Đồ án Thiết kế Hệ thống chiết rót, phân loại chai PET ứng dụng công nghệ xử lý ảnh (300 trang)

Đồ án tốt nghiệp Kỹ sư Cơ Điện tửTính toán Thiết kế hệ thống chiết rót và phân loại chai PET tự động, ứng dụng công nghệ xử lý ảnh Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động Phần 2: Thiết kế hệ thống cơ khí dây chuyền đóng chai tự động Phần 3: Thiết kế hệ thống điều khiển dây chuyền trên PLC Phần 4: Thiết kế hệ thống kiểm tra chai PET bằng xử lý ảnh Python

Trang 1

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Trần Bảo Khánh KTCĐT02 58 20132083 Kỹ thuật cơ điện tử Chính quyĐặng Xuân Hải KTCĐT02 58 20131217 Kỹ thuật cơ điện tử Chính quyNguyễn Mạnh Tú KTCK06 58 20134491 Kỹ thuật cơ khí Chính quy

1 Tên đề tài:

Nghiên cứu, thiết kế dây chuyền đóng chai tự động.

2 Nội dung thuyết minh

Hà Nội, ngày … tháng 06 năm 2018

SINH VIÊN THIẾT KẾ GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 2

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

………

TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN: ………

………

NỘI DUNG ĐỒ ÁN: ………

………

Trang 3

………

Bản vẽ: ………

………

NHẬN XÉT KHÁC: ………

………

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: ………

………

Hà Nội, ngày … tháng 06 năm 2018

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Trang 4

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT

………

TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN: ………

………

NỘI DUNG ĐỒ ÁN: ………

………

Trang 5

………

Bản vẽ: ………

………

NHẬN XÉT KHÁC: ………

………

- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ: ………

………

….………

Hà Nội, ngày…tháng 06 năm 2018

GIÁO VIÊN DUYỆT

Trang 6

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1

PHẦN 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÓNG CHAI TỰ ĐỘNG 1

1 Tổng quan dây chuyền chiết rót đóng chai tự động trong công nghiệp 2

2 Hệ thống chiết rót đóng nắp chai 4

3 Phân loại 5

3.1 Theo ngành sản xuất 5

3.1 Theo cách đóng nắp 10

4 Xác định các thông số đầu vào 11

Kết luận 12

PHẦN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ DÂY CHUYỀN ĐÓNG CHAI TỰ ĐỘNG .13

ĐẶT VẤN ĐỀ 14

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG 15

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI 17

1.1 Băng tải 17

1.1.1 Tính toán cho băng tải đầu vào và đầu ra 19

1.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ 20

1.2 Bộ truyền động 26

1.2.1 Giới thiệu và lựa chọn bộ truyền 26

1.2.2 Tính toán bộ truyền đai 26

CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CƠ CẤU MAN 34

2.1 Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man 34

2.1.1 Khái niệm chung 34

2.1.2 Tính toán hình học bánh man 35

2.2 Tính toán động học của cơ cấu Man 37

2.3 Tính toán và lựa chọn động cơ 42

CHƯƠNG III: HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG 44

3.1 Khái niệm chung 44

3.2 Các dạng chiết rót chất lỏng thông dụng 45

3.2.1 Cơ cấu rót tới định mức 45

3.2.2 Cơ cấu rót có bình lường và van trượt 46

3.2.4 Cơ cấu rót chân không 48

Trang 7

CHƯƠNG IV: HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG 53

4.1 Giới thiệu về hệ thống cấp phôi tự động 53

4.2 Giới thiệu một số cơ cấu cấp phôi 53

4.2.1 Phễu cấp phôi có phiến trượt chuyển động lên xuống 53

4.2.2 Cơ cấu cấp phôi rời kiểu đĩa ma sát 55

4.2.3 Cơ cấu cấp phôi kiểu phễu rung 56

4.3 Tổng quan 57

4.3.1 Cơ sở lý thuyết tính toán phễu rung 57

4.3.2 Tính toán phễu rung trong hệ thống cấp nắp chai 59

CHƯƠNG V: CÁC CƠ CẤU PHỤ TRONG HỆ THỐNG 63

5.1 Cụm kẹp chai cho nguyên công vặn nắp trên mâm man 63

5.2 Cụm cánh gạt phôi lỗi 65

5.3 Hệ thống cơ khí bộ phận kiểm tra chai sau chiết 67

CHƯƠNG VI: HỆ THỐNG KHÍ NÉN VÀ TÍNH TOÁN XILANH 70

6.1 Giới thiệu hệ thống khí nén và các thành phần 70

6.1.1 Khái niệm chung 70

6.1.2 Ưu, nhược điểm cơ bản 70

6.2 Cấu trúc của hệ thống khí nén 70

6.2.1 Các phần tử của hệ thống khí nén 71

6.2.2 Piston xilanh 71

6.2.3 Van tiết lưu 79

6.2.4 Van giảm áp 80

6.2.5 Van an toàn 81

6.2.6 Van phân phối 82

6.3 Tính xi lanh 82

6.3.1 Xi lanh băng tải: 83

6.3.2 Xi lanh dẫn hướng vặn nắp chai: 85

6.3.3 Xi lanh kẹp chai 86

CHƯƠNG VII: THIẾT KẾ QUY TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH 88

