Đồ án “Thiết kế và chế tạo mô hình Robot đóng gói sản phẩm” với mục tiêu tạo ra một robot sử dụng hệ thống xử lý ảnh đóng gói sản phẩm đa năng, linh hoạt, dễ dàng tích hợp vào quy trình
TỔNG QUAN
Tổng quan
1.1.1 Tự động hóa trong công nghiệp:
Tự động hóa trong công nghiệp là quá trình áp dụng các công nghệ và hệ thống để thực hiện các nhiệm vụ và quy trình trong một môi trường công nghiệp mà không cần sự can thiệp hoặc giám sát liên tục từ con người
Hình 1-1: Tự động hóa trong nhà máy sản xuất
Các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp có thể được áp dụng trong nhiều lĩnh vực và quy trình khác nhau, bao gồm:
- Hệ thống điều khiển tự động (PLC): PLC (Programmable Logic Controller) là một hệ thống điều khiển tự động sử dụng để kiểm soát các hoạt động trong quá trình sản xuất
- Robot công nghiệp: Robot công nghiệp được sử dụng để thực hiện các nhiệm vụ lặp đi lặp lại trong môi trường công nghiệp (hàn, gia công, gắp, vận chuyển, lắp ráp )
- Hệ thống tự động hóa xưởng sản xuất: Hệ thống được sử dụng để quản lý và điều khiển các hoạt động trong một xưởng sản xuất (máy móc tự động, hệ thống vận chuyển tự động, hệ thống lưu trữ, )
Các hệ thống tự động hóa trong công nghiệp đem lại nhiều lợi ích, bao gồm tăng cường hiệu suất, giảm thời gian sản xuất, cải thiện chất lượng sản phẩm, giảm rủi ro tai nạn lao động và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp sản xuất
1.1.2 Giới thiệu chung về robot:
Robot là một thiết bị tự động hoá có khả năng thực hiện các tác vụ vật lý hoặc nhiệm vụ thông minh mà trước đây chỉ có con người có thể thực hiện Các robot trong công nghiệp thường được thiết kế để thực hiện các công việc lặp lại, tốn thời gian hoặc nguy hiểm cho con người
Hình 1-2: Robot trong công nghiệp
Cấu tạo chung của một robot trong công nghiệp hiện nay bao gồm:
- Cơ khí: Bộ khung, các khớp, động cơ, bánh răng, trục, các bộ truyền động khác
- Điện tử: Các vi mạch điều khiển, bộ xử lý, cảm biến, hệ thống giao tiếp,
- Cảm biến: Giúp thu thập thông tin từ môi trường xung quanh và từ chính robot (cảm biến hình ảnh, cảm biến vị trí, cảm biến lực, cảm biến tiếp xúc, )
- Hệ thống điều khiển: Bao gồm phần mềm và phần cứng để điều khiển các hoạt động của robot Hệ thống điều khiển nhận thông tin từ các cảm biến và dựa vào đó đưa ra quyết định và điều khiển các động cơ và khớp của robot
- Giao diện người-máy: Để tương tác với con người hoặc hệ thống khác (một bảng điều khiển, màn hình cảm ứng, hoặc hệ thống điều khiển từ xa)
Các thành phần trên thường được kết hợp và tùy chỉnh theo yêu cầu của ứng dụng cụ thể Sự tiến bộ trong công nghệ đã dẫn đến sự phát triển của các robot có khả năng tự học, nhận biết và tương tác với môi trường xung quanh một cách thông minh hơn
1.1.3 Nhu cầu sử dụng robot trong công nghiệp:
Công nghiệp hiện nay có nhu cầu ngày càng tăng về việc sử dụng robot Dưới đây là một số yếu tố đóng góp vào nhu cầu sử dụng robot trong lĩnh vực công nghiệp:
- Tăng hiệu suất và năng suất, giảm chi phí lao động: Sử dụng robot làm giảm sự phụ thuộc vào lao động nhân công, giúp giảm chi phí nhân công và tăng tính cạnh tranh của doanh nghiệp
- Tăng cường an toàn lao động: Sử dụng robot trong các công việc nguy hiểm và khó khăn giúp giảm rủi ro và nguy cơ cho nhân viên (làm việc trong môi trường độc hại, tác động cơ học mạnh, hoặc môi trường không ổn định)
- Sự linh hoạt và khả năng thích ứng với nhiều loại công việc khác nhau
Tổng quát lại, nhu cầu sử dụng robot trong công nghiệp hiện nay tăng lên do mong muốn tăng cường hiệu suất, giảm chi phí lao động, nâng cao an toàn lao động, sự linh hoạt và đa dạng, cũng như sự tiến bộ trong công nghệ robot và trí tuệ nhân tạo.
Lý do thực hiện đề tài
Hiện nay, việc sử dụng robot trong sản xuất trở thành một xu hướng mới được nhiều doanh nghiệp trên toàn cầu áp dụng Sự phát triển của robot trong công nghiệp cũng góp phần làm giảm các chi phí liên quan trong các doanh nghiệp Đồng thời, nâng cao năng suất và tính cạnh tranh trên thị trường Việc sử dụng robot trong sản xuất cũng giúp cho doanh nghiệp có thể thích nghi tốt hơn với nhu cầu sản xuất trong thời gian nhanh nhất và
4 hạn chế chi phí nhân lực Việc sử dụng robot cũng giúp doanh nghiệp tăng tỷ lệ tiết kiệm năng lượng và tăng khả năng đối phó với các thách thức của thị trường
Song song với sự phát triển đó, mục tiêu trên hết là học tập, thu nhặt thêm các kiến thức liên quan đến lĩnh vực Robot Công nghiệp Nhóm nhận thấy nghiên cứu về robot là một lĩnh vực đầy thử thách và yêu cầu tính sáng tạo cao, cùng với sự thích thú tìm tòi và giải quyết các vấn đề phức tạp liên quan đến robot, đồng thời cũng muốn tạo ra các sản phẩm đột phá và có ảnh hưởng lớn đến xã hội, nhóm đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo mô hình Robot đóng gói sản phẩm” Đồng thời, nhóm còn có mục tiêu xa hơn là có thể thương mại sản phẩm để phục vụ trong các lĩnh vực công nghiệp, giáo dục,…
Mục tiêu nghiên cứu
- Áp dụng được các kiến thức cơ khí, điện tử, đặc biệt là các nguyên lý cơ bản trong việc thiết kế và xây dựng robot
- Xây dựng được mô hình 3D cũng như mô hình thực tế Robot Delta theo tiêu chuẩn công nghiệp
- Phát triển khả năng lập trình và sử dụng phần mềm liên quan để điều khiển robot, xây dựng được thuật toán điều khiển Robot Delta
- Vận dụng các kiến thức về thị giác máy để tăng tính chính xác cho bài toán điều khiển
- Thiết kế, chế tạo robot Delta có không gian làm việc là hình trụ có đường kính là 500mm, chiều cao 200mm
- Robot đóng gói bánh với mục tiêu năng suất từ 1-2 khay bánh/phút
- Cải thiện chất lượng, tăng năng suất và giảm chi phí sản xuất của một sản phẩm robot Delta trên thị trường
- Tăng tính linh hoạt: Có thể được sử dụng để đóng gói nhiều loại sản phẩm khác nhau và thay đổi dễ dàng giữa các quy trình sản xuất khác nhau
- Giảm các rủi ro liên quan đến sức khỏe và an toàn lao động
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Các loại robot trong công nghiệp hiện nay
2.1.1 Phân loại theo chức năng:
Tên Hình ảnh minh họa Ứng dụng
- Hàn điểm, hàn cung, hàn ống,
- Công nghiệp ô tô, hàng không và gia công kim loại
- Gắp, lắp ráp, vận chuyển các đối tượng trong sản xuất
- Công nghiệp thực phẩm, đóng gói và kho vận
- Vận chuyển và quản lý hàng hóa
- Ngành logistics và giao nhận, khai thác,
- Phun sơn tự động, đảm bảo sự đồng nhất và chất lượng sơn
- Ô tô, sản xuất nội thất, thiết bị gia dụng, điện tử,
Bảng 2-1: Phân loại robot theo chức năng
2.1.2 Phân loại theo cấu trúc:
Tên Hình ảnh minh họa Ứng dụng
- Hàn, cắt, gắp, kiểm tra chất lượng
- Ô tô, điện tử, công nghiệp gia dụng, gia công kim loại
