Nội dung thực hiện - Tìm hiểu về PLC Siemens S7-1214 DC/DC/DC - Tìm hiểu về điều khiển động cơ Step Nema17, Driver TB66000 - Sử dụng phần mềm SolidWorks thiết kế phần cứng và thi công t
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Hiện nay, trong lĩnh vực sản xuất, sự tiến bộ của công nghệ đang thúc đẩy việc áp dụng các dây chuyền tự động rộng rãi hơn bao giờ hết Để duy trì sự cạnh tranh và sản xuất những sản phẩm chất lượng cao với giá cả hợp lý, các doanh nghiệp liên tục nâng cấp công nghệ và hệ thống máy móc của mình Điều này không chỉ giúp củng cố vị thế trên thị trường cạnh tranh mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho sự phát triển bền vững
Quá trình tự động hóa là việc áp dụng công nghệ tiên tiến vào quy trình sản xuất để chuyển đổi các hoạt động từ lao động con người sang máy móc và thiết bị Tự động hóa giúp tăng cường tốc độ và độ chính xác của sản xuất, giảm thiểu sự can thiệp của con người và thậm chí làm cho một số quy trình hoàn toàn tự động
Trong bối cảnh công nghệ và tự động hóa ngày càng phát triển nhanh chóng, nhu cầu về các thiết bị điện tử và vi mạch điện tử ngày càng tăng cao Điều này đặt ra yêu cầu cao hơn về hiệu suất và độ chính xác trong quy trình sản xuất, đặc biệt là trong việc hàn các linh kiện điện tử lên bảng mạch in (PCB) Phương pháp hàn thủ công truyền thống không chỉ tốn nhiều thời gian và công sức mà còn dễ gây ra lỗi, ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm
Máy hàn linh kiện tự động ra đời như một giải pháp hiệu quả để giải quyết những thách thức này Sử dụng các công nghệ tiên tiến như robot và hệ thống điều khiển tự động, máy hàn linh kiện tự động có thể thực hiện các thao tác hàn với độ chính xác cao và tốc độ nhanh chóng Điều này mang lại sự cải thiện đáng kể về năng suất và đồng đều của sản phẩm, đồng thời giảm thiểu tỷ lệ lỗi và lãng phí nguyên vật liệu Nhóm quyết định thực hiện đồ án tốt nghiệp với đề tài "Nghiên cứu, thiết kế và thi công hệ thống hàn linh kiện tự động", nhằm đáp ứng nhu cầu ngày càng cao về hiệu quả, tính linh hoạt trong quản lí kho và giảm thiểu chi phí nhân công Mục tiêu chính của dự án này là tối ưu hóa các quy trình vận hành, đảm bảo hệ thống hoạt động ổn định và hiệu quả nhất.
Mục tiêu đề tài
Mục tiêu của đề tài “Hàn mạch tự động bằng phương pháp hàn sóng” được thực hiện với những mục tiêu cụ thể sau:
- Thiết kế mô hình hệ thống trên phần mềm Solidwork
- Ứng dụng PLC S7-1200 điều khiển mô hình hệ thống hàn linh kiện với nhiều loại linh kiện khác nhau
- Thực hiện mô phỏng hệ thống, vận hành hệ thống thực tế và hiển thị trên màn hình HMI
- Ứng dụng xử lý ảnh trong hệ thống để phân loại board mạch và nhận diện tính đúng đắn của linh kiện điện tử
Việc sử dụng PLC trong hệ thống hàn linh kiện tự động sẽ giúp tăng tính chính xác và độ tin cậy của quá trình sản xuất Nhờ tính linh hoạt và đa dạng của chương trình, PLC có thể xử lý được các tín hiệu phức tạp để điều khiển quá trình hàn linh kiện theo các thông số quy định Với mục tiêu ứng dụng PLC trong hệ thống hàn linh kiện tự động, đề tài sẽ cung cấp cho người đọc những kiến thức cơ bản về PLC, cách thiết kế và lập trình hệ thống PLC để điều khiển quá trình hàn linh kiện, từ đó giúp tăng cường khả năng cạnh tranh của các doanh nghiệp trong lĩnh vực hàn board mạch.
Nội dung đề tài
Phần nội dung của đề tài “Hàn mạch tự động bằng phương pháp hàn sóng” có những chương như sau:
Giới thiệu sơ lược về hệ thống hàn mạch, tính ứng dụng của hệ thống trong thực tế Đưa ra vấn đề, đặt một số mục tiêu, phương pháp thực hiện đề tài và giới hạn nội dung thực hiện
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Tổng quan về hệ thống hàn mạch tự động, quy trình hàn board mạch và lý thuyết bộ điều khiển
Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị
Trình bày các yêu cầu thiết kế của hệ thống Từ đó, tính toán lựa chọn thiết bị phù hợp với yêu cầu hệ thống Thiết kế tủ điện và mô hình ứng dụng trên phần mềm
Chương 4: Thi công hệ thống
Nêu các yêu cầu thiết kế, xây dựng lưu đồ giải thuật của hệ thống và chương trình điều khiển Thiết kế giao diện giám sát HMI và giao diện xử lý ảnh
Chương 5: Kết quả đạt được
Trình bày kết quả đạt được của mô hình hệ thống về phần cứng và phần mềm Từ đó, đánh giá chất lượng hoạt động và điều khiển của hệ thống
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển đề tài
Trình bày các kết luận rút ra được sau khi hoàn thành đề tài, đưa ra hạn chế cần khắc phục và hướng phát triển trong tương lai.
Giới hạn đề tài
Đề tài tập trung nghiên cứu, điều khiển và giám sát hoạt động của hệ thống “Hàn mạch tự động” cũng như nghiên cứu các phương pháp hàn board mạch trên thực tế và áp dụng để có thể đưa ra hướng tiện ích nhất có thể
Mặc dù việc ứng dụng PLC trong hệ thống hàn board mạch có nhiều ưu điểm như tăng tính chính xác và độ tin cậy của quá trình sản xuất, giảm thiểu sự can thiệp của con người cũng như đảm bảo về chất lượng sản phẩm, tuy nhiên đề tài cũng có những giới hạn cần được lưu ý Đề tài chỉ tập trung thiết kế giao diện, điều khiển một cách đơn giản thuận tiện và thân thiện nhất cho người vận hành hệ thống
Nhóm phát triển hệ thống tập trung vào các board có các linh kiện lớn và chân linh kiện dài, cách xa nhau Mô hình của nhóm hướng về hàn các mạch PCB có lớp phủ để có kết quả tốt nhất
Nhóm đã ứng dụng thành công xử lý ảnh để phân loại board mạch và nhận dạng tính đúng đắn của linh kiện
Việc sử dụng bộ điều khiển nhiệt độ REX-C100, không truyền tín hiệu nhiệt độ lên PLC để điều khiển nên cần phải quan sát lò nung cho đến khi thiếc nóng chảy hoàn toàn mới được bật bơm thiếc
Nhóm hướng phát triển đến các doanh nghiệp nhỏ lẻ, nên chi phí được giới hạn và tối ưu nhất mà vẫn đáp ứng đủ những nhu cầu đề ra cho đề tài.
Phương pháp nghiên cứu
- Đề ra mục tiêu rõ ràng, hướng đi cụ thể
- Nghiên cứu, đưa ra được ưu/nhược điểm của các phương pháp thực hiện
- Nghiên cứu các tài liệu liên quan
- Thiết kế từng phần riêng lẻ kết hợp lại tạo ra hệ thống hoàn chỉnh
- Thực hiện hoạt động ở nhiều điểm làm việc, đánh giá chất lượng hoạt động.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống hàn board mạch tự động
2.1.1 Giới thiệu về hệ thống hàn board mạch tự động
Trong ngành sản xuất điện tử hiện đại, tự động hóa ngày càng trở nên quan trọng nhằm nâng cao hiệu quả và chất lượng sản phẩm Hệ thống hàn board mạch tự động chính là một ví dụ điển hình cho sự phát triển này Bằng việc ứng dụng các công nghệ tiên tiến, hệ thống này có khả năng hàn các linh kiện điện tử lên board mạch in (PCB) với độ chính xác và tính nhất quán cao Điều này không chỉ giúp giảm thiểu sai sót do con người gây ra mà còn tăng cường năng suất sản xuất
Hình 2.1: Mạch PCB trong công nghiệp
Hệ thống hàn board mạch tự động thường bao gồm các thành phần chính như máy hàn robot, hệ thống điều khiển và các thiết bị phụ trợ như hệ thống cấp linh kiện, kiểm tra chất lượng hàn và hệ thống làm mát Các robot hàn được lập trình để thực hiện các thao tác hàn theo quy trình đã được tối ưu hóa, đảm bảo rằng mọi điểm hàn đều đạt chất lượng cao và đồng đều Điều quan trọng hơn, sự chính xác và tốc độ của hệ thống hàn tự động không chỉ giúp giảm thiểu thời gian sản xuất mà còn giảm chi phí lao động và tỷ lệ lỗi sản phẩm Điều này mang tính quyết định đặc biệt trong các ngành công nghiệp yêu cầu tiêu chuẩn cao về độ tin cậy và chất lượng như công nghệ thông tin, viễn thông, y tế và tự động hóa công nghiệp
Tóm lại, việc áp dụng hệ thống hàn board mạch tự động không chỉ đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về chất lượng và sản lượng trong ngành sản xuất điện tử, mà còn là một bước tiến quan trọng trong việc thúc đẩy sự chuyển đổi sang các quy trình sản xuất thông minh và hiện đại hơn
2.1.2 Quy trình hàn board mạch
Quy trình hàn board mạch là bước không thể thiếu trong quy trình sản xuất các thiết bị điện tử Nó liên quan trực tiếp đến việc gắn kết các linh kiện điện tử vào bảng mạch in (PCB), từ đó hình thành nên một hệ thống mạch điện hoàn chỉnh và hoạt động hiệu quả Quy trình này bao gồm các công đoạn như chuẩn bị board mạch, gắn linh kiện, thực hiện các công đoạn hàn và kiểm tra chất lượng Mỗi công đoạn đều yêu cầu sự chính xác cao và tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt để đảm bảo tính ổn định và độ bền của sản phẩm cuối cùng
Quy trình hàn board mạch không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của các thiết bị điện tử mà còn quyết định đến độ tin cậy và tuổi thọ của chúng trong môi trường sử dụng thực tế Đây là một giai đoạn quan trọng trong chuỗi sản xuất điện tử, đòi hỏi sự am hiểu sâu sắc về kỹ thuật và sự tập trung cao độ từ các chuyên gia và kỹ thuật viên tham gia quá trình sản xuất
