 8 băng tải 4m và 4 băng tải 2m
- Băng chuyền trục lăn (Roller Conveyor )
Khâu phân loại chiều cao: gồm trục cánh tay mềm và cảm biến:
- 2 Cảm biến quang (Diffuse Sensor).
- 2 Trục cánh tay mềm (Pivot Arm Softer).
Khâu đếm và đóng thùng sản phẩm:
- 2 Băng chuyền trục lăn (Roller Conveyor ) để đưa thùng hàng đã đóng gói ra kho.
- 2 Cảm biến quang (Diffuse Sensor).
Khâu phân loại màu sắc:
- 2 Cảm biến hình ảnh (Vision sensor) để nhận diện phân loại màu sắc.
- 2 Xi lanh (Pusher): để đẩy hàng về đường băng tải mong muốn.
Khâu lắp ghép và đóng gói sản phẩm:
- 4 Tay Robot cố định sản phẩm (Right Positioner).
- 4 Cánh tay Robot Two-Axis Pick & Place để lắp ráp và đóng gói sản phẩm.
- 9 Cảm biến quang (Diffuse Sensor) để nhận diện vị trí của sản phẩm.
Thiết kế trang bị điện cho hệ thống
Quy trình vận hành hệ thống
B1: Nhấn start để khởi động hệ thống
B2: Phân loại sản phẩm theo chiều cao, đóng thùng sản phẩm
B3: Phân loại sản phẩm theo màu sắc, lắp ghép sản phẩm và đóng thùng B4: Loại bỏ sản phẩm lỗi
Nhấn Stop để dừng hệ thống
Nhấn Reset để reset lại hệ thống
Thiêt kế sơ đồ các khối chức năng
Hệ thống hoạt động như sau: Nhấn nút Start khởi động hệ thống Sản phẩm được đưa vào băng tải chính đầu tiên qua khối phân loại chiều cao Cảm biến nhận dạng sản phẩm cao thì tay gạt gạt sản phẩm vào line 1, sản phẩm thấp vào line 2 Thùng được phân loại theo chiều cao di chuyển đến pallet, cứ đủ 3 thùng pallet sẽ di chuyển.Sản phẩm đến khối phân loại màu sắc và được phân loại bằng cảm biến Vision Sản phẩm xanh dương sẽ phân loại vào line thứ 3 xanh lá vào line thứ 4.Sản phẩm đã phân loại màu sắc đưa đến vị trí ghép, được cố định bằng Right Position và thực hiện ghép bằng cánh tay robot.Sản phẩm sau khi ghép phôi đưa đến vị trí đóng gói ,cánh tay robot thực hiện gắp sản phẩm vào thùng , cứ 3 sản phẩm 1 thùng Sản phẩm lỗi không được phân loại sẽ đi thẳng đến cuối băng chuyền và đưa vào kho chứa sản phẩm lỗi.
Với những tính năng trên, hệ thống cần có các khối chức năng:
+ Khối phân loại chiều cao
+ Khối phân loại màu sắc
+ Khối lắp ghép và đóng gói sản phẩm
+ Khối đếm và đóng thùng sản phẩm
+ Khối loại bỏ sản phẩm lỗi
Sơ đồ các khối chức năng của hệ thống
Lựa chọn thiết bị cho các khối
2.3.1 Nhiệm vụ các khối chức năng
+ Khối khởi động: khởi động hệ thống
+ Khối phân loại chiều cao: phân loại sản phẩm theo 2 chiều cao đặt trước Sản phẩm cao nhất được cần gạt đưa vào line 1, sản phẩm vừa sẽ được cần gạt đưa vào line 2.
+ Khối đếm và đóng thùng sản phẩm: đếm sản phẩm đã phân loại theo chiều cao, đủ 3 sản phẩm sẽ đóng thành 1 thùng.
+ Khối phân loại màu sắc: phân loại các sản phẩm thấp theo 2 màu xanh lá và xanh dương Màu xanh dương được pusher đẩy vào line 3, màu xanh lá được pusher đẩy vào line 4.
+ Khối loại bỏ sản phẩm lỗi: sản phẩm không được phân loại theo chiều cao và màu sắc chọn trước sẽ đưa vào kho chứa sản phẩm lỗi.