- Gia công (phay, khoan, hàn, cắt), lắp ráp, đóng gói,
- Ô tô, thực phẩm, y tế, công nghệ hoá chất
- Thu thập dữ liệu, giáo dục và giảng dạy, chăm sóc sức khỏe,
- Giáo dục, dịch vụ, y tế, giải trí, công nghệ tiếp thị,
Bảng 2-2: Phân loại robot theo cấu trúc
2.1.3 Phân loại theo không gian làm việc:
Tên Không gian làm việc Ứng dụng
Robot di động - Vận chuyển, khám phá và khai thác tài nguyên, thu hoạch, vệ sinh,
- Logistics, dịch vụ (giải trí, hàng hóa), y tế, nông nghiệp, du lịch,
Robot cố định - Gia công (hàn, cắt, khoan), lắp ráp, kiểm tra sản phẩm, quản lý an ninh,
- CNC, ô tô, quản lý kho và logistics, y tế
Robot Delta - Gia công CNC (hàn, cắt, khắc laser ), lắp ráp, đóng gói sản phẩm,
- Ô tô, khoa học, y tế, thực phẩm, dược phẩm,
Bảng 2-3: Phân loại robot theo không gian làm việc
Giới thiệu Robot Delta
Robot Delta được phát triển bởi Reymond Clavel tại Đại học Lausanne vào những năm 1980 Thiết kế của nó được lấy cảm hứng từ cấu trúc bánh răng và trục xoay, và được xây dựng để giải quyết các vấn đề về tốc độ và độ chính xác trong các quá trình sản xuất công nghiệp
Robot Delta có ba cánh tay song song được gắn vào một trụ chính, mỗi cánh tay có độ linh hoạt cao và khả năng di chuyển độc lập Với cấu trúc này, robot Delta có khả năng thực hiện các tác vụ trong không gian 3 chiều một cách nhanh chóng và chính xác, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và tăng năng suất
Cấu tạo của Robot Delta bao gồm các thành phần chính sau:
- Khung chính: Robot Delta sử dụng bộ khung mạnh mẽ để duy trì sự ổn định và độ chính xác Bộ khung này thường được làm bằng hợp kim (nhôm, thép)
- Hệ thống cánh tay: Robot Delta có các cánh tay dài và linh hoạt được nối với một khung ở trên Cánh tay này thường được làm bằng nhôm hoặc hợp kim nhẹ để tăng tính di động và hiệu suất
- Các khớp nối: Robot delta có các khớp nối giữa các cánh tay cho phép chúng có thể di chuyển và xoay theo các độ tự do khác nhau Điều này giúp robot delta thực hiện các chuyển động linh hoạt và tiếp cận các vị trí khác nhau
- Bộ điều khiển: Để điều khiển các chuyển động của các cánh tay, Robot Delta sử dụng một bộ điều khiển chính xác Bộ điều khiển này thường được tích hợp với các vi xử lý mạnh mẽ và phần mềm để điều khiển robot
- Bộ động cơ: Mỗi cánh tay của Robot Delta được trang bị một bộ động cơ để tạo ra chuyển động (động cơ servo, động cơ bước )
- Công cụ làm việc: Tùy thuộc vào ứng dụng cụ thể, Robot Delta có thể được trang bị các công cụ làm việc như bàn kẹp, cánh tay nắm, hoặc đầu cắt, giúp nó thực hiện các tác vụ cụ thể
Cấu tạo của Robot Delta mang lại khả năng linh hoạt cao, tốc độ nhanh và độ chính xác cao trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa
Một số đặc điểm nổi bật của robot Delta bao gồm:
- Khả năng di chuyển nhanh và chính xác trong không gian 3 chiều
- Thiết kế nhỏ gọn và dễ dàng tích hợp vào các dòng sản xuất hiện có
- Khả năng thực hiện các tác vụ liên tục mà không cần nghỉ ngơi
- Độ bền và độ tin cậy cao
- Có thể ứng dụng trong nhiều ngành khác nhau
Delta robot có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt Tuy nhiên, giá thành của robot Delta thường khá đắt, do đó, nó thường được sử dụng trong các quy trình sản xuất hàng loạt và yêu cầu độ chính xác cao để đảm bảo hiệu quả kinh tế
- Robot Delta được sử dụng để tự động hoá quá trình đóng gói sản phẩm và đóng hộp trong ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và hàng tiêu dùng
- Lắp ráp và thao tác, di chuyển sản phẩm trong dây chuyền sản xuất
- Hàn và gia công kim loại, đặc biệt là trong việc hàn điểm và hàn cắt
- Cắt và khắc laser: Robot cho phép thực hiện các quy trình cắt và khắc chính xác trên các vật liệu như gỗ, nhựa và kim loại
Robot Delta 3 bậc tự do:
Hình 2-2: Robot Delta 3 bậc tự do Ưu điểm:
- Tốc độ cao: Robot delta có tốc độ nhanh và đáng tin cậy trong việc thực hiện các tác vụ Điều này giúp tăng năng suất và hiệu quả trong quá trình làm việc
- Khả năng tiếp cận không gian lớn: Với cấu trúc của nó, robot delta có khả năng di chuyển linh hoạt và tiếp cận các không gian lớn xung quanh nó, cho phép thực hiện các tác vụ trong một diện tích rộng
- Ổn định và độ chính xác: Robot delta được thiết kế để có khả năng ổn định cao và độ chính xác trong việc định vị và di chuyển Điều này đảm bảo sự chính xác và đồng nhất trong các tác vụ
- Chi phí đầu tư ban đầu cao: Robot delta có chi phí đầu tư ban đầu lớn, bao gồm cả việc mua robot và hệ thống điều khiển
- Không phù hợp cho mọi ứng dụng: Cấu trúc và thiết kế của robot delta có thể không phù hợp cho mọi ứng dụng Đôi khi các tác vụ phức tạp và đa nhiệm có thể yêu cầu một robot có nhiều bậc tự do hơn
- Robot delta có không gian làm việc trên một diện tích lớn xung quanh nó, nhờ vào cấu trúc và thiết kế của nó
- Không gian làm việc của robot delta 3 bậc tự do thường hạn chế hơn so với phiên bản 4 bậc và 6 bậc tự do
- Do chỉ có ba bậc tự do, nó có khả năng di chuyển và tiếp cận trong một phạm vi không gian nhỏ hơn
- Thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu không gian làm việc nhỏ, ví dụ như trong công nghiệp điện tử hoặc lắp ráp sản phẩm nhỏ
- Robot delta được xác định bởi ba khâu chính, từ gốc đến cổ tay
- Mỗi khâu của robot delta 3 bậc tự do có ba khớp, bao gồm khớp xoay, khớp nối và khớp xoay/hấp Tổng số khớp trong robot delta 3 bậc tự do là 6
Robot Delta 4 bậc tự do:
Hình 2-3: Robot Delta 4 bậc tự do Ưu điểm:
Hệ thống băng tải
Hệ thống băng tải là một thiết bị tự động được sử dụng để chuyển hàng hóa từ một vị trí đến vị trí khác trong quy trình sản xuất hoặc vận chuyển Hệ thống băng tải bao gồm một băng tải chuyển động và các thiết bị điều khiển và cảm biến để đảm bảo việc vận hành an toàn và hiệu quả
Các loại hệ thống băng tải khác nhau có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau, bao gồm:
- Hệ thống băng tải thẳng: Loại băng tải đơn giản nhất, được sử dụng để chuyển đổi sản phẩm từ một vị trí đến vị trí khác trên một đường thẳng
- Hệ thống băng tải cong: Loại băng tải được thiết kế để đảm bảo chuyển hàng hóa từ một địa điểm đến vị trí khác trên một đường cong, giúp tiết kiệm không gian và tối ưu hóa quy trình sản xuất
- Hệ thống băng tải trục vít: Loại băng tải được thiết kế để vận chuyển các vật liệu nhỏ như viên nang, bột, hạt,
Hệ thống băng tải được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm sản xuất ô tô, sản xuất thực phẩm và đồ uống, sản xuất điện tử và sản xuất hàng hóa trong kho lưu trữ và vận chuyển Hệ thống băng tải có thể được tích hợp với các thiết bị khác như robot, máy móc tự động để tăng tốc độ sản xuất và giảm thiểu sự tham gia của con người trong quy trình sản xuất.