2.1.3 Tiêu chuẩn mối hàn board mạch
Tiêu chuẩn của mối hàn board mạch thường được định rõ trong các quy định của IPC, một tổ chức chuyên về tiêu chuẩn hóa trong ngành điện tử Theo tiêu chuẩn IPC- A-610 về "Chấp nhận của các cụm điện tử", mối hàn phải sạch, mượt mà, không có bọt khí hoặc lỗ hổng Chiều cao mối hàn phải đủ để đảm bảo kết nối cơ học và điện tử chắc chắn, và hình dạng mối hàn phải đều đặn Các khuyết tật như mối hàn nguội, cầu nối giữa các chân linh kiện, và mối hàn không đủ sẽ bị loại bỏ
Theo tiêu chuẩn IPC-J-STD-001 về "Yêu cầu đối với các cụm hàn điện tử", cần sử dụng đúng loại vật liệu hàn và phương pháp hàn phải đảm bảo không gây hại cho linh kiện và PCB Mối hàn phải phủ thiếc đầy đủ trên bề mặt tiếp xúc, góc tiếp xúc giữa mối hàn và chân linh kiện không lớn hơn 90 độ, và mối hàn có dạng hình tam giác Việc kiểm tra mối hàn bao gồm kiểm tra bằng mắt và sử dụng X-ray để phát hiện các khuyết điểm bên trong [1]
Các yêu cầu cơ bản cho mối hàn bao gồm liên kết cơ học chắc chắn, liên kết điện tốt, và không có khuyết tật Điều này giúp đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của các mối hàn trên board mạch, giảm thiểu lỗi và tăng tuổi thọ cho sản phẩm điện tử
2.1.4 Phương pháp hàn board mạch tự động [2]
Trong sản xuất điện tử hiện đại, các phương pháp hàn bo mạch tự động đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chính xác, hiệu suất và chất lượng của các sản phẩm điện tử Dưới đây là một số phương pháp hàn tự động phổ biến:
- Hàn sóng (Wave Soldering) là phương pháp hàn tự động sử dụng dòng thiếc nóng chảy dưới dạng sóng để hàn các linh kiện điện tử vào bo mạch Bo mạch được di chuyển qua sóng thiếc, giúp tạo ra các mối hàn chắc chắn và đồng nhất Phương pháp này thường được sử dụng cho các bo mạch xuyên lỗ (through-hole) và phù hợp cho sản xuất hàng loạt
Hình 2.2: Phương pháp hàn sóng
- Hàn nhiệt (Reflow Soldering) là phương pháp sử dụng nhiệt độ cao để làm chảy thiếc đã được đặt sẵn trên bo mạch và linh kiện Quá trình này thường được thực hiện trong lò reflow, nơi bo mạch và linh kiện được nung nóng đến nhiệt độ thích hợp để thiếc chảy và tạo mối hàn Hàn nhiệt chủ yếu được sử dụng cho các bo mạch dán bề mặt (surface-mount technology, SMT)
Hình 2.3: Phương pháp hàn reflow
- Hàn bằng laser (Laser Soldering) sử dụng tia laser để làm chảy thiếc hàn ở những điểm cụ thể trên bo mạch Phương pháp này cho phép kiểm soát nhiệt độ và vị trí hàn một cách chính xác, phù hợp cho các ứng dụng đòi hỏi độ chính xác cao và ít gây ảnh hưởng nhiệt đến các khu vực lân cận
Hình 2.4: Phương pháp hàn laser
- Hàn siêu âm (Ultrasonic Soldering) sử dụng sóng siêu âm để làm sạch bề mặt hàn và giúp thiếc chảy đều trên các điểm tiếp xúc Phương pháp này thường được sử dụng cho các vật liệu khó hàn, như nhôm hoặc gốm, và trong các ứng dụng đặc biệt yêu cầu độ bám dính cao
Hình 2.5: Phương pháp hàn siêu âm
- Hàn bằng robot (Robot Soldering) sử dụng các cánh tay robot được lập trình sẵn để thực hiện quá trình hàn Các robot này có thể thực hiện các thao tác hàn phức tạp với độ chính xác cao và nhất quán, giúp tăng năng suất và giảm lỗi sản xuất Phương pháp này đặc biệt hiệu quả trong các dây chuyền sản xuất tự động và khối lượng lớn
Hình 2.6: Phương pháp hàn bằng Robot
Các phương pháp hàn bo mạch tự động không chỉ cải thiện hiệu suất sản xuất mà còn đảm bảo chất lượng và độ tin cậy của các sản phẩm điện tử, đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành công nghiệp.
Bộ điều khiển lập trình PLC
Programmable Logic Controller (PLC) là một thiết bị có khả năng lập trình để thực hiện các tác vụ điều khiển Không giống như các thiết bị điều khiển truyền thống chỉ có thể thực hiện một thuật toán cố định, PLC cho phép người dùng tùy chỉnh và thay đổi thuật toán điều khiển theo nhu cầu thông qua việc sử dụng các ngôn ngữ lập trình khác nhau Nhờ đó, PLC có tính linh hoạt cao, phù hợp để giải quyết nhiều vấn đề điều khiển khác nhau trong nhiều ứng dụng khác nhau
Vào năm 1968, các kỹ sư của công ty General Motors đã nảy ra ý tưởng sáng tạo về PLC (Bộ điều khiển logic lập trình), và từ đó, thiết bị này đã trải qua nhiều giai đoạn phát triển Hiện nay, PLC đã trở thành một giải pháp thiết yếu trong việc tự động hóa sản xuất công nghiệp hiện đại Nhờ vào sự tiến bộ không ngừng của công nghệ máy tính, PLC đã đạt được các tiêu chuẩn cao trong việc ứng dụng vào điều khiển công nghiệp [3] [7]
PLC có thể được coi là một máy tính nhỏ với tính năng công nghiệp vượt trội và khả năng lập trình logic rất mạnh mẽ Nó đóng một vai trò quan trọng và linh hoạt trong việc tự động hóa các quy trình sản xuất và kiểm soát công nghiệp
Hình 2.7: Tổng quan về PLC
PLC bao gồm ba thành phần chính: phần nguồn thường là 220V hoặc 24V, CPU với tốc độ xử lý và bộ nhớ lưu trữ chương trình khác nhau tùy vào ứng dụng cụ thể, và khối ngoại vi bao gồm các mô-đun input/output, truyền thông, module phát xung, và các mô-đun analog
Trên thị trường Việt Nam, có nhiều hãng sản xuất PLC với các đặc tính và ưu điểm khác nhau như Siemens, Mitsubishi, ABB, Schneider, và nhiều hãng khác Trong số đó, Siemens và Mitsubishi đặc biệt nổi bật với sự hiện diện lâu đời tại Việt Nam và là những lựa chọn phổ biến cho các ứng dụng trong công nghiệp, với nhiều ưu điểm vượt trội
Hình 2.8: PLC của Siemens Điểm mạnh của PLC Siemens:
- PLC của Siemens vượt trội trong việc điều khiển quá trình và truyền thông
- Các Module Analog của PLC Siemens không chỉ rẻ hơn mà còn dễ sử dụng, chỉ cần cắm vào PLC và thực hiện vài bước cấu hình là có thể đọc/ghi một cách đơn giản
- Việc truyền thông với PLC Siemens cũng rất thuận tiện, vì Siemens đã thiết kế sẵn các khối hàm chức năng đặc biệt để hỗ trợ người lập trình tối đa
Cách lập trình của PLC Siemens:
- PLC Siemens sử dụng cấu trúc chương trình kết hợp cả phương pháp ngang và dọc Điều này có nghĩa là chương trình tiếp tục thực thi theo thứ tự từ trên xuống dưới
- Tuy nhiên các chương trình được tổ chức dưới dạng các khối và có thể thực hiện song song nhau
- Ngoài ra, các chương trình con của PLC Siemens hỗ trợ biên Local, từ đó mở rộng khả năng lập trình và sử dụng một cách đa dạng hơn
Hình 2.9: PLC Mitsubishi Điểm mạnh của PLC Mitsubishi:
- PLC của Mitsubishi nổi bật với khả năng điều khiển rời rạc và điều khiển truyền động
- Đặc biệt, PLC Mitsubishi có một loạt các câu lệnh phong phú, bao gồm các câu lệnh chuyên dụng như điều khiển vị trí và đếm tốc độ cao Điều này đơn giản hơn rất nhiều so với việc phải cấu hình đầy đủ bước và thông số như trong PLC Siemens để thực hiện các chức năng tương tự
Cách lập trình của PLC Mitsubishi:
PLC Mitsubishi lập trình theo cấu trúc chiều dọc, tức là chỉ thực hiện các câu lệnh từ trên xuống dưới Dù phải nhớ nhiều câu lệnh, nhưng việc lập trình vẫn đơn giản hơn do toàn bộ là các câu lệnh
2.2.3 Nguyên lí hoạt động của PLC
PLC hoạt động dựa trên nguyên tắc “scan cycle” hay chu kì quét Khi được kích hoạt, PLC bắt đầu quá trình quét từ đầu đến cuối theo 1 chu ký liên tục Quá trình này bao gồm các bước sau:
1 Bước đọc dữ liệu đầu vào (Input Scan): Trong bước này, PLC đọc trạng thái các tín hiệu đầu vào từ các module I/O Các tín hiệu này có thể đến từ cảm biến, công tắc, nút nhấn và các nguồn tín hiệu khác Dữ liệu đầu vào được gửi đến CPU để xử lý
2 Bước thực thi chương trình điều khiển (Program Execution): CPU xử lý các lệnh và chương trình điều khiển được lập trình trước CPU thực thi các phép tính logic, so sánh, và thực hiện các hoạt động điều khiển dựa trên dữ liệu đầu vào và chương trình điều khiển
3 Bước cập nhật dữ liệu đầu ra (Output Update): Sau khi CPU thực thi chương trình điều khiển, dữ liệu đầu ra được tính toán và cập nhật
4 Bước lặp lại (Repeat Cycle): Sau khi hoàn thành bước cập nhật dữ liệu đầu ra, quá trình quét được lặp lại bằng cách bắt đầu từ đầu
- Trong ngành công nghiệp sản xuất, PLC được áp dụng phổ biến để điều khiển các quy trình sản xuất
- Trong hệ thống xử lý nước, PLC được sử dụng để kiểm soát và giám sát các quá trình như xử lý nước thải và các công đoạn khác
- Trong các hệ thống điều hòa không khí và HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning), PLC được dùng để điều khiển nhiệt độ, độ ẩm, luồng khí và các thiết bị như quạt, van và máy nén
- PLC cũng được ứng dụng trong hệ thống đóng mở cửa tự động của các tòa nhà, nhà ga, sân bay và các cơ sở công cộng khác.