2.3.2 Lựa chọn thiết bị cho các khối
2.3.2.1 Khối xử lý trung tâm a) Giới thiệu chung PLC
Thông số kỹ thuật: Độ phân giải 752 x 480 Pixel
Tiêu cự Hiệu quả 8mm
Khoảng cách phát hiện tối thiểu 50mm
Hình 9.Sơ đồ nối dây cảm biến
2.3.2.4 Khối đếm và đóng thùng sản phẩm
* Khi sản phẩm được đưa tới thì khối đếm và đóng thùng sản phẩm sẽ thông qua cảm biến quang để thực hiện đếm sản phẩm đến khi đủ 3 sẽ đưa ra băng tải con lăn và đóng thùng sản phẩm.
* Khối đếm và đóng thùng sản phẩm gồm: Băng tải con lăn và bộ đếm couter
Chiều rộng: 0.6m Độ dày : 2-80mm
Hình 10.Băng tải con lăn b) Motor giảm tốc:
Công suất: 0.1kw đến 160kW
Tỷ số truyền: 1/3 đến 1/40000 tương ứng tốc độ nhanh nhất 300v/p đến 0.05v/p Điện áp: 3pha 220v/380v
Các loại băng tải thường dùng: Băng tải nặng như thực phẩm, Băng tải cao su, Băng tải con lăn, Băng tải xích, Băng tải xoắn ốc
Hình 11.Motor giảm tốc c) Bộ đếm counter
Tính năng: đếm lên/ đếm xuống và có thể đặt được tỷ lệ.
Tự động lưu giá trị khi mất điện.
2.3.2.5 Khối phân loại màu sắc
* Khối phân loại màu sắc sẽ thực hiện phân loại cho các sảm phẩm có màu sắc khác nhau và thông qua xi lanh khí nén để đẩy sản phẩm về lane có màu sắc tương ứng.
* Khối phân loại màu sắc gồm: Cảm biến hình ảnh(Vision Sensor) và xi lanh khí nén (Pusher). a) Cảm biến hình ảnh ( Vision Sensor):
Thiết bị ánh sáng: giúp thu được hình ảnh chất lượng nhất
Thiết bị thu ảnh – ống kính: giup thu được hình ảnh của sản phẩm.
Bộ cảm biến hình ảnh: giúp phân loại, đánh dấu, nhận diện sản phẩm.
Bộ xử lý thị giác: giúp phát hiện các khuyết tật của sản phẩm và nhận diện mã vạch
Hệ thống liên lạc: kết nối đưa hình ảnh về máy chủ.
Giống với cảm biến quang điện, cảm biến hình ảnh đóng vai trò như “con mắt” của hệ thống điều khiển, điểm khác biệt là ở chỗ cảm biến hình ảnh phải thu thập, phân tích dữ liệu qua hình ảnh rộng chứ không phải qua 1 điểm. Nghĩa là đầu vào của cảm biến hình ảnh là cả một bức ảnh chứ không phải chỉ là sự tồn tại hay không ánh sáng ở 1 điểm (cảm biến quang điện), từ dữ
23 liệu ảnh thu thập được cảm biến này phân tích để đưa ra tín hiệu điều khiển ở đầu ra Qúa trình này có thể biểu diễn đơn giản qua 3 giai đoạn:
1 Thu thập(acquire): camera “chụp ảnh” đối tượng.
2 Phân tích(analyze): “Bức ảnh” được lưu lại tại bộ nhớ, sau đó thực hiện xử lý, phân tích, so sánh với các thông số đặt trước.
3 Đưa ra kết quả (determine): căn cứ vào những dữ liệu thu thập, phân tích, cũng như tham số đặt trước cảm biến sẽ đưa ra kết quả ở đầu ra.
Cảm biến hình ảnh có thể dễ dàng kết nối và trao đổi dữ liệu với các hệ thống thiết bị khác của nhà máy để hiển thị kết quả và kích hoạt các công đoạn tiếp theo của quá trình tự động hóa.
Hình 13 Cảm biến hình ảnh.
In-Sight Explorer EasyBuilder, Cognex VisionView PC Software, and VisionView 900 HMI touchscreen panel
Màu sắc Đơn sắc, màu Ống kính
Tiêu chuẩn: tự động lấy nét (liquid lens) 6.2 mm or lấy nét thủ công 8 mm Tùy chọn: Lấy nét thủ cổng 3.6 mm, 6 mm, 12 mm, 16 mm, 25 mm Độ phân giải
1280 x 960 (*Available in select regions) Ánh sáng
Tiêu chuẩn: Led đỏ (loại đơn sắc), Led trắng (loại màu)
Tùy chọn: Ánh sáng đỏ, xanh, IR led; bộ lọc phân giải và lọc phân cực
Mẫu ký tự, đếm Pixel, độ tương phản, độ sáng
Mẫu ký tự, đếm Pixel, độ tương phản, độ sáng, cạnh, đo lường, đếm (khoảng cách, đường kính,…)
Dữ liệu ngõ ra Đạt / không đạt Đạt / không đạt, số.