Xử lý ảnh trong công nghiệp
Xử lý ảnh là quá trình sử dụng các phương pháp và thuật toán để biến đổi, cải thiện và phân tích hình ảnh số Mục tiêu chính của xử lý ảnh là tạo ra một biểu diễn hình ảnh mới với các thuộc tính tốt hơn hoặc khác biệt so với hình ảnh gốc, hoặc trích xuất thông tin hữu ích từ hình ảnh để phục vụ cho các ứng dụng khác nhau
Các thành phần chính của hệ thống xử lý ảnh gồm: đầu đo, bộ số hóa, bộ nhớ, máy tính số, bộ hiển thị
Hình 2-9: Các bước xử lý ảnh
2.4.2 Vùng màu và cấu trúc dữ liệu ảnh trong OpenCV:
Vùng màu là một khu vực trong hình ảnh được xác định dựa trên các ngưỡng màu
Cấu trúc dữ liệu hình ảnh trong OpenCV được tổ chức dưới dạng một ma trận (số học) 3 chiều Thứ tự các chiều của ma trận được sắp xếp theo chiều cao, chiều rộng và kênh màu (tiếng Anh: height, width, channel) Mỗi phần tử trong ma trận này có kiểu dữ liệu là số nguyên (0-255) hoặc số thực (0-1) mô tả giá trị của mức sáng
Hình 2-10: Biểu diễn các giá trị màu
Giá trị ngưỡng thấp cho màu xanh lá ([40, 50, 50])
Giá trị ngưỡng cao cho màu xanh lá ([80, 255, 255])
Hình ảnh minh họa Ứng dụng
Hệ thống kiểm tra chất lượng
- Sử dụng để kiểm tra và đánh giá chất lượng của sản phẩm
- Phát hiện các khuyết tật, vết nứt, biến dạng, hay sai sót khác và đưa ra quyết định về tính chất chấp nhận hay từ chối của sản phẩm
Hệ thống kiểm soát và định vị
- Sử dụng để kiểm soát và định vị các đối tượng hoặc robot
- Theo dõi vị trí, hướng di chuyển, hoặc vị trí tương đối của các đối tượng trong không gian
Hệ thống trí tuệ nhân tạo trong thị giác máy
- Hệ thống kết hợp xử lý ảnh và trí tuệ nhân tạo để giải quyết các vấn đề phức tạp
- Nhận dạng và phân loại ảnh, phát hiện vật thể, theo dõi chuyển động, xử lý dữ liệu từ camera quan sát
Hệ thống giám sát an ninh
- Sử dụng trong các ứng dụng giám sát an ninh nhằm theo dõi và phát hiện các hành vi bất thường, phát hiện xâm nhập, hay nhận dạng khuôn mặt
- Được triển khai trong các tòa nhà, sân bay, trạm xe buýt
Bảng 2-4: Phân loại xử lý ảnh
Xử lý ảnh bằng phần mềm Pycharm
2.5.1 Giới thiệu phần mềm Pycharm:
PyCharm là một môi trường phát triển tích hợp (IDE) được phát triển bởi JetBrains, chuyên về việc phát triển ứng dụng Python PyCharm cung cấp một loạt các tính năng mạnh mẽ và công cụ để hỗ trợ việc viết mã Python, giúp nhà phát triển tăng năng suất và hiệu suất làm việc
Dưới đây là một số tính năng quan trọng của PyCharm:
- Hỗ trợ đầy đủ cho Python
- Tích hợp công cụ phân tích dữ liệu và học máy
- Hỗ trợ cho các framework phát triển web
- Quản lý dự án và phiên bản hóa
- Tích hợp công cụ kiểm thử và gỡ lỗi
2.5.2 Giới thiệu ngôn ngữ Python
Python là một ngôn ngữ lập trình mạnh mẽ, dễ học và linh hoạt Nó được phát triển bởi Guido van Rossum và được ra mắt lần đầu vào năm 1991 Python đã nhanh chóng trở thành một trong những ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất trên thế giới và được sử dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau, từ phát triển phần mềm đến khoa học dữ liệu và trí tuệ nhân tạo
Hình 2-12: Ngôn ngữ lập trình Python
Những điểm mạnh của Python:
- Dễ học và đọc: Python có cú pháp rõ ràng và đơn giản, giúp cho việc học và đọc mã nguồn trở nên dễ dàng hơn so với nhiều ngôn ngữ khác
- Đa năng: Python hỗ trợ nhiều phong cách lập trình, từ lập trình hướng đối tượng cho đến lập trình hàm và lập trình cấu trúc
- Thư viện phong phú: Python có một cộng đồng phát triển mạnh mẽ, cung cấp một loạt các thư viện và framework phổ biến để giúp đơn giản hóa và tăng tốc quá trình phát triển
- Trừu tượng hóa cao: Python cho phép người lập trình tập trung vào giải quyết vấn đề mà không phải quan tâm quá nhiều về các chi tiết kỹ thuật
- Hỗ trợ đa nền tảng: Python có thể chạy trên nhiều hệ điều hành, bao gồm Windows, macOS và Linux
2.5.3 Giới thiệu về thư viện OpenCV:
OpenCV (Open Source Computer Vision) là một thư viện mã nguồn mở được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực thị giác máy tính và xử lý hình ảnh Nó cung cấp một bộ công cụ mạnh mẽ và đa năng để phân tích, xử lý và trích xuất thông tin từ hình ảnh và video
Một số module cơ bản của OpenCV:
- cv2: Module chính của OpenCV
- cv2.imgproc: Module cho xử lý ảnh
- cv2.video: Module cho xử lý video
- cv2.features2d: Module cho phát hiện và mô tả đặc trưng hình ảnh
- cv2.face: Module cho nhận diện khuôn mặt
- cv2.ml: Module cho học máy
- cv2.calib3d: Module cho calibra hình ảnh và xử lý 3D
2.5.4 Các kiểu ảnh cơ bản: Ảnh màu RGB: Kiểu ảnh này sử dụng ba kênh màu (đỏ, xanh lá cây và xanh lam) để biểu diễn màu sắc của mỗi điểm ảnh Ảnh màu RGB phổ biến trong hầu hết các ứng dụng xử lý ảnh và công nghiệp Ảnh NIR (Near Infrared): NIR là một dải sóng gần hồng ngoại và được sử dụng trong các ứng dụng như phát hiện và phân tích trong lĩnh vực nông nghiệp, kiểm tra chất lượng sản phẩm và phát hiện nhưng không phát hiện bằng mắt thường Ảnh HSV (Hue, Saturation, Value) là một kiểu biểu diễn màu sắc trong xử lý ảnh
Nó được sử dụng để biểu diễn màu sắc dựa trên các yếu tố chính: màu sắc chính (hue), độ bão hòa (saturation) và giá trị (value)
- Hue (vùng màu): Đại diện cho màu sắc chính của một điểm ảnh và được biểu diễn bằng một góc trong không gian màu vòng tròn, thường từ 0 đến 360 độ
- Saturation (độ bão hòa): Đại diện cho mức độ mạnh yếu của màu sắc, thường được biểu diễn bằng phần trăm từ 0% đến 100%
- Value (độ sáng): Đại diện cho độ sáng của một điểm ảnh Giá trị 0 tương ứng với đen hoàn toàn, trong khi giá trị 100 tương ứng với trắng hoàn toàn Giá trị giữa 0 và 100 đại diện cho các mức độ sáng khác nhau của màu sắc.
Hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA (Supervisory Control and Data Acquisition) là một hệ thống tự động hóa được sử dụng để giám sát và điều khiển các quy trình và thiết bị trong các ngành công nghiệp, hạ tầng và dịch vụ công cộng Hệ thống SCADA giúp thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị, xử lý thông tin và hiển thị dữ liệu cho người dùng để giám sát và điều khiển các quy trình
Hình 2-14: Các thành phần của hệ thống SCADA
Hệ thống SCADA giúp thu thập dữ liệu từ các cảm biến và thiết bị, xử lý thông tin và hiển thị dữ liệu cho người dùng để giám sát và điều khiển các quy trình
Hình 2-15: Nguyên lý hoạt động của hệ thống SCADA
Bộ điều khiển PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là một thiết bị điện tử được sử dụng trong tự động hóa công nghiệp để điều khiển các quá trình và máy móc Nó hoạt động dựa trên một chương trình lập trình để thực hiện các nhiệm vụ điều khiển và xử lý tín hiệu PLC có khả năng nhận tín hiệu từ cảm biến và thiết bị ngoại vi, xử lý thông qua chương trình lập trình và điều khiển các đầu ra để thực hiện các hành động cần thiết
Hình 2-16: Vị trí của PLC trong hệ thống
Nguyên lý làm việc của PLC (Programmable Logic Controller) dựa trên các bước cơ bản sau:
Quét (Scan): PLC hoạt động theo một chu kỳ quét liên tục Trong mỗi chu kỳ quét, PLC thực hiện các bước sau đây:
Đọc đầu vào (Input Scan): PLC đọc tín hiệu từ các đầu vào để kiểm tra trạng thái của các cảm biến và thiết bị ngoại vi
Xử lý chương trình (Program Execution): PLC thực hiện các lệnh và chương trình lập trình được lưu trong bộ nhớ của nó
Cập nhật đầu ra (Output Update): Dựa trên kết quả xử lý chương trình, PLC cập nhật trạng thái của các đầu ra
Lặp lại quá trình: Sau khi hoàn thành một chu kỳ quét, PLC tiếp tục quét lại từ đầu, tạo thành một chu trình lặp lại liên tục Điều này cho phép PLC kiểm tra và điều khiển các quá trình tự động một cách liên tục và lặp đi lặp lại.
Động cơ bước
2.8.1 Tổng quan: Động cơ bước (Stepper motor) là một loại động cơ điện tử chuyên dụng được sử dụng trong các ứng dụng yêu cầu chính xác vị trí và chuyển động Động cơ bước hoạt động bằng cách chia vòng xoay thành các bước nhỏ và điều khiển bằng các xung điện để di chuyển từng bước một
Hình 2-17: Cấu trúc cơ bản của động cơ bước
2.8.2 Nguyên lý hoạt động: Động cơ bước được điều khiển bằng cách cung cấp các xung điện chính xác vào các cuộn dây để tạo ra lực từ tính Bằng cách thay đổi tần số, thứ tự và mức điện áp của các xung điện, động cơ có thể di chuyển một cách chính xác từng bước một Điều này cho phép kiểm soát chính xác vị trí, tốc độ và hướng chuyển động của động cơ.
Encoder
Encoder là một thiết bị điện tử hoặc cơ khí được sử dụng để chuyển đổi chuyển động hoặc vị trí của một đối tượng thành tín hiệu điện tương ứng Nó thường được sử dụng để theo dõi và đo chính xác vị trí, tốc độ hoặc quỹ đạo của một cơ cấu hoặc vật thể trong các hệ thống điều khiển tự động
Cấu tạo của một encoder thông thường bao gồm các thành phần sau: Trục, đĩa mã hóa, cảm biến, xử lý dữ liệu, đầu ra (output)
Hình 2-18: Cấu tạo cơ bản của encoder
Nguyên lý hoạt động của encoder dựa trên việc ghi nhận và chuyển đổi chuyển động hoặc vị trí của một đối tượng thành tín hiệu điện tương ứng Encoder quay sử dụng một đĩa mã hóa được gắn trên trục quay Cảm biến (quang học) được đặt gần đĩa mã hóa để đọc các mẫu mã hoặc dải tương phản trên đĩa mã hóa Khi trục quay, đĩa mã hóa sẽ tạo ra các xung đầu ra tương ứng với mẫu mã hoặc dải tương phản trên đĩa Số lượng xung sẽ phụ thuộc vào độ phân giải của encoder Các xung đầu ra có thể được đếm để tính toán vị trí, góc quay hoặc tốc độ quay của trục
Khay bánh
Khay bánh với kích thước 17x12.5x4.2cm phù hợp với các loại bánh 15-50g
Bánh Oreo
Bánh Oreo với đường kính 4cm, cao 1.2cm và có khối lượng 15g
Hình 2-20: Sản phẩm đóng gói của đề tài
YÊU CẦU TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Ý tưởng thiết kế
Nhóm chọn thiết kế và chế tạo robot Delta 3 bậc tự do có không gian làm việc là hình trụ có đường kính là 500 (mm), chiều cao 200 (mm), có ba khớp xoay điều khiển ba cánh tay Mỗi cánh tay có 4 khớp cầu liên kết cánh tay chủ động với bệ di động, bơm hút chân không Từ yêu cầu trên nhóm đưa ra sơ đồ động
Hình 3-1: Sơ đồ động của Robot Delta
Chọn các phương án thiết kế
Phương án 1 (Kiểu ghép nối)
Phương án 3 (Khuôn ép nhựa) Ảnh minh họa
- Khó liên kết với khung máy Ưu:
- Dễ liên kết với khung máy
- Chịu được sự ổn định cao
- Khối lượng khá lớn Ưu:
- Chịu được sự ổn định cao
- Bảo vệ được các linh kiện, cơ cấu bên trong
- Kết cấu phức tạp Vật liệu Kim loại (nhôm, thép) Kim loại (nhôm, thép) Nhựa
Quy trình thiết kế, gia công
- Thiết kế và gia công dễ dàng
- Thời gian hoàn thành quy trình nhanh
- Thiết kế và gia công dễ dàng
- Thời gian hoàn thành quy trình khá nhanh
- Thiết kế và gia công tương đối phức tạp
- Thời gian hoàn thành quy trình lâu
Giá thành Rẻ Tương đối rẻ Đắt
Bảng 3-1: Phương án chọn giá cơ sở
Nhóm chọn phương án 2 cho cụm cơ sở vì thực tế Robot chuyển động liên tục nên yêu cầu kết cấu phải vững chắc, có sự ổn định cao, dễ dàng liên kết với các bộ phận khác, quá trình gia công dễ và giá thành phù hợp
3.2.2 Chọn nguyên lí truyền động:
(Động cơ điện) Ảnh minh hoạ
Khối lượng tải Tải nhẹ Tải nặng Tải có thể thay đổi Độ chính xác Không Cao Không cao Cao Điều khiển Đơn giản Đơn giản Phức tạp
Tốc độ truyền động Nhanh Chậm Có thể thay đổi
Tốc độ đáp ứng Nhanh Chậm Nhanh
Giá thành Tương đối rẻ Đắt Tương đối rẻ
Bảng 3-2: Phương án chọn truyền động
Nhóm cần phương án truyền động có thể thay đổi tải và tốc độ linh hoạt, nhanh nhưng vẫn đảm bảo được độ chính xác, tốc độ đáp ứng cao và giá thành phù hợp Nhóm chọn nguyên lí 3 truyền động bằng động cơ điện
Momen tải Cao Cao (tốc độ thấp)
Thấp (tốc độ cao) Có thể điều chỉnh
Bộ điều khiển Mạch phát xung
PWM Driver Driver kèm theo motor Độ chính xác Không Cao Cao Cao Điều khiển vị trí Phức tạp Có Có Điều khiển Dễ Dễ Khó
Tốc độ Nhanh Tương đối nhanh Nhanh
Giá thành Tương đối rẻ Tương đối rẻ Đắt
Bảng 3-3: Phương án chọn động cơ
Theo yêu cầu, nhóm cần động cơ tốc độ quay cao, momen lớn, độ chính xác cao, động cơ phải hỗ trợ điều khiển robot đến nhiều vị trí khác nhau dễ dàng và giá thành phù hợp Nhóm chọn phương án động cơ Step
3.2.4 Chọn hệ thống giảm tốc:
Khi hoạt động, động cơ bước hay xảy ra hiện tượng trượt bước gây sai lệch và để đảm bảo momen tải cho cụm gắp, nhóm sử dụng thêm hệ thống giảm tốc
- Cơ cấu phù hợp cho tải nặng
- Cơ cấu phù hợp cho tải trung bình
- Hoạt động chính xác Nhược:
- Phải bôi trơn thường xuyên
- Dây curoa nhanh mòn Độ chính xác (vị trí) Không Cao Cao Cao
Bảo trì Không thường xuyên Thường xuyên Không thường xuyên
Hiệu suất Tương đối cao Thấp nhất Cao
Tuổi thọ Tương đối lâu Tương đối lâu Lâu
Giá thành Tương đối rẻ Rẻ Tương đối rẻ
Bảng 3-4: Phương án chọn giảm tốc
Nhóm cần hệ thống giảm tốc có lực tải lớn, độ chính xác, hiệu suất và độ bền cao, giá thành phù hợp Chọn hệ thống giảm tốc bánh răng
3.2.5 Chọn cánh tay chủ động:
- Chịu sự ổn định, độ bền cao
- Chịu được sự ổn định cao
- Khá nhiều khớp nối Ưu:
- Kết cấu đơn giản,khá vững chắc
- Sự ổn định tương đối thấp
Vật liệu Thép, nhôm Thép, carbon Sắt, thép
Quy trình thiết kế, gia công
- Thiết kế và gia công phức tạp
- Thời gian hoàn thành quy trình tương đối lâu
- Thiết kế và gia công phức tạp
- Thời gian hoàn thành quy trình tương đối lâu
- Thiết kế và gia công tương đối đơn giản
- Thời gian hoàn thành quy trình nhanh
Giá thành Đắt Tương đối rẻ Rẻ
Bảng 3-5: Phương án chọn cánh tay chủ động
Nhóm chọn phương án 3 vì dạng kim loại có kết cấu đủ ổn định, vững chắc tương đối phù hợp với yêu cầu, quy trình thiết kế, gia công tương đối nhanh, thuận tiện, dễ dàng và giá thành gia công, giá thành nguyên vật liệu rẻ
3.2.6 Chọn cánh tay bị động:
Vật liệu Carbon Kim loại ( sắt, thép, nhôm)
Trọng lượng Nhẹ Tương đối nặng (phụ thuộc vào chất liệu) Độ bền Cao Cao (phụ thuộc vào chất liệu)
Bảng 3-6: Phương án chọn cánh tay bị động
Nhóm chọn sử dụng vật liệu kim loại cho cánh tay bị động sắt đáp ứng được độ bền theo yêu cầu, gia công dễ dàng hơn và giá thành mua vật liệu rẻ
Rất linh hoạt, từ 0-90 độ Linh hoạt, từ 0-25 độ Linh hoạt từ 0-35 độ Độ ổn định Cao Cao Cao
Khả năng liên kết Phức tạp Đơn giản Đơn giản
Nguồn hàng Tương đối dễ kiếm
Phổ biến trên thị trường
Hiếm, chỉ được sài cho hãng
Giá thành Tương đối rẻ Rẻ Không thể xác định
Bảng 3-7: Phương án chọn khớp nối
Nhóm chọn phương án 2 vì khớp cầu khá linh hoạt, độ ổn định cao, cơ cấu đơn giản, dễ lắp ghép với các chi tiết liên quan dễ dàng mua được trên thị trường và giá thành rẻ
Dựa trên nguyên lý tạo ra lực nâng và giữ chặt đối tượng thông qua sự điều khiển và điện áp
Dựa trên nguyên lý tạo ra lực nâng và giữ chặt đối tượng thông qua sự thay đổi áp suất khí
Sử dụng áp suất âm để tạo ra một lực hút mạnh đủ để giữ chặt đối tượng
- Phù hợp cho các sản phẩm có hình dạng không đồng nhất, hình dạng phức tạp
- Chỉ phù hợp với các sản phẩm có khối lượng tương đối nhỏ
- Cơ cấu phức tạp Ưu:
- Lực gắp lớn, phù hợp với các sản phẩm thô cứng, kích thước nhỏ và phản hồi nhanh
- Hạn chế trong việc cầm, nắm
- Hệ thống khí nén phức tạp
- Phù hợp với các sản phẩm có bề mặt tương đối bằng phẳng
- Hoạt động ổn định và an toàn
- Hệ thống khí nén phức tạp
Giá thành Cao Tương đối cao Tương đối cao
Bảng 3-8: Phương án chọn tay gắp
Nhóm chọn phương án 3 vì giác hút chân không phù hợp nhất với sản phẩm của đề tài, dễ dàng điều khiển giá thành tương đối rẻ nếu hệ thống khí nén đã được lắp sẵn
Các chi tiết tiêu chuẩn: bạc đạn gối đỡ, đầu nối động cơ, encoder Các chi tiết thiết kế chế tạo băng tải:
STT Tên chi tiết Hình ảnh thiết kế
4 Trục tăng chỉnh dây belt
Pad động cơ và Encoder
Bảng 3-9: Chi tiết thiết kế băng tải
Thiết kế robot Delta
Hình 3-2: Hình ảnh 3D Robot Delta nhóm thiết kế
Trong ứng dụng đóng gói sản phẩm, thông thường 3 bậc tự do đã đủ để thực hiện các phương pháp đóng gói cơ bản và đạt được sự đa dạng trong các tác vụ đóng gói Với 3 bậc tự do, robot Delta có khả năng di chuyển trong không gian ba chiều và xoay quanh các trục tương ứng (XYZ) Điều này cho phép robot di chuyển chính xác và định vị sản phẩm trong quá trình đóng gói, khả năng di chuyển nhanh và thực hiện các tác vụ đóng gói một cách hiệu quả
Kết cấu của robot Delta nhóm đã thiết kế:
- 3 cánh tay chủ động được truyền động bởi 3 động cơ thông qua 3 hộp số để đáp ứng được tải trọng đã đặt ra, được gắn với bệ cố định thông qua giá đỡ động cơ
- 3 cánh tay bị động, mỗi tay gồm 2 thanh tạo thành một cấu trúc hệ bình hành được kết nối với cánh tay chủ động và bệ di động bằng các khớp cầu
Cụm giá cơ sở
Bệ cố định được gắn trên khung robot và dùng để gắn động cơ, là nơi giữ cho robot ổn định và cố định Bệ cố định phải đảm bảo sự vững chắc để chịu được tải trọng robot và các ứng dụng của nó Vì là chi tiết đòi hỏi độ chính sát cao nên nhóm đã gia công CNC
3.4.2 Pad hộp số động cơ:
Dùng để cố định hộp số với bệ cố định
Hình 3-4: Giá đỡ động cơ
Cụm bệ di động
Bệ di động phải đáp ứng nhu cầu nhẹ nhưng vẫn chắc chắn để giảm tải lực momen của động cơ Phương pháp gia công CNC nhôm nguyên khối
Cụm truyền động
Cơ cấu truyền động gồm 3 cánh tay chủ động được dẫn động trực tiếp từ 3 động cơ Step thông qua 3 hộp số nhằm tăng lực chuyển động từ motor và giúp tay robot chuyển động linh hoạt và chính xác hơn khi làm việc
3.6.1 Hộp số giảm tốc động cơ:
Hộp số động cơ có thể được sử dụng để tăng momen của động cơ, giảm tốc độ quay, giảm tốc độ, đảo chiều chuyển động, điều chỉnh tốc độ của động cơ, chuyển đổi lực vào vận tốc và giảm tải trọng trực tiếp lên động cơ giúp gia tăng tuổi thọ và độ bền của hệ thống truyền động
Hình 3-7: Hộp giảm tốc động cơ
3.6.2 Động cơ Step: Động cơ bước đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển chuyển động, định vị và điều chỉnh tốc độ của các cánh tay Nó cung cấp độ chính xác cao và độ tin cậy trong chuyển động của robot Delta
Cụm cánh tay
3.7.1 Cánh tay chủ động: Để đảm bảo robot hoạt động ổn định cánh tay chủ động phải đòi hỏi khả năng chịu lực và độ cứng cáp cao Cánh tay chủ động gồm 3 phần: cánh tay, trục trung tâm và trục cơ bản Trục xoay cơ bản nằm phía trên trục trung tâm và được gắn vào motor để di chuyển tay quay, đầu cuối trục trung tâm được gắn cố định với các giá đỡ nhằm kết nối các khớp xoay để di chuyển cánh tay bị động
Hình 3-10: Cánh tay chủ động
Cánh tay bị động giúp duy trì sự ổn định và cân bằng của robot trong quá trình vận hành Cánh tay bị động được gắn với các khớp xoay từ cánh tay chủ động và bệ di động tạo thành một hệ bình hành khiến cho bệ di động luôn song song với bệ cố định
Hình 3-11: Cánh tay bị động
Bơm hút chân không giúp robot cố định sản phẩm, nắm và di chuyển sản phẩm.