Động cơ Step Motor
Động cơ bước, cũng được gọi là động cơ Step, có nhiều ưu điểm đáng kể trong các ứng dụng điều khiển vị trí và tự động hóa
2.3.1 Ưu điểm Động cơ bước có nhiều ưu điểm như sau:
- Chính xác: Động cơ bước cung cấp khả năng điều khiển vị trí chính xác cao với góc bước cố định
- Tăng tính ổn định: Động cơ bước không chịu ảnh hưởng từ tải thay đổi và có khả năng giữ vị trí một cách ổn định
- Độ tin cậy cao: Với cấu trúc đơn giản và ít bộ phận chuyển động, động cơ bước thường có tuổi thọ dài và độ bền cao
- Tính linh hoạt: Động cơ bước có thể hoạt động ở nhiều chế độ, bao gồm chế độ đơn giản 2 pha và chế độ 4 pha
- Đáp ứng nhanh: Động cơ bước cho phép đáp ứng linh hoạt đến các tín hiệu điều khiển và thay đổi vị trí một cách nhanh chóng
2.3.2 Nguyên lý hoạt động Động cơ bước hoạt động dựa trên nguyên lý tương tác giữa lực từ từ tính và cấu trúc đặc biệt của cuộn dây và rotor Khi dòng điện được đưa vào các cuộn dây stator, một lực từ tính được tạo ra, tác động lên rotor và làm cho nó di chuyển từ vị trí này sang vị trí khác Động cơ bước được điều khiển bằng cách cấp dòng điện một cách tuần tự và các cuộn dây stator Khi dòng điện chuyển từ cuộn này sang cuộn khác, các lực từ từ tính tương tác giữa stator và rotor sẽ tạo ra bước di chuyển Mỗi lần có dòng điện điều khiển, động cơ bước di chuyển một bước cố định
Nguyên lý này được lặp đi lặp lại, cho phép động cơ bước di chuyển một cách chính xác và đáng tin cậy Góc bước được xác định bởi cấu hình cuộn dây stator và rotor Điều này tạo ra khả năng điều khiển vị trí chính xác và linh hoạt của động cơ bước trong các ứng dụng điều khiển vị trí và tự động hóa
2.3.3 Phương pháp điều khiển Step Motor Để điều khiển động cơ bước, chúng ta sử dụng các thiết bị điều khiển được gọi là
“driver” hoặc “bộ điều khiển động cơ bước” Driver đóng vai trò quan trọng trong việc cấp nguồn và điều khiển dòng điện và các cuộn dây stator của động cơ bước Các driver động cơ bước nhận tín hiệu điều khiển từ một nguồn điều khiển, ví dụ như vi điều khiển, Arduino, hoặc các bộ điều khiển đặc biệt Driver sẽ chuyển đổi và tăng áp tín hiệu điều khiển đó để cung cấp dòng điện phù hợp cho các cuộn dây stator Qua driver, chúng ta có thể điều chỉnh vận tốc, hướng di chuyển, vị trí và các tham số khác của động cơ bước Điều này cho phép chúng ta ứng dụng động cơ bước trong nhiều lĩnh vực như tự động hóa, robotics, máy CNC, in 3D, và nhiều ứng dụng khác
Hình 2.11: Sơ đồ nối dây của Driver
Các chuẩn giao tiếp và phương thức truyền dữ liệu [3]
Chuẩn giao tiếp Ethernet xác định cách các thiết bị mạng giao tiếp và truyền dữ liệu qua mạng Nó sử dụng mô hình lớp và giao thức TCP/IP để xử lý việc chia sẻ dữ liệu giữa các máy tính và thiết bị trong mạng Ethernet sử dụng kiến trúc mạng “điểm đến điểm” (point-to-point) hoặc “điểm đến đa điểm” (point-to-multipoint), cho phép nhiều thiết bị trong mạng kết nối và truyền dữ liệu đồng thời
Môi trường vật lý của Ethernet thường là cáp mạng, bao gồm cáp đồng trục, cáp xoắn đôi hoặc cáp quang Ethernet cũng có thể sử dụng kết nối không dây dự trên công nghệ Wi-fi để truyền dữ liệu qua mạng Ethernet sử dụng mô hình truyền dữ liệu chia thành các khung (frame) nhỏ để đảm bảo tính toàn vẹn và đúng thứ tự của dữ liệu
2.4.2 Giao thức truyền thông TCP/IP
Mô hình TCP/IP dựa trên mô hình OSI (Open Systems Interconnection) và bao gồm nhiều lớp khác nhau Mỗi lớp đảm nhiệm một vai trò riêng trong quá trình truyền thông mạng
Lớp ứng dụng (Application Layer) là lớp giao tiếp với các ứng dụng trên máy tính như trình duyệt web, email, FTP (File Transfer Protocol) và DNS (Domain Name System)
Lớp giao vận (Transport Layer) là lớp đảm bảo việc truyền dữ liệu giữa các thiết bị kết nối trên mạng
Lớp mạng (Network Layer) là lớp quản lý địa chỉ IP và định tuyến dữ liệu giữa các mạng Giao thức IP trong lớp này xác định cách dữ liệu được chia thành các gói tin, gán địa chỉ cho các thiết bị và quản lý việc định tuyến gói tin trên mạng
Hình 2.12: Các tầng trong giao thức TCP/IP
Lớp liên kết dữ liệu (Data Link Layer) cà lớp vật lý (Physical Layer) đảm nhận việc truyền dữ liệu trên các phương tiện truyền thông như cáp mạng, wifi, Ethernet và các công nghệ khác
2.4.3 Giao thức truyền thông Modbus TCP/IP
Modbus hỗ trợ nhiều loại giao thức truyền dữ liệu, bao gồm Modbus RTU (sử dụng giao diện serial RS-232 hoặc RS-485) và Modbus TCP/IP (sử dụng giao diện Ethernet) Modbus RTU sử dụng định dạng dữ liệu nhị phân và giao thức truyền thông đồng bộ, trong khi Modbus TCP/IP sử dụng giao thức truyền thông TCP/IP để truyền dữ liệu qua mạng Ethernet
Modbus TCP/IP là một dạng phương thức truyền dữ liệu trong chuẩn Modbus, được sử dụng trên giao diện Ethernet Điều này cho phép truyền dữ liệu qua mạng TCP/IP, làm cho Modbus TCP/IP trở thành một lựa chọn phổ biến trong các hệ thống mạng hiện đại
Trong Modbus TCP/IP, các thiết bị giao tiếp thông qua giao thức TCP/IP để truyền dữ liệu Mỗi thiết bị Modbus được gắn kết với một địa chỉ IP duy nhất trong mạng Ethernet Sự truyền thông giữa các trạm chủ (master) và phản hồi (response) dựa trên giao thức TCP/IP.
Phần mềm hỗ trợ lập trình
TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) của Siemens là một nền tảng phần mềm tích hợp cung cấp các công cụ quan trọng cho việc thiết kế, lập trình, cấu hình và giám sát các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp Phiên bản mới nhất của TIA Portal là V17, đã có nhiều cải tiến đáng kể, giúp người dùng tăng cường hiệu quả công việc và đảm bảo an toàn cho hệ thống
TIA Portal V17 tiếp tục cung cấp một môi trường làm việc tích hợp, giúp giảm thiểu thời gian cấu hình và lập trình Các công cụ như STEP 7 cho lập trình PLC, WinCC cho thiết kế HMI, StartDrive cho cấu hình biến tần, và S7-PLCSIM cho mô phỏng đều được tích hợp trong một giao diện duy nhất
TIA Portal V17 nổi bật với việc cải thiện đáng kể về hiệu suất Phần mềm này đã được tối ưu hóa để giảm thời gian tải và xử lý, giúp các kỹ sư làm việc hiệu quả và nhanh chóng hơn Ngoài ra, tính năng lập trình đa lõi và khả năng quản lý dự án lớn cũng được nâng cấp, cung cấp hỗ trợ tốt hơn cho các dự án phức tạp
Giao diện của TIA Portal V17 được thiết kế trực quan và dễ sử dụng Người dùng có thể dễ dàng kéo thả các thành phần và cấu hình hệ thống thông qua giao diện đồ họa thân thiện Các công cụ thiết kế HMI tích hợp giúp tạo ra các màn hình giao diện người dùng đẹp mắt và hiệu quả
WinCC, công cụ thiết kế HMI trong TIA Portal, hỗ trợ nhiều loại widget và biểu đồ tương tác, giúp người dùng thiết kế các giao diện điều khiển phức tạp một cách dễ dàng Điều này giúp cải thiện trải nghiệm người dùng cuối và tăng hiệu quả giám sát hệ thống
TIA Portal V17 là một công cụ mạnh mẽ và toàn diện, giúp các kỹ sư tự động hóa thiết kế, lập trình và quản lý hệ thống một cách hiệu quả Với những cải tiến về hiệu suất, tính năng bảo mật và hỗ trợ cộng tác, TIA Portal V17 tiếp tục là lựa chọn hàng đầu cho các giải pháp tự động hóa công nghiệp
PyCharm là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) mạnh mẽ và chuyên nghiệp, được phát triển bởi JetBrains, dành riêng cho ngôn ngữ lập trình Python PyCharm cung cấp một loạt các tính năng phong phú nhằm hỗ trợ lập trình viên trong việc viết, kiểm tra, và bảo trì mã nguồn Python một cách hiệu quả và hiệu suất Với giao diện các dự án phức tạp, điều hướng qua mã nguồn, và tận dụng các công cụ lập trình tiên tiến như gỡ lỗi (debugging), kiểm tra đơn vị (unit testing), và tái cấu trúc mã (refactoring)
Một trong những điểm mạnh của PyCharm là hỗ trợ tích hợp nhiều công cụ và công nghệ phổ biến như Django, Flask, và các thư viện khoa học dữ liệu như NumPy, Pandas, và Matplotlib Ngoài ra, PyCharm còn tích hợp các công cụ kiểm soát phiên bản (version control systems) như Git, giúp lập trình viên dễ dàng quản lý và theo dõi sự thay đổi của mã nguồn
PyCharm cũng nổi bật với khả năng hỗ trợ lập trình viên thông qua các tính năng như tự động hoàn thành mã (code completion), kiểm tra lỗi tức thì (real-time code inspection), và gợi ý cải thiện mã (code suggestions) Điều này không chỉ giúp tăng tốc độ phát triển mà còn nâng cao chất lượng và độ tin cậy của phần mềm
Nhờ những tính năng nổi bật và tính linh hoạt cao, PyCharm đã trở thành công cụ quan trọng không thể thiếu đối với cả những lập trình viên Python mới bắt đầu và những chuyên gia trong lĩnh vực này
Thuật toán YOLO (You Only Look Once) là một trong những công cụ tiên tiến và hiệu quả nhất hiện nay trong lĩnh vực nhận diện và phát hiện đối tượng trong hình ảnh và video Được phát triển bởi Joseph Redmon và đồng nghiệp, YOLO được biết đến với khả năng nhận diện đối tượng trong thời gian thực với độ chính xác cao