Giao thức chung: TCP/IP, UDP, FTP, Telnet, RS-232C
Giao thức công nghiệp: EtherNet/IP with AOP, PROFINET, SLMP, SLMP Scanner, CC-Link IE Field Basic, Modbus TCP
Kết nối: Industrial M12 Ethernet, M12 Power & I/O
Ngõ vào & ngõ ra: 1 nút khởi động, 1 cổng vào đa dụng, 4 cổng ra đa dụng
Hình 4.Xi lanh khí nén.
Tác động xi lanh Tác động đơn
Môi chất làm việc Khí nén có áp suất cao Áp suất làm việc 0.1 ~ 1 MPa (14 ~ 145 psi) Áp suất chịu được tối đa 1.5Mpa (215 psi)
Tốc độ xi lanh 30mm/s ~ 500mm/s Điều chỉnh hành trình -10 ~ 0 mm
Sai số hành trình +1mm Đầu ống gắng ống khí nén M5 x 0.8 Đường kính ống xylanh 10mm Đường kính 2 trục ti 6mm
Hình 5 Sơ đồ cấu tạo Xi lanh
2.3.2.6 Khối lắp ghép và đóng gói sản phẩm
* Khối lắp ghép và đóng gói sản phẩm có nhiệm vụ nhận biết vật tới thông qua cảm biến hình ảnh, sau đó vật sẽ được cố định và thông qua cánh tay Robot để lắp ghép cho sản phẩm với phần nắp đã được cho ra từ trước Sản phẩm sau khi đã đóng gói được đưa ra để một Cánh tay Robot khác để gắp và đóng gói sản phẩm, cứ đù 3 sản phẩm sẽ được đóng gói.
* Khối lắp ghép và đóng gói sản phẩm gồm: Cánh tay Robot Two-Axit Pick&Place, couter đếm, Tay kẹp cố định sản phẩm.
Robot Two-Axit Pick&Place:
Robot Two-Axit Pick&Place được ứng dụng tự động hóa với cánh tay robot công nghiệp cho nhà máy thông minh giúp bốc dỡ hàng hóa, xếp hàng lên pallet, xếp hàng vào thùng carton, thùng nhựa, hộp nhựa Robot giúp tăng tốc đóng gói, an toàn và linh hoạt trong sản xuất, tiết kiệm thời gian và chi phí.
Robot Two-Axit Pick&Place được cấu tạo từ:
Trục chính: Được làm từ thép mạ kẽm hoặc nhôm có chức năng giữ cố định cho cánh tay Robot Ngoài ra bên trong trục chính còn có một hệ thống Encoder để điều khiển cho cánh tay có thể xoay tròn, tăng độ linh hoạt cho cánh tay Robot.
Trục gắp: Chứa hệ thống khí nén có chức năng hút vật và nâng lên hơcj hạ xuống.
Trục di chuyển: Có chức năng di chuyển trục gắp tới trước hoặc lui trục gắp về sau
Cân nặng tối đa kg
Robot Two-Axit Pick&Place khi được lập trình có thể gắp vật lên thông qua hệ thống khí nén có trong Robot và di chuyển theo phương tiến tới hoặc lui về Ngoài ra Robot Two-Axit Pick&Place còn có thể xoay 360 để di chuyển vật 0 tới vị trí người lập trình mong muốn.
Sơ đồ nối dây thiết bị
Sơ đồ kết nối PLC: Ngõ vào và ngõ ra đều được kết nối theo Sinking.
Thiết kế và vận hành hệ thống ảo
Giới thiệu về Factory I/O
Factory IO là phần mềm mô phỏng hệ thống 3D rất trực quan và hiện đại Hỗ trợ mô phỏng Process chuyên nghiệp với nhiều hãng PLC, thư viện đa dạng sát thực tế.