Hình 3-13: Bơm hút chân không
Khung
Khung robot phải đảm bảo độ vững chắc để chịu được tải trọng của robot delta và băng tải khi hoạt động, được kết nối bằng các mối hàn cố định
STT Tên cụm Số lượng
Khảo sát vùng làm việc
Nhóm thực hiện mô phỏng trên phần mềm NX để xác định không gian làm việc tối ưu của robot
Hình 3-16: Mô phỏng NX vùng làm việc của robot
Hình 3-17: Mô hình 3D không gian làm việc
Không gian làm việc phù hợp với yêu cầu đặt ra ban đầu
Hình 3-18: Mặt cắt vùng làm việc
Tính toán hệ dẫn động robot
Xác định momen tĩnh lớn nhất:
Hình 3-19: Vị trí cánh tay đạt momen tĩnh lớn nhất
Cánh A1B1 là quỹ tích của đường tròn (A1, A1B1)
⟹ Momen M lớn nhất đạt được khi A1B1 vuông góc xx’
Cánh tay B1P1 có quỹ tích là đường tròn (B1; B1 P1)
Tấm đế di động luôn song song với tấm đế cố định (P1 P2 // A1 A2 )
Mặt khác, tâm P của tấm đế di động ( cơ cấu chấp hành) chỉ chuyển động trong vùng làm việc của Robot ( hình vẽ)
⟹ Vị trí tối đa mà P đạt được là giao điểm của đường giới hạn vùng làm việc robot và tấm đế di động
⟹ Ta xác định được Pmax , tại đó mô men tại A1 là lớn nhất
- rc = 0.25 m : Bán kính đường tròn đáy vùng làm việc hình trụ
- L = 0.26 m : Chiều dài cánh tay chủ động
- l = 0.573 m : Chiều dài cánh tay bị động
- wb = 0,13 m : Bán kính tấm bệ cố định
- m1 = mL = 0.654 kg : Khối lượng cánh tay chủ động
- m2 = ml + 4mkc + mkn = 0.493 kg : Khối lượng cánh tay bị động
- m3 =mtải + mP = 0.2+0.253 = 0.453 kg : Khối lượng tấm đế di động và tải
- mkc: Khối lượng mỗi khớp cầu
- mkn: Khối lượng vít cấy
- mP: Khối lượng tấm đế di động
Xác định momen động lớn nhất:
Tiến hành mô phỏng chuyển động của điểm P trong 2 chu kỳ với quỹ đạo chuyển động:
Hình 3-20: Đồ thị momen tại z= -461 mm
Từ biểu đồ trên ta có, momen dẫn động lớn nhất: 𝑀 = 6,87 (𝑁𝑚) tại thời điểm 𝑥 1,65 (𝑠)
Hình 3-21: Đồ thị momen z= -635 mm
Từ biểu đồ trên ta có, momen dẫn động lớn nhất: 𝑀 = 5,34 (𝑁𝑚) tại thời điểm 𝑥 2,67 (𝑠)
=>Momen dẫn động lớn nhất trong vùng làm việc của robot: 𝑀 = 6,87 (𝑁𝑚) Nhân với hệ số an toàn:
Cơ cấu dẫn động có sử dụng hộp số giảm tốc có tỷ số truyền 𝑖 = 1 10⁄ nên momen xoắn của động cơ sử dụng tối thiểu cần đạt là:
10= 0,824 (𝑁𝑚) Chọn động cơ bước Hybrid 57J1880EC-1000
Hình 3-22: Bảng tra thông số động cơ.
Tính toán băng tải
Lựa chọn băng phẳng (dùng cho vật liệu đơn chiếc)
Hộp hàng thiết kế có kích thước 200𝑥140𝑥17𝑚𝑚 (dài - rộng - cao)
Dựa trên kích thước tải của khay bánh, chọn bề rộng băng tải lớn hơn 20% kích thước chiều rộng của khay bánh
Chiều rộng của băng tải:
Dựa theo nhu cầu sử dụng (không gian làm việc của robot) ta chọn băng tải dài 850mm
Nhóm thiết kế băng tải bánh và băng tải khay có cùng kích thước
Lưu lượng vận chuyển băng tải có thể được xác định: Đường kính trục (mm)
Tốc độ định mức (vòng/phút)
Bảng 3-11: Thông số cơ bản của động cơ 57J1880EC-1000
- Góc mái của vật phẩm là góc hình thành giữa đường nằm ngang và mái dốc của vật phẩm Các giá trị thông thường cho trong bảng 5 trang 8/[4]
Hình 3-23: Vật liệu góc mái
Chọn giá trị góc mái là 10°
Diện tích mặt cắt ngang dòng vận chuyển:
Diện tích mặt cắt ngang dòng vận chuyển có thể được xác định theo công thức (3) trang 7/[4]:
𝐴 = [𝐾 x (0,9𝐵 − 0.05)] 2 Với + A: Diện tích mặt cắt ngang dòng vận chuyển (m 2 )
+ K: Hệ số tính toán (hệ số K được cho ở bảng dưới) + B: Độ rộng băng tải (m)
Hình 3-24: Bảng tra hệ số tính toán
Dựa theo công thức trên ta tính được giá trị A:
Khối lượng riêng tính toán của khối vật liệu:
𝑉 = 0,015 0,02 2 𝜋 0,01= 1194 (𝑘𝑔 𝑚⁄ 3 ) (với V: thể tích của vật liệu (m 3 ))
Mặt khác, lưu lượng vận chuyển của băng tải có thể được xác định theo công thức (1) trang 6/[4]:
Trong đó + A: Diện tích mặt cắt ngang dòng vận chuyển (m 2 )
+ : Khối lượng riêng tính toán của khối vật liệu (kg/m 3 ) + 𝑣: Vận tốc băng tải (m/phút)
+ s: Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng (độ dốc) của băng tải
Từ đó, có thể tính toán được vận tốc băng tải theo công thức:
Tính toán công suất truyền dẫn băng tải:
Công suất làm quay trục con lăn kéo băng tải được tính theo công thức (4)/[5]
𝑃 = 𝑃 1 + 𝑃 2 Trong đó + P1: là công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu
+ P2: là công suất cần thiết để khắc phục tổn thất do ma sát tồn tại trong các ổ đỡ, ma sát giữa băng tải và con lăn khi băng tải không chạy
Lực cần thiết để vận chuyển vật liệu:
Khối lượng vật liệu trên 1m băng tải:
𝜎 = 0,015 × 25 = 0,375 (𝑘𝑔) Lực cần thiết để vận chuyển vật liệu tính theo công thức (11-8) trang 188/[5]:
𝐹 1 = 𝐿 × 𝜎 × 𝑘 1 × 𝑔 × 𝑐𝑜𝑠𝛽 (với β = 0 do băng tải là băng tải ngang)
Trong đó: + β: là góc nghiêng của băng tải
+ L: là chiều dài của băng tải + σ: là khối lượng vật liệu trên 1 m băng tải + k1: là hệ số tính đến khi dịch chuyển vật liệu, thường chọn K1 = 0,2 Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu tính theo công thức (11-9) trang 188/[5]:
Lực cản sinh ra do các loại ma sát khi băng tải chuyển động không tải:
Khối lượng băng tải trên 1m chiều dài băng tải:
Lực cản sinh ra do ma sát của băng và con lăn khi chuyển động không tải tính theo công thức (11-11) trang 188/[5]:
Trong đó: + k2: là hệ số tính đến lực cản khi không tải (thường chọn K2 = 0,05) + σb:là khối lượng băng tải trên 1 m chiều dài băng tải
Công suất cần thiết để khắc phục lực cản ma sát tính theo công thức (11-12) trang 188/[5]:
Ta có công suất cản tĩnh của băng tải tính theo công thức (11-15) trang 188/[5]:
(với k3 là hệ số có tính đến tổn thất phụ do lực ma sát trong con lăn dẫn hướng – k3=1÷1,25)
Vậy ta có công suất động cơ truyền động băng tải được tính theo công thức (11-16) trang 189/[5]:
𝜂 Trong đó: + k4: hệ số dự trữ về công suất (k=1,2÷1,25)
0,5 = 0,158(𝑊) Chọn động cơ GW31ZY DC12V 158 vòng/phút, công suất 8W
Hình 3-25: Thông số các động cơ băng tải Điện áp
Moment xoắn đầu ra (N.cm)
Bảng 3-12: Thông số cơ bản động cơ GW31ZY-158
Thi công
Hình 3-26: Khung robot sau gia công.
Hình 3-27: Bệ chủ động - Bệ bị động gia công CNC.