Khác với các phương pháp truyền thống như R-CNN hay Fast R-CNN, YOLO tiếp cận vấn đề theo cách khác biệt: nó xem toàn bộ hình ảnh chỉ một lần và dự đoán trực tiếp các bounding box cũng như các xác suất phân loại Cách tiếp cận này giúp YOLO có thể đạt tốc độ xử lý rất nhanh, phù hợp với các ứng dụng thời gian thực như giám sát an ninh, xe tự hành và các hệ thống thị giác máy tính khác
YOLOv8 là phiên bản mới nhất trong loạt mô hình phát hiện đối tượng YOLO nổi tiếng Được thiết kế nhằm cải thiện hiệu suất và độ chính xác, YOLOv8 tích hợp nhiều cải tiến về kiến trúc và phương pháp huấn luyện Mô hình này kế thừa những ưu điểm của các phiên bản trước như tốc độ xử lý nhanh và khả năng phát hiện đối tượng trong thời gian thực Đồng thời, YOLOv8 nâng cao khả năng nhận diện và phân loại đối tượng với độ chính xác cao hơn
Một trong những điểm nổi bật của YOLOv8 là việc sử dụng các kỹ thuật học sâu tiên tiến, bao gồm việc tối ưu hóa mạng nơ-ron để giảm thiểu số lượng tham số và tăng cường khả năng tổng quát hóa Điều này giúp YOLOv8 duy trì được hiệu suất cao ngay cả trên các thiết bị có phần cứng hạn chế như điện thoại di động hay các hệ thống nhúng
Ngoài ra, YOLOv8 còn tích hợp nhiều kỹ thuật tiên tiến như phương pháp augmentation dữ liệu mới, chiến lược tối ưu hóa học tập linh hoạt, và khả năng hỗ trợ phát hiện đối tượng đa tỷ lệ Những cải tiến này không chỉ giúp YOLOv8 đạt được kết quả vượt trội trên các bộ dữ liệu chuẩn mà còn làm cho nó trở thành một công cụ mạnh mẽ trong các ứng dụng thực tế, từ giám sát an ninh, tự động hóa công nghiệp cho đến các hệ thống hỗ trợ lái xe tự động
2.5.4.1 Giới thiệu về ngôn ngữ Python
Lý thuyết về xử lý ảnh [8]
2.6.1 Khái niệm ảnh kỹ thuật số Ảnh kỹ thuật số đã thay đổi đáng kể cách chúng ta ghi lại, lưu trữ và truyền tải thông tin hình ảnh trong thời đại công nghệ hiện đại So với ảnh truyền thống, ảnh kỹ thuật số biểu diễn hình ảnh dưới dạng dữ liệu số, cho phép ta thực hiện các quá trình xử lý và chỉnh sửa một cách linh hoạt hơn nhiều
Một hình ảnh kỹ thuật số là một tập hợp các điểm ảnh (pixel) được biểu diễn dưới dạng các giá trị số, thể hiện độ sáng và màu sắc tại từng điểm trên bức ảnh Ưu điểm nổi bật của hình ảnh kỹ thuật số là tính chính xác và khả năng tái tạo màu sắc cao, từ đó tạo ra các hình ảnh có độ phân giải cao và chất lượng gần như thực tế
Công nghệ ảnh kỹ thuật số cung cấp khả năng chỉnh sửa linh hoạt mà không làm ảnh hưởng đến chất lượng ban đầu Các phần mềm xử lý ảnh như Adobe Photoshop, Lightroom, GIMP và nhiều công cụ khác cho phép người dùng thực hiện các thao tác chỉnh sửa như điều chỉnh tương phản, cân bằng màu sắc, loại bỏ nhiễu, tăng độ phân giải, cắt, xoay và áp dụng các hiệu ứng nghệ thuật Ảnh kỹ thuật số không chỉ là công cụ quan trọng trong nhiếp ảnh mà còn có nhiều ứng dụng rộng rãi trong y học, giám sát an ninh, truyền thông, giải trí và nhiều lĩnh vực khoa học khác Nhờ vào tính tiện lợi và khả năng xử lý mạnh mẽ của nó, ảnh số đã trở thành một phần không thể thiếu trong cuộc sống hiện đại
2.6.2 Cấu trúc các điểm ảnh
Trong ảnh màu kỹ thuật số, hầu hết các hệ màu sử dụng mô hình RGB (Red, Green, Blue) Ma trận biểu diễn ảnh màu thường có kích thước MxNx3, trong đó M và N là kích thước của ảnh, và 3 là số kênh màu (R, G, B) Mỗi phần tử trong ma trận này lưu trữ ba giá trị tương ứng với độ sáng của màu đỏ, xanh lá, và xanh dương của từng điểm ảnh Các giá trị này thường nằm trong khoảng từ 0 đến 255, với 0 biểu thị màu tối nhất và 255 biểu thị màu sáng nhất
Trong ảnh xám, mỗi điểm ảnh được đại diện bằng một giá trị duy nhất trong một ma trận hai chiều có kích thước MxN Ở đây, M và N là chiều dài và chiều rộng của ảnh Mỗi phần tử trong ma trận này chứa một số nguyên từ 0 đến 255, thể hiện mức độ sáng tương ứng của điểm ảnh đó, trong đó 0 đại diện cho màu tối nhất và 255 đại diện cho màu sáng nhất
OpenCV, viết tắt của Open Source Computer Vision Library, là một thư viện mã nguồn mở hàng đầu trong lĩnh vực thị giác máy tính và xử lý hình ảnh Ban đầu được phát triển bởi Intel và hiện được duy trì bởi cộng đồng nguồn mở, OpenCV cung cấp hàng trăm thuật toán xử lý ảnh và video mạnh mẽ và hiệu quả, bao gồm cả các công cụ học máy Thư viện này hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình như C++, Python, Java và MATLAB, và có khả năng chạy trên nhiều nền tảng như Windows, Linux, macOS, Android và iOS
Hình 2.18: Logo thư vện OpenCV
OpenCV được thiết kế để cải thiện hiệu suất và dễ dàng tích hợp vào các ứng dụng thực tế như hệ thống nhận diện khuôn mặt, phân tích chuyển động, và điều khiển robot và xe tự hành Với tài liệu phong phú, cộng đồng người dùng lớn và sự phát triển mở rộng, OpenCV đã trở thành công cụ quan trọng và không thể thiếu đối với những người nghiên cứu, kỹ sư và lập trình viên phát triển các ứng dụng liên quan đến thị giác máy tính.
Google Colab
Google Colab (Colaboratory) là một công cụ mạnh mẽ và tiện dụng do Google phát triển, cho phép người dùng viết và thực thi mã Python ngay trên trình duyệt Với cơ sở Jupyter Notebook làm nền tảng, Colab cung cấp nhiều lợi ích ưu việt, đặc biệt là trong các lĩnh vực như học máy, xử lý dữ liệu và nghiên cứu khoa học Người dùng có thể truy cập miễn phí vào tài nguyên tính toán mạnh mẽ, bao gồm GPU và TPU, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian cho các tác vụ yêu cầu sức mạnh xử lý cao Colab cũng hỗ trợ cộng tác trực tuyến, cho phép nhiều người làm việc trên cùng một tài liệu, chia sẻ và chỉnh sửa mã nguồn một cách dễ dàng Khả năng tích hợp với Google Drive và GitHub cũng là một điểm mạnh, giúp quản lý và chia sẻ dự án dễ dàng hơn Với tính linh hoạt và tiện ích, Google Colab là lựa chọn lý tưởng cho các nhà nghiên cứu, sinh viên và các nhà phát triển muốn thử nghiệm và triển khai các mô hình học máy và phân tích dữ liệu mà không cần phải cài đặt hệ thống phần cứng phức tạp.
Mã QR
Mã QR (Quick Response code) là một loại mã vạch hai chiều do công ty Denso Wave từ Nhật Bản phát triển vào năm 1994 So với mã vạch truyền thống, mã QR có khả năng lưu trữ thông tin nhiều hơn và có thể được quét từ các góc độ khác nhau Cấu trúc của mã QR bao gồm các ô vuông đen và trắng được sắp xếp thành một ma trận, cho phép chứa đựng các thông tin như URL, văn bản, số điện thoại, địa chỉ email và các dạng dữ liệu khác
Mã QR đã trở thành phổ biến trên khắp thế giới nhờ vào tính linh hoạt và hiệu quả trong việc lưu trữ và truy xuất thông tin một cách nhanh chóng Được hỗ trợ bởi sự tiến bộ của công nghệ di động và các ứng dụng quét mã, mã QR đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau như tiếp thị, thanh toán di động, quản lý sản phẩm và tổ chức sự kiện Điều này cho phép người dùng dễ dàng truy cập vào thông tin được mã hóa bằng cách sử dụng máy ảnh của điện thoại thông minh hoặc các thiết bị quét mã
Lợi ích chính của mã QR nằm ở khả năng chứa đựng một lượng lớn thông tin trong một không gian nhỏ và khả năng quét nhanh chóng, ngay cả khi bị hư hại một phần Điều này làm cho mã QR trở thành một công cụ mạnh mẽ trong việc cải thiện trải nghiệm người dùng và tối ưu hóa quy trình
Mã QR là mã hai chiều: mã QR được tạo thành từ các hình vuông đen và trắng sắp xếp thành một mạng lưới Khác với mã mãng tuyến tính, mã QR có thể lưu trữ thông tin cả theo chiều ngang và chiều dọc, cho phép chứa một lượng lớn dữ liệu Dung lượng lưu trữ linh hoạt: mã QR có khả năng lưu trữ một loạt các dữ liệu như văn bản, URL, địa chỉ email, số điện thoại, mã sản phẩm và nhiều loại thông tin khác
Khả năng chống lỗi: mã QR có khả năng chống lỗi và khôi phục dữ liệu Khi một phần của mã bị mờ, mất hoặc bị xáo trộn do nhiễu hoặc vấn đề ký thuật khác
Tốc độ đọc nhanh: mã QR có thể được quét và đọc nhanh chóng bằng cá thiết bị đọc mã QR phổ biến như điện thoại di động hoặc máy quét mã QR Đa nền tảng: mã QR có thể được tạo ra và đọc trên nhiều nền tảng khác nhau, bao gồm điện thoại di động, máy tính, máy quét mã QR và các thiết bị khác
Mã QR (Quick Response) là một loại mã vạch hai chiều có cấu tạo đặc biệt để chứa đựng một lượng lớn thông tin trong một không gian nhỏ Và là một dạng mã vạch ma trận, có cấu trúc gồm nhiều ô vuông nhỏ màu đen và trắng được sắp xếp trên một nền vuông lớn hơn Cấu trúc cơ bản của mã QR bao gồm các phần chính sau:
- Vùng định vị (Position Detection Patterns): Các mã QR luôn có ba hình vuông lớn ở ba góc của mã (trừ góc dưới bên phải) Những hình vuông này giúp máy quét nhận diện được hướng và vị trí của mã QR, từ đó đọc mã một cách chính xác
- Vùng căn chỉnh (Alignment Patterns): Các mã QR kích thước lớn hơn thường có thêm các hình vuông nhỏ hơn nằm rải rác trong mã Chúng giúp điều chỉnh và đảm bảo mã được quét chính xác ngay cả khi bị méo hoặc biến dạng nhẹ