Các hệ thống đối tượng trong Factory I/O
Factory IO được thiết kế sẵn 20 mô hình dựa theo các ứng dụng công nghiệp Các hệ thống, đối tượng trong Factory IO thường được cung cấp sẵn trong thư viện Factory IO để thiết kế dây chuyền, hệ thống theo nhu cầu riêng của bạn Các thư viện này có thể được thấy khi mở phần mềm Factory IO lên ở góc bên phải gồm các thư viện như băng tải nặng, băng tải nhẹ, cảm biến…
Các phím tắt chức năng để thiết kế mô hình Để thiết kế được các mô hình 3D trong Factory IO yêu cầu khả năng sử dụng chuột linh hoạt Ngoài ra còn có 1 số các phím tắt giúp ta có thể thao tác một chạy dễ dàng và nhanh chóng.
Thiết kế hệ thống ảo trên Facrory I/O
Mở phần mềm Factory IO bước tiếp theo chọn New để khai tạo project
Sau khi khởi động project, ta tiếp tục thiết kế mô hình vận chuyển nhà kho.
Hệ thống bao gồm các thiết bị có sẵn trong thư viện của phần mềm, ta chỉ cần lấy ra và lắp đặt hệ thống nhà kho theo ý muốn Ta nhấn vào mục Palette window để lựa chọn thiết bị Đề tài nhà kho sử dụng 2 băng tải loại năng, các cảm biến vị trí, hệ thống kệ hàng và hệ thống máy nâng chuyển Sau khi lấy thiết bị, ta sử dụng chuột và các phím tắt để thiết lập mô hình mô phỏng nhà kho.
Thiết kế hệ thống ảo hoàn chỉnh
Giao tiếp Factory I/O với PLCSIM
Sau khi đã thiết kế xong hệ thống, Factory IO sẽ kết nối với các bộ điều khiển PLC thông qua các driver kết nối được cung cấp sẵn. Đối với một PLC chưa được Factory IO cung cấp drive có sẵn thì các bạn có thể kết nối thông qua các giao thức trung gian như OPC, Modbus
33 Ở đây để giao tiếp Siemens S7-PLCSIM sử dụng Template như hình dưới để kết nối với TIA PORTAL ( hiện hỗ trợ đến V17)
Vận hành hệ thống
Ngoài các phím tắt thì ở đây có thanh taskbar để vận hành hệ thống
Nhấn vào dấu mũi tên ( phím start) để khởi động Phím Pause để dừng hệ thống. Set up camera để quan sát hệ thống dễ dàng hơn,
Các bước vận hành hệ thống
Bước 1: Khởi động hệ thống
Bước 2 Phân loại chiều cao, đóng thùng sản phẩm
Bước 3: Phân loại sản phẩm theo màu sắc, lắp ghép sản phẩm và đóng thùng
Bước 4 Sản phẩm lỗi không phân loại sẽ bị loại bỏ
Kết quả và kết luận
Kết quả đạt được
Các nội dung mà nhóm đã thực hiện được:
- Thiết kế được hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc, chiều cao, có phân loại sản phẩm lỗi.
- Sử dụng phần mềm Factory I/O để lắp ráp và mô phỏng hệ thống 3D
- Sử dụng phần mềm TIA Portal để viết chương trình điều khiển hệ thống.
- Giao tiếp thành công giữa Factory IO và PLC SIM.
Kết luận
Sau khi thực hiện xong đề tài, nhóm rút ra một số kết luận như sau:
Về những ưu điểm của đề tài:
- Hệ thống có nhiều ứng dụng trong thực tiễn, khả năng ứng dụng cao, giúp tiết kiệm được chi phí và thời gian sản xuất.
- Các thiết bị được sự dụng giá thành phù hợp, dễ tìm trên thị trường
Về mặt hạn chế của đề tài:
- Hệ thống 3D được mô phỏng trên phần mềm Factory IO đôi khi chạy còn bị một số lỗi nhỏ.
- Phần mềm Factory IO không có khả năng mô phỏng quá tải trên băng tải.
- Hệ thống chỉ hoạt động được trên phần mềm mô phỏng Factory IO nhưng vẫn chưa có mô hình thực tế.
Hướng phát triển của đề tài:
- Có thể mở rộng thêm các băng tải, phân biệt được nhiều loại sản phẩm hiệu quả hơn, kết hợp nhiều hình thức phân loại sản phẩm như phân loại cân nặng, phân loại hình dáng,….,
- Cải thiện hiệu suất làm việc của động cơ bằng các chế độ làm việc thích hợp, chế độ nghỉ, cải thiện tối đa các sự cố thường gặp trong hệ thống băng tải.
- Mở rộng thêm các khâu khác trong hệ thống như lưu kho nhiều tầng hay in, ép sản phẩm,…….