Hình 3-28: Pad động cơ sau gia công CNC
Chế tạo cụm cánh tay
Hình 3-29: Cánh tay chủ động
Hình 3-30: Cánh tay bị động
Hình 3-31: Cụm cánh tay sau khi lắp ráp.
Hình 3-32: Lắp ráp cụm cánh tay vào khung
Hình 3-34: Mặt trước và sau khung băng tải
Robot sau khi hoàn thành
Hình 3-37: Robot hoàn thành gia công cơ khí
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN - ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế hệ thống điện
Hình 4-1: Sơ đồ khối các thiết bị
Bộ điều khiển
Khả năng xử lý Có khả năng xử lý tác vụ phức tạp, xử lý đa nhiệm và đồng bộ hóa
Có khả năng xử lý đơn giản, thường sử dụng cho các dự án nhỏ, cá nhân Độ tin cậy và ổn định
Hoạt động trong môi trường khắc nghiệt, có độ tin cậy và ổn định cao
Hoạt động trong môi trường giáo dục, IOT, dự án có độ tin cậy và ổn định thấp hơn
Tính mở rộng Có khả năng mở rộng cao Có khả năng mở rộng, nhưng giới hạn về số lượng đầu vào/đầu ra
Bảng 4-1: Phương án chọn bộ điều khiển
Nhóm chọn phương án PLC vì PLC được thiết kế để hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, có độ tin cậy và ổn định cao, khả năng xử lý các tác vụ phức tạp, tích hợp các tính năng an toàn, khả năng mở rộng và tích hợp dễ dàng
Hình 4-2: PLC S7-1200 1214C DC/DC/DC
- Mã sản phẩm: ES7214-1AG40-0XB0
Thông số: SIMATIC S7-1200, CPU 1214C, compact CPU, DC/DC/DC, onboard I/O:
14 DI 24 V DC; 10 DO 24 V DC; 2 AI 0-10 V DC, Power supply: DC 20.4-28.8V DC, Program/data memory 100 KB
- 4 nguồn xung với tần số, 2 nguồn phát lên đến 100kHz, 2 nguồn 20kHz
- Tích hợp giao tiếp Ethernet (TCP/IP native, ISO-on-TCP)
- 6 counter với 3 counter 100 kHz và 3 counter 30 kHz
- Board tín hiệu mở rộng tương tự hoặc số được cắm trên CPU
- Tích hợp điều khiển PID, và đồng hồ thời gian thực
STT Địa chỉ Chức năng Địa chỉ
1 I0.0 Tín hiệu đầu A của encoder Q0.0 Phát xung điều khiển Step 1
2 I0.1 Tín hiệu đầu B của encoder Q0.1 Điều hướng Step 1
3 I0.2 Tín hiệu nút dừng khẩn cấp Q0.2 Phát xung điều khiển Step 2
4 I0.3 Tín hiệu nút bật chế độ
5 I0.4 Tín hiệu nút bật chế độ Auto Q0.4 Phát xung điều khiển Step 3
6 I0.5 Tín hiệu nút Start Q0.5 Điều hướng Step 3
7 I0.6 Tín hiệu nút Stop Q0.6 Điều khiển PWM động cơ băng tải bánh
8 I0.7 Tín hiệu cảm biến vị trí khay Q0.7 Đèn Stop
9 I1.0 Tín hiệu cảm biến số lượng Q1.0 Đèn Run
10 I1.1 Tín hiệu nút nhấn reset Q1.1 Đèn Erro
11 I1.2 Tín hiệu cảm biến xilanh 1 ra
12 I1.3 Tín hiệu cảm biến xilanh 1 vào
13 I1.4 Tín hiệu cảm biến xilanh 2 ra
14 I1.5 Tín hiệu cảm biến xilanh 2 vào
Bảng 4-2: Quy ước tín hiệu ngõ vào/ra PLC
SM1223 DC/DC 8DI/8DO
- Mã sản phẩm: 6ES7223-1BH32-0XB0
- Dòng sản phẩm: SIMATIC S7-1200 SM 1223
- Số lượng đầu vào số: 8 DI 24 V DC, Sink/Source
- Số lượng đầu ra số: 8 DO, transistor 0.5 A
- Nguồn cung cấp 24 V DC: (20.4-28.8 V DC)
STT Địa chỉ Chức năng Địa chỉ Chức năng
1 I1.6 Tín hiệu công tắc hành trình 1 Q1.2 Điểu khiển van 5/2 của Xilanh 1
2 I1.7 Tín hiệu công tắc hành trình 2 Q1.3 Điểu khiển van 5/2 của Xilanh 2
3 I2.0 Tín hiệu công tắc hành trình 3 Q1.4 Điểu khiển van 3/2 cho giác hút
4 I2.1 Tín hiệu cảm biến áp suất Q1.5 Điều khiển băng tải khay
Bảng 4-3: Quy ước tín hiệu ngõ vào/ra Module
Các thiết bị khác
(Động cơ giảm tốc băng tải)
- Điện áp định mức: 12VDC
- Không tải tốc độ: 158 rpm
- Tốc độ cố định: 120 rpm
- Mô-men xoắn định mức: 3,5 kg.cm
- Đường kính đèn báo: 28.3 mm
- Chức năng bảo vệ ngắn mạch
(Bộ chuyển đổi điện áp 24VDC-12VDC
- Công suất hiện tại/Công suất định mức: 15A/180 W
- Bộ khuếch đại công suất tối đa: > 90%
- Dòng cắt ngắn mạch: 6kA
- Điện áp ngõ vào: 24VDC
- Kiểu kết nối: Chân cắm đế
- Dòng khởi động: NC0A, NOA
- Tần số hoạt động: Cơ
240 lần/phút, Điện 20 lần/phút
- Khoảng cách phát hiện: 3 ~ 30cm
- Dòng kích ngõ ra: 300mA
- Ngõ ra dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến được điện áp ngõ ra
- Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ
- Màu nâu: VCC (+5VDC), màu xanh dương: GND (0VDC)
- Số tiếp điểm: 1NO + 1NC (1a1b)
- Điện áp hoạt động: AC/DC
- Tuổi thọ đóng ngắt điện: 1x10⁵
- Tuổi thọ đóng ngắt cơ khí: 1x105
- Nhiệt độ làm việc: -5ºC ÷ 50ºC
- Loại ngõ ra: NPN cực thu hở
- Tần số đáp ứng: 100KHz
- Áp suất hoạt động: 0.1~1 Mpa
- Nhiệt độ hoạt động cho phép: -5~700℃
- Áp suất hoạt động : 0.15- 0.8Mpa
- Chất liệu: Kim loại, nhựa
- Áp suất hoạt động: 0.15-0.8 MPa
- Loại van hơi 3 cửa 2 vị trí
- Lưu chất: Khí nén, hơi
- Sự dịch chuyển không khí: ZK-08 là 63 l/min
- Lượng tiêu thụ không khí: ZK-08 là 100 l/min
- Độ phân giải tối đa:
- Loại tiêu cự: cố định
(Cảm biến áp suất DP-
- Tín hiện: NPN Điện áp: 24VDC
101 Kpa; +101 Kpa]; Áp suất dương
Bảng 4-4: Các thiết bị robot
Sơ đồ mạch điện
Từ những thiết bị trên nhóm đã đưa ra được các kết nối hệ thống điện và hệ thống xilanh khí nén cho robot
Hình 4-4: Sơ đồ nguồn cấp
Hình 4-5: Sơ đồ kết nối PLC với nút nhấn, cảm biến và encoder
Hình 4-6: Sơ đồ kết nối công tắc hành trình và công tắc áp suất
Hình 4-7: Sơ đồ đấu kết nối phát xung chọn Step motor và đèn báo
Hình 4-8: Sơ đồ kết nối relay trung gian
Hình 4-9: Sơ đồ kết nối Driver
Hình 4-10: Sơ đồ kết nối module PWM
Hình 4-11: Sơ đồ điều khiển khí nén
Hình 4-12: Tủ điện trên thiết kế
Tủ điện khi hoàn thành:
Hình 4-13: Tủ điện sau khi hoàn thành
1 Đèn báo khởi động máy 1
2 Đèn báo chạy chương trình Auto 1
3 Đèn báo tắt chương trình Auto 1
5 Công tắc chỉnh chế độ Menu/Auto 1
10 Nút điều chỉnh tốc độ băng tải khay 1
15 Bộ chuyển đổi điện áp
Bảng 4-5: Thiết bị tủ điện
Hình 4-14: Tủ điện trên thiết kế
Tủ điện sau khi hoàn thành
Hình 4-15: Tủ điện sau khi hoàn thành