- Vùng thời gian (Timing Patterns): Các dòng và cột xen kẽ giữa các ô đen và trắng chạy ngang và dọc giữa các vùng định vị, giúp thiết lập một lưới tham chiếu để định dạng mã QR và đảm bảo các ô được đọc đúng vị trí
- Thông tin định dạng (Format Information): Vùng này chứa thông tin về cách mã QR được cấu trúc, bao gồm mức độ sửa lỗi và mẫu mặt nạ được sử dụng để tối ưu hóa khả năng quét
- Dữ liệu và sửa lỗi (Data and Error Correction): Đây là phần chính của mã
QR, chứa đựng thông tin thực tế cần mã hóa (chữ, số, ký tự đặc biệt, v.v.) và các mã sửa lỗi Mã sửa lỗi được thêm vào để đảm bảo mã QR vẫn có thể đọc được ngay cả khi bị hỏng hoặc mất một phần.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Quy trình vận hành
Hình 3.1: Sơ đồ quy trình vận hành
Khi thiết kế board sẽ có board mẫu để kiểm tra các tính năng cần thiết của board, khi mọi thứ đã ổn định thì sẽ đi đến việc sản xuất hàn loạt Dựa vào đó nhóm sẽ lấy dữ liệu dựa trên bản vẽ thiết kế để lấy vị trí Nhóm lựa chọn sử dụng phần mềm Autocad và một vài lisp của phần mềm để có được vị trí cần hàn
Sau khi đã có vị trí cần hàn về Excel nhóm sẽ sử dụng Kepserver EX để gửi dữ liệu từ Excel về PLC Phần mềm Excel đóng vai trò như một bộ nhớ trung gian vị trí của các Board khi cần đổi Board để hàn thì chỉ cần thay đổi các thông số trong Excel
Từ đó giảm được bộ nhớ PLC phải lưu và còn dễ dàng thay đổi cho người hoạt động
Hình 3.2: Sơ đồ quy trình gửi dữ liệu
Yêu cầu thiết kế của một máy hàn board tự động
Phần khung của máy hàn board mạch tự động cần được thiết kế sao cho phù hợp với đa số người vận hành Để đạt được điều này, khung máy phải có khả năng điều chỉnh chiều cao, giúp người vận hành ở các chiều cao khác nhau có thể làm việc một cách thoải mái và hiệu quả Ngoài ra, các vị trí bảng điều khiển và các nút chức năng cần dễ tiếp cận, đảm bảo người vận hành có thể thao tác một cách an toàn và nhanh chóng Chiều cao trung bình của người châu Á đối với nam 170,5cm và nữ là 157,2cm với chiều cao này nhóm đã đưa ra chiều cao cho khung thiết kế là 750cm để có thewer phù hợp với tất cả nhưng người châu Á có thể thao tác được hệ thống
Hệ trục XYZ phải được thiết kế để phù hợp với khung máy và kích thước của board mạch Hệ trục này cần sử dụng các động cơ bước hoặc servo để đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình di chuyển và hàn Kích thước và tầm hoạt động của hệ trục XYZ phải đáp ứng được yêu cầu tiếp cận mọi điểm trên board mạch, từ đó đảm bảo quá trình hàn diễn ra chính xác và hiệu quả
Quy trình lấy số liệu vị trí bắt đầu từ phần mềm AutoCAD, nơi các vị trí cần hàn trên board mạch được xác định và xuất ra dưới dạng file dữ liệu File này sau đó được chuyển đến Kepserver, một phần mềm trung gian, để giao tiếp và truyền dữ liệu đến PLC S7-1200 PLC sẽ xử lý các dữ liệu này và điều khiển hệ trục XYZ di chuyển đến các vị trí chính xác đã được xác định Để gia nhiệt lò nung thiếc, các thành gia nhiệt silicon sẽ được sử dụng do khả năng chịu nhiệt và dẫn nhiệt tốt, giúp gia nhiệt nhanh chóng và hiệu quả Bộ khống chế nhiệt độ REX-C100 sẽ giám sát và điều chỉnh nhiệt độ của lò nung, sử dụng Solid State Relay (SSR) để cung cấp điện gia nhiệt SSR là thiết bị đóng ngắt điện tử có khả năng chịu tải cao và phản ứng nhanh, giúp duy trì nhiệt độ ổn định trong lò nung
Hệ thống bơm thiếc lò nung sẽ sử dụng bơm ly tâm để đẩy thiếc lên vị trí cần hàn Bơm ly tâm có khả năng tạo ra lưu lượng và áp suất cao, cung cấp thiếc một cách ổn định và liên tục Động cơ 555 sẽ được sử dụng để điều khiển bơm ly tâm, đây là loại động cơ DC có công suất và tốc độ cao, đảm bảo đủ lực để vận hành bơm ly tâm hiệu quả
Hệ thống xử lý ảnh cần có khả năng nhận diện và kiểm tra các linh kiện trên board mạch, đảm bảo tất cả các linh kiện đều được đặt đúng vị trí và đúng loại Ngoài ra, hệ thống cũng phải có khả năng đọc và kiểm tra mã QR trên board mạch để xác định thông tin về linh kiện và quy trình hàn Hệ thống xử lý ảnh cũng phải phát hiện và điều chỉnh góc lệch của board mạch khi đặt lên khay, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình hàn
Giao diện điều khiển của máy hàn board mạch tự động cần được thiết kế trực quan, dễ hiểu và dễ sử dụng Các chức năng cần được bố trí hợp lý và có các hướng dẫn rõ ràng để người vận hành có thể dễ dàng theo dõi và điều chỉnh các thông số cần thiết Điều này giúp người vận hành thao tác một cách nhanh chóng và chính xác, đảm bảo hiệu quả và an toàn trong quá trình làm việc.
Thiết kế phần cứng
3.3.1 Thiết kế khung hệ thống
3.3.1.1 Lựa chọn mô hình dạng vuông
Khung dạng vuông cho phép sắp xếp các thành phần của máy hàn board mạch một cách hợp lý Các bộ phận như hệ trục XYZ, lò nung thiếc, bơm thiếc và hệ thống xử lý ảnh có thể được bố trí sao cho dễ tiếp cận và bảo trì Việc tối ưu hóa không gian không chỉ giúp tiết kiệm diện tích mà còn tạo ra một môi trường làm việc hiệu quả và ngăn nắp Ngoài ra, với cấu trúc hình vuông ta còn có nhiều ưu điểm vượt trội như:
- Khung vuông là một dạng hình học đơn giản, dễ dàng trong việc thiết kế và lắp đặt Các thành phần cấu trúc có thể được sản xuất và gia công với độ chính xác cao, giúp giảm thiểu sai số và tăng tính ổn định cho toàn bộ hệ thống
- Khung vuông cung cấp một không gian ổn định và cân bằng, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tích hợp các hệ thống xử lý ảnh Các thiết bị camera và cảm biến có thể được gắn ở các vị trí cố định, đảm bảo độ chính xác và hiệu quả cao trong quá trình nhận diện và kiểm tra linh kiện
- Với thiết kế khung vuông, người vận hành có thể dễ dàng tiếp cận và thao tác từ nhiều phía Điều này giúp tăng tính linh hoạt và tiện lợi trong quá trình vận hành và bảo trì máy
3.3.1.2 Tính toán thiết kế phần khung
Khi thiết kế phần khung của hệ thống, cần phải tính toán các yếu tố sau để đảm bảo tính ổn định, bền vững và hiệu quả cho quá trình hoạt động:
- Xác định kích thước tổng thể của khung dựa trên kích thước tối đa của board mạch và không gian cần thiết cho các bộ phận và linh kiện khác Kích thước khung phải đảm bảo đủ rộng để chứa tất cả các thành phần mà không gây cản trở quá trình vận hành
- Lựa chọn vật liệu có độ bền cao và trọng lượng nhẹ, chẳng hạn như nhôm hoặc thép không gỉ, để đảm bảo khung có thể chịu được tải trọng của các bộ phận và linh kiện mà không bị biến dạng hoặc hư hỏng
- Đảm bảo các thành phần của khung được gia công với độ chính xác cao, các mối hàn và ghép nối phải chắc chắn, không có khe hở hoặc sai lệch, giúp tăng độ bền và độ ổn định của khung
- Khung phải được thiết kế sao cho dễ dàng tích hợp các thiết bị phụ trợ như camera, cảm biến, bộ điều khiển nhiệt độ, và các hệ thống xử lý khác Vị trí lắp đặt các thiết bị này cần được tính toán kỹ lưỡng để đảm bảo hoạt động hiệu quả và thuận tiện cho quá trình lắp đặt và bảo trì
Vì quá trình hàn board mạnh đều phải tiếp xúc với nhiệt độ cao, để phù hợp với môi trường làm việc nên nhóm chọn chất liệu là hợp kim
Trong quá trình thiết kế máy hàn board mạch tự động, phần khung hệ thống được lựa chọn và thiết kế dựa trên các tiêu chí nhằm tối ưu hóa không gian làm việc, đảm bảo tính linh hoạt và tiện lợi trong quá trình vận hành Nhóm đã dựa vào kích thước của tủ điện, khung hệ thống được thiết kế để tích hợp tủ điện một cách gọn gàng và hợp lý Việc tích hợp tủ điện vào phần khung giúp tiết kiệm không gian, tạo sự gọn gàng cho toàn bộ hệ thống và dễ dàng trong việc quản lý và bảo trì các thành phần điện từ đó nhóm đưa ra được kích thước tổng thể của khung là 60x60x71cm, đảm bảo đủ không gian để chứa tủ điện và các bộ phận khác của hệ thống
Khung máy được trang bị bánh xe để dễ dàng di chuyển hệ thống đến các vị trí khác nhau trong không gian làm việc Bánh xe có cơ chế khóa để đảm bảo hệ thống đứng yên và ổn định khi vận hành Điều này không chỉ tăng tính linh hoạt mà còn giúp người vận hành dễ dàng thay đổi vị trí của máy khi cần thiết mà không gặp nhiều khó khăn
Hình 3.3: Phần khung hệ thống
Hình 3.4: Kích thước phần khung hệ thống
3.3.2 Thiết kế hệ trục XYZ
Trong quá trình thiết kế máy hàn board mạch tự động, hệ trục XYZ đóng vai trò quan trọng trong việc định vị và di chuyển chính xác đầu hàn đến các vị trí cần thiết trên board mạch Được lựa chọn với mục tiêu đảm bảo độ chính xác, tính linh hoạt và khả năng điều khiển dễ dàng, hệ trục XYZ cho phép di chuyển trong ba chiều không gian: X (ngang), Y (dọc), và Z (cao độ), giúp đầu hàn tiếp cận mọi điểm trên board mạch với độ chính xác cao
Sử dụng động cơ bước vì khả năng điều khiển vị trí chính xác và độ tin cậy trong vận hành Tính năng bước rõ ràng của động cơ bước đảm bảo sự chính xác cần thiết trong các ứng dụng yêu cầu định vị chính xác như hàn board mạch