Bảng 4-6: Thiết bị tủ khí
Quy trình xử lý ảnh
Ảnh từ băng tải bánh được camera ghi lại và được gửi về máy tính Sử dụng ngôn ngữ lập trình Python trên nền phần mềm PyCharm để xử lí ảnh gửi về, cụ thể các bước:
Bước 1: Chuyển ảnh RGB về hệ ảnh nhị phân (đen trắng)
Bước 2: Dùng các hàm trong thư viện OpenCV để xác định đường biên → xác định diện tích theo từng pixel → tìm điểm trọng tâm →xuất toạ độ
Dữ liệu toạ độ của bánh sẽ được gửi về PLC thông qua truyền thông Modbus TCP
Thiết kế hệ thống điều khiển
Hình 4-16: Lưu đồ giải thuật điều khiển robot
Sử dụng phần mềm Tia Portal tiến hành lập trình theo trình tự lưu đồ giải thuật điều khiển của hệ thống Trong quá trình thực hiện nhóm còn sử dụng các thư viện có sẵn của phầm mềm để điểu khiển cho 3 động cơ Step
MC_Power: Cho phép kích hoạt Step motor
MC_Home: Thiết lập vị trí
Step motor theo chiểu thuận và chiểu ngược
MC_MoveAbsolute: Điều hướng Step đến vi trí tuyết đối
Ngoài ra, nhóm còn sử dụng các thư viện để điều khiển PWM động cơ DC, đọc tín hiệu Encoder và truyền thông PLC với Python đề độc giá trị toạ độ về PLC
Khối CTRL_PWM: Cho phép phát xung ở địa chỉ 268
Khối CTRIL_HSC: Cho phép đọc xung tốc độ cao từ địa chỉ 257 (I0.1)
Khối MB_SERVER: truyền thông với Python đề gửi toạ độ vị trí
Hình 4-17: Màn hình làm việc và chế độ Manu
Hình 4-18: Vận hành máy ở chế độ Manual
Hình 4-19: Nút bấm vận hành trong chế độ Auto
Hình 4-20: Vận hành máy ở chế độ Auto
THỰC NGHIỆM
Thực nghiệm
Nhóm tiến hành kiểm tra độ chính xác của hệ thống xử lý ảnh bằng cách đưa các mẫu bánh vào vùng làm việc của camera
Camera Logitech C270: (Độ phân giải hình ảnh tĩnh 3.0 megapixel Phân giải video lên đến 1280 x 720 pixel rõ nét)
Bánh nguyên Bánh bể 25% Bánh bể 50%
Bảng 5-1: Mẫu bánh thí nghiệm
Bảng kết quả thí nghiệm:
Thí nghiệm xác định mẫu bánh bằng xử lý ảnh
Lần thử Trường hợp Hình ảnh Kết quả
1 Hai bánh nguyên Cả hai bánh đều gửi tọa độ vị trí
2 1 bánh nguyên và 1 bánh bể 25%
Bánh nguyên có gửi tọa độ vị trí
Bánh bể 25% không gửi tọa độ vị trí
3 1 bánh nguyên và 1 bánh bể 50%
Bánh nguyên có gửi tọa độ vị trí
Bánh bể 50% không gửi tọa độ vị trí
4 1 bánh bể 25% và 1 bánh bể 50%
Cả hai bánh không gửi tọa độ vị trí
5 Ba bánh nguyên Cả ba bánh gửi tọa độ vị trí
1 bánh bể 25% và 1 bánh bể 50%
Bánh nguyên có gửi về tọa độ vị trí
Cả hai bánh bể không gửi về tọa độ vị trí
1 bánh bể 25% và 1 bánh bể 50%
Hai bánh nguyên đều gửi tọa độ vị trí
Hai bánh bể không gửi tọa độ vị trí
Bảng 5-2: Kết quả thí nghiệm mẫu bánh bằng xử lý ảnh
Hệ thống xử lý ảnh sẽ gửi tọa độ về khi bánh nguyên di chuyển vào vùng làm việc, bánh bể ở mức độ từ 75% trở xuống sẽ không gửi tọa độ vị trí
Sử dụng cảm biến áp suất DP-100 để đo áp suất, đồng thời trả tín hiểu về PLC
Vặn van tiết lưu để điều chỉnh từng dải áp suất trong giác hút từ (-0.01_-0.1)Kpa để xác định áp suất cần thiết cho quá trình hút gắp bánh với điều kiện bánh phải được hút ổn định trong quá trình di chuyển từ lúc hút đến lúc thả bánh vào khay
Đồng hồ đo áp suất
Bảng kết quả thí nghiệm:
Thí nghiệm xác định áp suất hút bánh
Lần thí nghiệm Áp suất(Kpa) Kết quả
Bảng 5-3: Kết quả thí nghiệm áp suất
Dựa vào bảng kết quả thí nghiệm trên: Nhóm xác định được áp suất cần thiết để hút được bánh vào khay là Pct =< -0.05Kpa
Vì ở dải áp suất thấp bánh không hút được và có xu hướng bị văng ra khỏi giác hút trong quá trình di chuyển
Thay đổi tốc độ băng tải bánh chạy ở dải từ (20-30)mm/s, ứng với vận tốc robot chạy ở dải (310.4-471)mm/s với áp suất Pct = -0.06Kpa và tín hiệu xử lí ảnh ở điều kiện lí tưởng, để xác định sự ổn định tương tác về vận tốc của băng tải bánh và robot
(Lí do chọn dải đo: (20-30)mm/s ứng với dải tín hiệu nhập vào PLC là (3600-5400) của 27648 Ở dải nhỏ hơn 3600 ứng với điện áp động cơ 1.56V, không đủ tạo momen để quay băng tải Ở dải 5400 trở lên tốc độ robot (471)mm/s Độ chính xác robot bị giảm, nguyên nhân là do độ vững chắc robot không cao dẫn đến sự rung lắc.)
Camera Logitech C270: (Độ phân giải hình ảnh tĩnh 3.0 megapixel Phân giải video lên đến 1280 x 720 pixel rõ nét)
Bảng kết quả thí nghiệm:
Thí nghiệm xác định mối quan hệ vận tốc băng tải bánh và vận tốc robot
Vận tốc băng tải bánh (mm/s)
Vận tốc băng tải thực tế (mm/s)
Kết quả (Số bánh gắp được)
Bảng 5-4: Kết quả thí nghiệm mối quan hệ vận tốc băng tải bánh và vận tốc robot
Sự tương tác về tốc độ giữa băng tải và robot tương đối tốt Tuy nhiên, đối với dải tốc độ (20-30)mm/s của băng tải bánh, ở dải tốc độ thấp (20-23)mm/s và cao (28-30)mm/s độ chính xác có phần suy giảm hơn so với dải tốc độ (24-27)mm/s Điều này xảy ra bởi một số nguyên nhân sau:
Tốc độ băng tải không ổn định đặt biệt ở dải vận tốc thấp
Kết cấu robot bị rung dẫn đến sai lệch toạ độ ở dải tốc độ cao
Dựa vào kết quả của 3 thí nghiệm trên, nhóm tiến hành thí nghiệm xác định năng suất của robot với các điều kiện sau:
Tín hiệu xử lí ảnh gửi về PLC lí tưởng
Áp suất hút là Pct = -0.06Kpa
Vận tốc băng tải bánh là 25mm/s
Nhóm tiến hành cho robot hút bánh theo quy trình, sử dụng đồng hồ đo thời gian xác định thời gian robot hoàn thành 1 khay bánh (6 cái)
Đồng hồ đếm thời gian
Bảng kết quả thí nghiệm:
Thí nghiệm xác định năng suất của robot
Số lượng bánh Thời gian hoàn thành Kết quả
Bảng 5-5: Kết quả thí nghiệm năng suất
Thời gian hoàn thành 1 chu trình gắp bánh còn phụ thuộc vào thời gian cấp phôi, nên khoản thời gian hoàn thành 1 khay bánh có sự chênh lệch Tuy nhiên, với yêu cầu đề tài đặt ra ban đầu của nhóm là 1-2 khay bánh/ phút Nhóm đã đạt được mục tiêu đề ra