Sử dụng dây đai cho trục X và Y giúp giảm thiểu ma sát, đảm bảo chuyển động mượt mà và nhanh chóng Dây đai cũng cho phép điều chỉnh độ chính xác thông qua các bu lông điều chỉnh độ căng của dây
Thiết kế phần điện
3.4.1 Yêu cầu thiết kế phần điện
Khi thiết kế phần điện cho mô hình hàn board mạch tự động, có một số yếu tố cơ bản và cần thiết được nhóm đặt ra để đảm bảo hệ thống được hoạt động trơn tru và có tính an toàn cao Cụ thể là những yếu tố sau:
- Hệ thống dây và cáp
- Bảo vệ quá dòng và quá áp
3.4.2 Sơ đồ khối và chức năng của từng khối
Hình 3.32: Sơ đồ khối tổng quan
Chức năng của từng khối:
- Khối nguồn: Khối nguông trong hệ thống hàn board mạch tự động cung cấp nguồn điện ổn định và đáng tin cậy cho các thiết bị khác trong hệ thống Nó bao gồm bộ chuyển đổi nguồn, bộ điều chỉnh điện áp và các thành phần bảo vệ điện như cầu
- Bộ điều khiển trung tâm: Đây là “bộ não” của hệ thống hàn board mạch tự động
Bộ điều khiển trung tâm quản lý và điều khiển hoạt động của hệ thống, bao gồm kiểm soát nhiệt độ thiếc hàn, quản lý thông tin board, giao tiếp với người dùng và các khối khác trong hệ thống Nó sử dụng phần mềm và công nghệ để cung cấp các tính năng như nhận diện linh kiện, nhận diện board mạch, điều khiển hệ trục xyz
- Khối vận chuyển: Khối vận chuyển đảm nhận nhiệm vụ vận chuyển và di chuyển hệ trục xyz cho việc hàn board mạch Nó sử dụng các thanh trượt, dây curoa, vít me để di chuyển board mạch một các linh hoạt Khối này cần được thiết kế chính xác và đảm bảo an toàn để đảm bảo việc hàn board mạch được thực hiện một cách hiệu quả và ổn định
- Khối nhận dạng board: Khối nhận dạng board được sử dụng để xác định và nhận dạng các board mạch khác nhau Các công nghệ như camera, mô hình mạng yolo được sử dụng để thu thập dữ liệu về board mạch
Từng khối trong hệ thống hàn board mạch tự động đóng vai trò quan trọng trong hoạt động tổng thể của hệ thống Sự tương tác và tích hợp chính xác giữa các khối này giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định của hệ thống hàn mạch, tạo ra một môi trường đáng tin cậy và thuận tiện cho người sử dụng
3.4.3 Chọn thiết bị cho từng khối
Hệ thống của nhóm sử dụng 2 nguồn đó là nguồn 220V và nguồn 24V Nguồn 220V AC dùng để duy trì và cấp điện cho các thiết bị nung để có công suất ổn định Nguồn 24V DC dùng cho các thiết bị điều khiển và cảm biến Do sử dụng 2 nguồn nên hệ thống sẽ có 1 nguồn tổ ong 24V DC – 5A để biến đổi điện áp xoay chiều 220V
- Điện áp đầu vào: AC110/220VAC ± 15%
- Tần số đầu vào: 50-60Hz
- Điện áp ra: 24VDC có thể điều chỉnh 5%
- Bảo vệ quá tải: >25% công suất định mức
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ℃ ~ 40 ℃, 10% ~ 90% RH
Ngoài ra, nhóm còn sử dụng 1 MCB để đóng ngắt điện và tránh các trường hợp ngoài ý muốn trong lúc hệ thống hoạt động Cụ thể ở đây nhóm sử dụng CB vanlock PS45N
- Dòng cắt ngắn mạch: 4.5kA
- Điện áp định mức: 230VAC
3.4.3.2 Bộ điều khiển trung tâm [5] Để lập trình và điều khiển hệ thống, nhóm sử dụng CPU của Siemens để điều khiển chính, bên cạnh đó nhóm còn sử dụng thêm 1 Module mở rộng, 1 mạch khống chế nhiệt độ và 3 Driver để điều khiển động cơ Cụ thể như sau:
CPU: Nhóm sử dụng CPU S7-1200 1214 DC/DC/DC để phù hợp với nhu cầu điều khiển của mô hình
Hình 3.35:CPU S7-1200 1214 DC/DC/DC
- Bộ nhớ làm việc: 50kB
- Bộ nhớ giữ lại: 2kB
- Kiểu số: 14 ngõ vào/ 10 ngõ ra
- Các bộ đếm tốc độ cao: 6
- Profinet: 1 cổng truyền thông Ethernet
Do số lượng ngõ ra không đủ nên nhóm sẽ sử dụng thêm 1 module SM 1222 với
Module SM 1222 là một module mở rộng đầu vào/đầu ra số cho dòng PLC Siemens S7-1200 Nó cung cấp 8 ngõ ra số (DO) bổ sung cho PLC Dưới đây là các thông số kỹ thuật chính của Module SM 1222:
- Điện áp hoạt động: 24VDC
- Số lượng ngõ vào số: 8
Tiếp đến để điều khiển được động cơ Step NEMA 17, nhóm sử dụng Drive TB6600 để điều khiển
- Dòng cấp tối đa là 4A
- Ngõ vào có cách ly quang, tốc độ cao
- Có tích hợp đo quá dòng quá áp
Ngoài ra, nhóm còn phải điều khiển nhiệt độ lò nung thiếc vì thế nhóm chọn bộ khống chế nhiệt độ REX-C100 để phù hợp với việc duy trì điều khiển nhiệt độ mong muốn
Hình 3.38: Bộ khống chế nhiệt độ REX-C100
- Kích thước mặt đồng hồ: 48×48
+ Bộ khống chế nhiệt độ REX-C100
- Sản phẩm: Tất cả các bộ điều khiển nhiệt độ thông minh
- Đầu ra cảnh báo: đạt đến giới hạn trên của độ lệch báo động (giới hạn dưới có thể điều chỉnh, độ lệch cảnh báo giới hạn trên)
- Dải nhiệt độ điều khiển trạng thái rắn (SSR): 0-400 độ C
- Chức năng chính: kiểm soát nhiệt độ
- Tần số nhiệt độ: 50-60 HZ
- Sử dụng môi trường: 0-50 ℃ 30-85% cơ hội khí không ăn mòn rh của
- Sản phẩm này chỉ có thể là đầu ra đầu vào loại K
Hình 3.39: Mạch điều khiển tốc độ động cơ
- Điện áp hoạt động: 12~40VDC
- Tích hợp cầu chì chống quá tải (10A)
Hình 3.40: Động cơ 555 Động cơ 555 là một loại động cơ DC (điện áp thấp) thông dụng, được sử dụng rộng rãi trong các ứng dụng điện tử và robot học Dưới đây là một số thông số kỹ thuật cơ bản của động cơ 555:
- Điện áp hoạt động: 6-15VDC
- Tốc độ: 27000 Vòng/ phút (12V); 25000 Vòng/ phút (9V)
- Đường kính động cơ: 37.5mm
- Chiều dài động cơ: 57mm
- Chiều dài trục động cơ: 12mm
Khối vận chuyển của nhóm sẽ dùng 3 động cơ, cụ thể là 2 động cơ Step NEMA
17, 1 động cơ Step 57HS7630B4 NEMA 23 DUAL tương ứng với các cơ cấu trục Y,
Với cơ cấu trục Y và Z nhóm sử dụng động cơ Step NEMA 17 để vận hành Ưu đểm của động cơ này là có khả năng điều khiển chính xác vị trí và giữ vị trí
Hình 3.41: Động cơ Step NEMA 17
Thông số động cơ Step NEMA 17
- Điện áp định mức 24VD Ở cơ cấu trụ X, vì yêu cầu đặt ra ban đầu là điều khiển chính xác với 2 hệ thanh trượt nên nhóm chọn động cơ step dual shaft với ưu điểm vượt trội của nó Cụ thể là động cơ Step 57HS7630B4 NEMA23 DUAL SHAFT DC STEPPER MOTOR 1.8NM
Hình 3.42: Động cơ Step 57HS7630B4 NEMA 23 DUAL
Thông số động cơ Step 57HS7630B4 NEMA 23 DUAL
- Điện áp định mức 24VDC
3.4.3.4 Khối nhận dạng board Để nhận dạng board mạch, cụ thể là nhận dạng linh kiện điện tử, mã QR và kiểm tra góc lệch của board, nhóm sẽ phải dùng 1 thiết bị camera phù hợp Sau khi tham khảo nhiều mức giá cũng như ưu điểm của nhiều loại, nhóm đã quyết định chọn Logitech C270
- Độ phân giải video: HD 720p
- Độ phân giải điểm ảnh: 3 megapixel
- Tốc độ khung hình: 30 khung hình/giây (30FPS)
Thiết kế tủ điện
Sau khi đo đạc các thiết bị cũng như số lượng, nhóm đã chọn sử dụng tủ điện có kích thước là 40cm x 21cm x 60cm Từ đó nhóm tiến hành phác thảo các bố trí cũng như khoảng cách các kích thước trong mô hình
Hình 3.52: Bản vẽ 2D tủ điện Để tối ưu hóa về mặt không gian cũng như là tính thẩm mỹ của tủ điện, nhóm sử dụng năm máng nhựa đi dây 25mm x 30mm, dài 11cm và một máng nhựa 25mm x 30mm, dài 47cm Bố cục của tủ nhóm sẽ chia làm bốn phần: Phần đầu tiên là nguồn vào, phần thứ hai là CPU và Driver, phần thứ ba và bốn là Terminal Block Máng nhựa 40mm x 40mm sẽ được đặt ở sát mép bên trái của tủ điện Ở phần nguồn vào, được đặt phía trên cùng của tủ điện, máng nhựa sẽ được nhóm đặt đầu tiên, sát mép tủ điện MCB và nguồn tổ ong của nhóm sẽ được bố trí cách máng nhựa một khoảng 2cm để dễ dàng hơn cho việc đi dây và được thể hiện như trong hình vẽ Đến phần CPU và Driver, trước khi đặt các thiết bị, nhóm sẽ đặt máng nhựa thứ hai cách nguồn vào một khoảng 2cm Nhóm sẽ đặt CPU và Driver cách đểu hai bên tủ và cách máng nhựa thứ hai một khoảng 2cm và được bố trí như trong hình vẽ trên Phần còn lại là phần Terminal Block, nhóm sẽ ghép ngang các thanh Terminal lại và đặt sát nhau cách đều 2 bên tủ điện
Lý do nhóm thiết kế và bố trí như vậy, ngoài việc dễ dàng cho việc đi dây cũng như mang tính thẩm mỹ cao mà còn để đảm bảo các thiết bị có không gian vừa đủ, thoáng mát để tỏa nhiệt Sau khi phác họa và bố trí nhóm đã tiến hành vẽ 3D cho tủ
Hình 3.53: Thiết kế 3D của tủ điện
THI CÔNG HỆ THỐNG
Giới thiệu
Thi công mô hình là một giai đoạn thiết yếu trong việc triển khai dự án xây dựng Giai đoạn này đòi hỏi sự chuyên nghiệp, kiên nhẫn và sáng tạo để biến ý tưởng thành hiện thực Với quy trình và kỹ thuật thích hợp, công đoạn này giúp tạo ra các mô hình đẹp mắt, chính xác và có tính ứng dụng cao
Dựa trên cơ sở lý thuyết cùng các tính toán và thiết kế đã thực hiện ở chương 2 và chương 3, nhóm sẽ phân chia việc thi công thành các phần như sau:
- Thi công cơ khí: Nhóm sẽ lắp ráp khung mô hình dựa trên thiết kế đã hoàn thành
- Thi công phần điện: Theo sơ đồ nối dây tổng quát và sơ đồ tủ điện, nhóm sẽ thực hiện đấu nối và điều chỉnh khoảng cách dây điện cho phù hợp
- Thi công chương trình điều khiển: Sử dụng các phần mềm lập trình như Tia Portal và Pycharm để lập trình điều khiển
- Thi công giao diện giám sát và điều khiển: Nhóm sẽ sử dụng phần mềm Qt Designer và Scada để xây dựng giao diện điều khiển mô hình.
Danh sách các thiết bị thi công
Bảng 4.1: Danh sách các thiết bị thi công
Thi công cơ khí
Khung được chế tạo từ nhôm định hình với kích thước 60x60x71cm Bên dưới khung, có gắn 4 bánh xe nhỏ để thuận tiện cho việc di chuyển mô hình
Dựa trên các phần đã chuẩn bị trước cho việc thi công cơ khí, nhóm đã đặt ra một số yêu cầu để đảm bảo quá trình thi công diễn ra đúng theo kế hoạch:
- Thi công và lắp đặt phần khung mô hình phải vững chắc
- Lắp ráp các phần phải đảm bảo liên kết chính xác
- Sử dụng các thiết bị hỗ trợ thi công phù hợp
- Lập báo cáo về các thiết bị đã sử dụng trong quá trình thi công
4.3.2 Thi công khung mô hình
Dựa trên bản thiết kế 3D của khung, nhóm đã thực hiện việc gia công nhôm định hình để đảm bảo độ chính xác cao nhất về kích thước Đầu tiên, để tiến hành lắp ráp các bộ phận của khung, cần một bề mặt phẳng để đặt các thành phần và cố định chúng sau này Nhóm đã sử dụng các thanh nhôm định hình để lắp ráp và đảm bảo sự chắc chắn cho toàn bộ khung Mục đích của việc sử dụng các thanh nhôm này là để tạo sự liên kết dễ dàng và đảm bảo độ bền vững cho khung
Ngoài ra, nhóm cũng sẽ lắp 4 bánh xe nhỏ ở 4 góc của khung để thuận tiện cho việc di chuyển mô hình
4.3.3 Thi công cơ cấu hệ trục XYZ
Dựa vào bảng thiết kế ở chương 3, nhóm tiến hành lắp đặt cơ cấu trục XYZ với phần đế của cơ cấu là tấm thép có kích thước và được đục các lỗ để lắp đặt các thiết bị liên quan
Tiến hành lắp đặt động cơ cho từng trục XYZ, đảm bảo sự chính xác và độ bền trong quá trình vận hành Trục X và trục Y sử dụng dây curoa còn trục Z sử dụng vít me
Hình 4.1: Cơ cấu trục XYZ hoàn thiện
4.3.4 Thi công cơ cấu lò nung thiếc
Dựa vào bảng thiết kế 3D, bắt đầu bằng việc thi công chi tiết cơ cấu lò nung thiếc phải lựa chọn vật liệu chịu nhiệt, kết cấu vững chắc và thiết kế hệ thống điều khiển nhiệt độ chính xác
Việc thi công chi tiết bơm ly tâm dựa trên yêu cầu công nghiệp, bao gồm lưu lượng, áp suất và vật liệu phù hợp với môi trường làm việc Lắp đặt các thành phần chính của bơm ly tâm như cánh quạt, trục bơm và vỏ bơm, đảm bảo việc lắp ráp chính xác và đúng kỹ thuật
Hình 4.2: Lò nung sau khi đã hoàn thiện
Thi công phần điện
Dựa trên bản vẽ thiết kế và các vị trí của thiết bị đã được tính toán, nhóm tiến hành thi công mô hình Đầu tiên, nhóm đặt các thiết bị vào khu vực nguồn trong tủ điện, bao gồm: MCB, relay và bộ nguồn tổ ong 24V Nhóm sử dụng thanh ray nhôm để cố định MCB và relay, còn bộ nguồn tổ ong sẽ được cố định trực tiếp lên tủ điện bằng cách taro lỗ Sau khi các thiết bị được đặt đúng vị trí như thiết kế, nhóm sẽ đi dây qua hai máng nhựa theo hướng dẫn của bản thiết kế
Hình 4.3: Khối nguồn đã được thi công
Tiếp theo là giai đoạn thi công, nhóm tiến hành bố trí các thiết bị như CPU, module mở rộng và driver theo bản thiết kế đã có Để cố định các thiết bị này, nhóm đã sử dụng thanh ray nhôm Sau khi các thiết bị được lắp đặt vào đúng vị trí như thiết kế, nhóm tiến hành đi dây điện Dây điện sẽ được luồn vào hai máng nhựa đặt ở trên và dưới Theo nguyên tắc, dây đầu vào của thiết bị sẽ đi cùng hướng với dây đầu ra của PLC trong máng nhựa trên, và tương tự, dây đầu vào cùng hướng với dây đầu ra của PLC sẽ đi trong máng nhựa thứ hai
Hình 4.4: Lắp đặt CPU và các khối điều khiển Ở phần bố trí cuối cùng của tủ điện, nhóm đã sử dụng các thanh terminal ghép ngang Dây của các thiết bị còn lại sẽ được đi trong máng và đấu vào hàng dưới của terminal
Hình 4.5: Tầng các domino trong tủ điện
Các sợi dây sẽ được đặt trong năm máng nhựa có kích thước 20x20mm và sau đó đi vào máng chính 40x40mm trước khi thoát ra khỏi tủ điện Để dễ dàng phân biệt các dây, nhóm sẽ in nhãn tên cho các ngõ ra và thiết bị, rồi gắn vào đầu dây trước khi kết nối với thanh terminal
Ngoài các thiết bị chính đã đề cập, nhóm còn bố trí thêm hai nút nhấn on/off, hai đèn báo on/off, một nút dừng khẩn cấp và một bộ khống chế nhiệt độ REX-C100 ở phía trên nắp tủ điện Về phần đi dây, dây điện sẽ được quấn cùng dây lòng gà, đặt vào máng và kết nối vào các vị trí thanh terminal tương ứng với các ngõ ra
Hình 4.6: Các nút nhấn và đèn báo được lắp trên tủ điện
Thi công chương trình điều khiển PLC
Hình 4.7: Cài đặt chung driver
Hình 4.8: Các thông số cài đặt chung
Hình 4.10: Các thông số cài đặt
Hình 4.11: Cài đặt bước cho động cơ
Hình 4.12: Các thông số cài đặt bước
Hình 4.13: Cài đặt giới hạn
Hình 4.14: Các thông số cài đặt giới hạn
Hình 4.15: Cài đặt tốc độ
Hình 4.16: Các thông số cài đặt tốc độ
Hình 4.17: Cài đặt dừng khẩn cấp
Hình 4.18: Các thông số dừng khẩn cấp
Thi công giao diện giám sát và điều khiển
4.6.1 Yêu cầu về giao diện
Giao diện giám sát và điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và tự động hóa các quy trình và hệ thống Để thiết kế và triển khai một giao diện hiệu quả, cần phải cân nhắc đúng mức độ tính năng, đơn giản hóa và hiệu suất Điều này giúp đảm bảo sự dễ sử dụng và đáp ứng đầy đủ nhu cầu của người dùng
4.6.2 Xây dựng giao diện Scada
Hình 4.19: Màn hình đăng nhập
Hình 4.21: Chế độ điều khiển thủ công
Hình 4.23: Màn hình tổng quan
Thi công quy trình xử lý ảnh
Hình 4.24: Quy trình xử lý ảnh
Trong Python, việc quét mã QR có thể được thực hiện thông qua việc kết hợp các thư viện mạnh mẽ như opencv hoặc pyzbar
Opencv (Open Source Computer Vision Library) là một thư viện mã nguồn mở chuyên về xử lý ảnh và thị giác máy tính Thư viện này cung cấp các công cụ mạnh mẽ để nhận diện và giải mã mã QR một cách nhanh chóng và chính xác
Pyzbar là một thư viện chuyên dụng cho việc giải mã các mã vạch và mã QR từ hình ảnh Nó hỗ trợ nhiều định dạng mã vạch và có thể dễ dàng tích hợp vào các dự án Python
Với sự kết hợp của hai thư viện này, nhóm có thể dễ dàng tích hợp tính năng quét mã QR vào các ứng dụng Python để phân biệt được các loại board mạch khác nhau trong việc xử lý dữ liệu và tự động hóa các quy trình
Hình 4.25: Sơ đồ quy trình đọc mã QR
Trong lĩnh vực xử lý ảnh, việc quét đường biên và phân tích màu sắc là những bước quan trọng để nhận diện và phân loại các đối tượng trong hình ảnh Hệ màu HSV (Hue, Saturation, Value) là một công cụ mạnh mẽ để phân biệt màu sắc, đặc biệt trong việc xử lý ảnh màu
Hệ màu HSV là một không gian màu biểu diễn các màu sắc theo ba thành phần:
- Hue (H): Đại diện cho màu sắc và được đo theo góc độ từ 0 đến 360 độ
- Saturation (S): Đại diện cho độ bão hòa của màu, tức là mức độ tinh khiết của màu sắc, và thường được biểu diễn từ 0 đến 1
- Value (V): Đại diện cho độ sáng của màu sắc, cũng được biểu diễn từ 0 đến 1
Hệ màu HSV tách biệt thông tin về màu sắc (Hue) khỏi thông tin về độ sáng (Value), giúp việc phân tích và xử lý màu sắc trong ảnh trở nên dễ dàng hơn
Hình 4.26: Sơ đồ quy trình quét đường biên sử dụng HSV
Kiểm tra linh kiện trong quá trình sản xuất yêu cầu độ chính xác cao và khả năng xử lý nhanh Với sự tiến bộ của công nghệ trí tuệ nhân tạo, đặc biệt là các mô hình học sâu như YOLOv8 (You Only Look Once phiên bản 8), việc tự động hóa quy trình kiểm tra linh kiện trở nên khả thi và hiệu quả hơn bao giờ hết Báo cáo này trình bày về ứng dụng của mô hình YOLOv8 trong quét kiểm tra linh kiện, một mô hình nhận diện đối tượng tiên tiến với khả năng xử lý thời gian thực
YOLO là một trong những mô hình nhận diện đối tượng phổ biến nhất, nổi tiếng với tốc độ và độ chính xác cao YOLOv8 là phiên bản mới nhất, cải tiến về cấu trúc mạng và thuật toán so với các phiên bản trước, giúp nâng cao hiệu suất nhận diện và độ chính xác YOLOv8 hoạt động theo nguyên tắc chia hình ảnh đầu vào thành các ô lưới và dự đoán các hộp giới hạn cùng với xác suất của các lớp đối tượng trực tiếp từ các ô lưới này
Hình 4.27: Sơ đồ quy trình ứng dụng YOLOv8 trong kiểm tra linh kiện
KẾT QUẢ - NHẬN XÉT – ĐÁNH GIÁ
Kết quả nghiên cứu
Thông qua đề tài đồ án tốt nghiệp này, nhóm đã thành công nghiên cứu mô hình máy hàn bo mạch tự động, đặc biệt là máy hàn board mạch tự động bằng phương pháp hàn sóng
Ngoài việc nghiên cứu các thuật toán điều khiển mô hình máy hàn bo mạch tự động, nhóm còn học hỏi thêm về các phương pháp điều khiển khác và thông qua đề tài, nhóm có thể nắm bắt thêm các hướng nghiên cứu liên quan đến điều khiển bằng PLC
Bên cạnh việc nghiên cứu về mô hình và cách thức điều khiển, nhóm đã nghiên cứu được nhiều thứ khác mà thế giới hiện nay đang tiến hành ứng dụng và phát triển như: giao diện giám sát và điều khiển, phương pháp truyền thông với các thiết bị điều khiển, …
Kết quả thi công cơ khí
Về phần thi công cơ khí, nhóm đã thực hiện được phần thiết kế cà thi công lại được một bộ khung của mô hình hàn mạch tự động Bộ khung được nhóm thiết kế và thi chông với chất liệu nhôm định hình khá chắc chắn
Thông qua đồ án, nhóm đã có thể tìm hiểu được cách tính các thông số trong việc lựa chọn động cơ và các thiết bị liên quan phù hợp để thiết kế và thi công các cơ cấu được điều khiển như: cơ cấu hệ trục XYZ, lò nung Đối với cơ cấu hệ trục XYZ, nhóm đã dựa trên kích thước của khung mô hình và tính toán được khoảng cách mà cơ cấu XYZ cần đáp ứng Bên cạnh đó nhóm đã tìm hiểu được cách thức hoạt động của một động cơ Step, cơ cấu dây đai và cơ cấu Vít me tương ứng
Tiếp theo là cơ cấu lò nung thiếc, nhóm đã tính toán và thiết kế thành công Thông qua việc tính toán và thiết kế cơ cấu này nhóm đã nắm bắt được các thức vận hành của một lò nung thiếc và hệ thống bơm ly tâm
Tổng quan về phần cơ khí, nhóm đã tính toán vầ thiết kế được bộ khung chắc chắn, cơ cấu hệ trục XYZ chính xác và cơ cấu lò nung cho mô hình Dựa vào tính toán đó nhóm đã có thể thi công hoàn thiện phần cơ khí cho mô hình
Hình 5.1: Toàn bộ phần cơ khí được hoàn thiện
Kết quả thi công phần điện
Sau khi hoàn thành quá trình thiết kế và thi công hệ thống điện, nhóm đã kết nối dây thành công, đảm bảo hệ thống vận hành ổn định sau khi đấu nối Đặc biệt, an toàn điện luôn được nhóm đặt lên hàng đầu và đã đạt được tiêu chuẩn an toàn như mong đợi ban đầu
Các thiết bị vận hành được cố định với khoảng cách an toàn để đảm bảo rằng nếu một thiết bị gặp sự cố, nó sẽ không ảnh hưởng đến các thiết bị khác Bên cạnh đó, các thiết bị trong cùng một hệ thống cũng được bố trí với khoảng cách hợp lý để tản nhiệt hiệu quả, đảm bảo tuổi thọ và hiệu suất hoạt động của thiết bị
Các dây dẫn trong mô hình được nhóm sắp xếp gọn gàng trong các máng nhựa đã được bố trí sẵn trong tủ Các thiết bị điều khiển vận hành cũng đã được nhóm cố định trong tủ theo thiết kế bố cục ban đầu Sau khi đấu nối, hệ thống vận hành ổn định và không gặp bất kỳ vấn đề nào về điện
Hình 5.2: Tủ điện đã hoàn thành
Kết quả thiết kế giao diện điều khiển và giám sát
Nhóm đã thành công trong việc tạo ra một giao diện giám sát và kiểm tra hiệu quả cho người vận hành
Bên cạnh đó, nhóm cũng đã thiết kế giao diện SCADA nhằm giúp điều khiển mô hình cơ bản một cách dễ dàng Thông qua giao diện SCADA này, người vận hành có thể điều khiển các trục XYZ một cách chủ động Không chỉ tạo ra giao diện thuận tiện, nhóm còn hoàn thành việc kết nối và trao đổi tín hiệu với PLC S7-1200, đảm bảo hoạt động ổn định cho người vận hành
Hình 5.3: Chức năng của màn hình đăng nhập
Hình 5.4: Đăng nhập ID, Passworld
Hình 5.5: Chức năng của màn hình chính
Hình 5.6: Các thông số điều khiển thủ công
Hình 5.8: Chức năng của màn hình tổng quan
Kết quả vận hành hệ thống
Về phần lấy dữ liệu:
Hình 5.9: Bản vẽ trên Autocad
Hình 5.10: Thêm lisp để lấy vị trí trên Autocad
Hình 5.11: Các điểm cần hàn thì sẽ có tọa độ trong Excel
Hình 5.12: Mỗi liên kết giữa PLC và Excel thông qua KepServerEX
Hình 5.13: Vùng nhớ tương ứng trong PLC
Hình 5.14: Vùng nhớ tương ứng trong Excel
Về cơ cấu hệ trục XYZ, nhóm đã đạt được những thành công đáng kể trong việc vận hành cơ cấu hệ trục XYZ, với khả năng điều khiển động cơ Step thông qua cơ định trước một cách chính xác và tự động, đảm bảo độ chính xác cao trong suốt quá trình vận hành Sự kết hợp giữa động cơ Step và cơ cấu dây curoa, vít me đã chứng tỏ hiệu quả vượt trội, mang lại sự ổn định và độ tin cậy cho hệ thống, đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật và tối ưu hóa hiệu suất làm việc
Hình 5.15: Tọa độ điểm đi đến và vị trí hiện tại của Trục X, Y và Z
Hình 5.16: Tọa độ trục X và Y trong thực tế
Hình 5.17: Tọa độ Z ở thực tế
Hình 5.18: Cơ cấu hệ trục XYZ vận hành thành công
Về cơ cấu lò nung thiếc, sau khi hoàn thành việc lắp đặt và hiệu chỉnh cẩn thận, hệ thống lò nung thiếc bằng phương pháp hàn sóng kết hợp với bơm ly tâm đã hoạt động thành công, đáp ứng mọi yêu cầu kỹ thuật và tiêu chuẩn an toàn Lò nung thiếc hoạt động ổn định với nhiệt độ được kiểm soát chính xác, đảm bảo quá trình hàn sóng hiệu quả, tạo ra các mối hàn đồng nhất và chất lượng cao Bơm ly tâm đóng vai trò quan trọng trong việc cung cấp thiếc nóng chảy liên tục và đều đặn vào khu vực hàn, duy trì dòng chảy thiếc ổn định, giảm thiểu tắc nghẽn và tối ưu hóa quy trình sản xuất
Sự phối hợp hiệu quả giữa lò nung và bơm ly tâm không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu chi phí vận hành và bảo trì, mang lại lợi ích kinh tế rõ rệt cho hệ thống
Hình 5.19: Cơ cấu lò nung thiếc vận hành thành công
Về phần giao diện, nhóm đã tạo điều kiện cho người vận hành có thể chủ động điều khiển các trục XYZ thông qua giao diện Scada Việc xây dựng giao diện này không chỉ mang lại sự tiện lợi cho người vận hành mà còn giúp tối ưu hóa quy trình điều khiển Bên cạnh đó, nhóm đã thành công trong việc kết nối và trao đổi tín hiệu giữa Tia Portal và Python, hai công cụ lập trình chính được sử dụng trong dự án Điều này cho phép dữ liệu được truyền tải một cách mượt mà và hiệu quả giữa phần lập trình điều khiển và phần lập trình xử lý dữ liệu, đảm bảo tính ổn định và nhất quán trong quá trình hoạt động của hệ thống
Kết quả từ quá trình xử lý ảnh đã đạt được những thành công đáng kể, với việc hệ thống nhận diện chính xác các linh kiện và mã QR trên bảng mạch Công nghệ xử lý ảnh tiên tiến cho phép phân biệt và xác định rõ ràng từng linh kiện, đảm bảo rằng mỗi thành phần được nhận diện và kiểm tra đúng vị trí Đồng thời, việc quét và nhận diện mã QR diễn ra nhanh chóng và chính xác, giúp tối ưu hóa quá trình theo dõi và quản lý sản phẩm Kết quả này không chỉ nâng cao hiệu suất làm việc mà còn đảm bảo chất lượng và độ tin cậy trong sản xuất
Hình 5.20: Dữ liệu đưa vào Yolo
Hình 5.21: Kêt quả sau khi Train
Hình 5.22: Đồ thị khi Train linh kiện
Hình 5.23: Mức độ phân biệt linh kiện
Hình 5.24: Nhận diện chính xác mã QR
Hình 5.25: Nhận diện chính xác linh kiện
Hình 5.26: Lỗi thiếu linh kiện gửi đến PLC
Hình 5.27: Lỗi thiếu linh kiện trên màn hình Scada
Hình 5.28: Màn hình khi các dữ kiện điều đúng
Hình 5.29: Khi chưa nhập tốc độ di chuyển cho các trục
Hình 5.30: Lỗi khi chưa có tốc độ cho các trục
Hình 5.31: Lỗi đi quá giới hạn của trục X và Y
Hình 5.32: Lấy dữ kiện thành công từ Autocad đến PLC Đặc biệt, kết nối thành công với PLC S7-1200 đã mang lại sự ổn định cao cho hệ thống, giúp người vận hành có thể điều khiển và giám sát các trục một cách chính xác và đáng tin cậy Nhờ vào việc thi công giao diện dễ sử dụng và kết nối tín hiệu ổn định, nhóm đã hoàn thiện hệ thống một cách toàn diện, từ cơ cấu cơ khí đến phần mềm điều khiển và giao diện người dùng
Sau khi hoàn thành quá trình hàn mạch, chất lượng các mối hàn đạt mức xuất sắc, đảm bảo tính đồng nhất và độ bền cao Các mối hàn chắc chắn, không có hiện tượng nứt gãy hay bong tróc, đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và chất lượng Nhờ vào quy trình kiểm soát nhiệt độ và sử dụng vật liệu hàn chất lượng, mạch điện hoạt động ổn định và hiệu quả, đảm bảo độ tin cậy cao trong quá trình vận hành
Hình 5.33: Quá trình hàn board mạch đã kết thúc
Hình 5.34: Các mối hàn chắc chắn, không có hiện tượng nứt gãy
Hình 5.35: Linh kiện hàn chắc chắn trên board mạch