7.1 Phân tích chức năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết 88

7.1.1 Chức năng làm việc 88

7.1.2 Phân tích tính công nghệ của chi tiết 88

7.1.3 Xác định đường lỗi công nghệ và phương pháp gia công 90

7.1.4 Phân tích chọn chuẩn định vị 90

Trang 8

7.2 Tính tra lượng dư gia công 91

7.3 Thứ tự các nguyên công 93

Kết luận 99

PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN ĐÓNG CHAI BẰNG PLC 100

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CÁC MODULE MỞ RỘNG 101

1.1 Tổng quan về PLC Mitsubishi 101

1.1.1 Tổng quan chung về PLC 101

1.1.2 Sự khác biệt giữa PLC Siemens và PLC Mitsubishi 104

1.1.3 Các dòng PLC Mitsubishi FX 105

1.1.4 Module mở rộng 106

1.1.5 Các loại PLC FX3U 107

1.2 Lựa chọn phương án điều khiển 110

1.3 Các phần tử điều khiển 111

1.3.1 Cảm biến 111

1.3.2 Servo 117

1.3.3 Biến tần 122

1.4 Kết luận chương 1 132

CHƯƠNG II: CÁC VÙNG NHỚ BÊN TRONG 133

2.1 Các vùng nhớ vào, ra 133

2.2 Vùng nhớ trung gian 133

2.3 Vùng nhớ trạng thái 134

2.4 Vùng nhớ Timer 134

2.5 Vùng nhớ Counter 135

2.6 Vùng nhớ dữ liệu 136

2.7 Bộ đếm tốc độ cao HSC 137

CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN ĐÓNG RÓT CHAI 140

3.1 Các thông số đầu vào/ra 140

3.2 Sơ đồ thuật toán 142

3.2.1 Phân loại nắp chai 142

3.2.2 Chiết rót chai 143

3.2.3 Vặn nắp chai 144

3.2.4 Sơ đồ khối chung cho việc sản xuất 145

Trang 9

3.3.1 Màn hình điều khiển 146

3.3.2 Nút bấm 147

3.4 Chương trình điều khiển 148

3.4.1 Ladder 148

3.4.2 Giải thích chương trình 149

3.5 Hướng phát triển 153

3.5.1 Phân loại chai khuyết tật 154

3.5.2 Đẩy sau khi có đủ 6 sản phẩm 155

3.5.3 Đóng thùng các chai 156

Kết luận 158

PHẦN 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA SẢN PHẨM 159

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KIỂM TRA SẢN PHẨM TRONG DÂY CHUYỀN CHIẾT RÓT CÔNG NGHIỆP 160

1.1 Nhiệm vụ kiểm tra sản phẩm trong dây chuyền chiết rót chai PET công nghiệp. .160

1.1.1 Kiểm tra nắp đầu vào 160

1.1.2 Kiểm tra phôi chai 163

1.1.3 Kiểm tra chai trước khi chiết rót 164

1.1.4 Kiểm tra chai đầy 166

1.1.5 Kiểm tra nhãn 167

1.1.6 Kiểm tra mã code trên chai 167

1.2 Các phương pháp kiểm tra phân loại trong dây chuyền chiết rót chai PET công nghiệp 168

1.2.1 Các công nghệ kiểm tra chất lượng sản phẩm 168

1.2.2 Phương pháp phân loại 169

1.3 Hệ thống kiểm tra, phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh 171

1.3.1 Sự phát triển của công nghệ thị giác máy và xử lý ảnh 171

1.3.2 Các thành phần của hệ thống thị giác máy tính – xử lý ảnh 172

1.3.3 Yêu cầu bài toán và thông số đầu vào 173

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA MỨC CHẤT LỎNG, NẮP VÀ NHÃN CHAI PET 175

2.1 Các thành phần của hệ thống và lựa chọn thiết bị phần cứng 175

2.1.1 Mô tả tổng quan mô hình hệ thống 175

2.1.2 Lựa chọn Camera 175

Trang 10

2.1.3 Cảm biến phát hiện chai 178

2.1.3.1 Truyền tải tín hiệu, dữ liệu 178

2.1.3 Board mạch Arduino 179

2.1.4 Hệ thống ánh sáng 179

2.2 Sơ đồ lưu chuyển tín hiệu trong hệ thống 181

2.3 Thiết kế mô hình hệ thống 182

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG PHẦN MỀM 183

3.1 Các kỹ thuật, thuật toán xử lý hình ảnh 183

3.2.1 Thu nhận ảnh 183

3.2.2 Vùng ảnh quan tâm – ROI (Region Of Interest) 190

3.2.3 Một số kỹ thuật tiền xử lý, nâng cao chất lượng ảnh 194

3.2.4 Các phép toán hình thái học và ứng dụng 200

3.2.5 Một số kỹ thuật phát hiện biên 205

3.2.6 Đường bao (Contours) 210

3.2.7 Một số kỹ thuật nhận dạng đối tượng 211

3.2 Xây dựng thuật toán 213

3.2.1 Sơ đồ khối tổng quát 213

3.2.2 Thuật toán kiểm tra mức chất lỏng 216

3.2.3 Thuật toán kiểm tra nắp 218

3.2.4 Thuật toán kiểm tra nhãn chai 221

CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH 224

4.1 Ngôn ngữ lập trình Python 224

4.1.1 Giới thiệu 224

4.1.2 Đặc điểm 224

4.2 Thư viện xử lý ảnh OpenCV 226

4.3 Phần mềm Visual Studio Code 226

4.4 Viết chương trình 227

4.4.1 Khai báo thư viện 227

4.4.2 Biến điều khiển chương trình 227

4.4.3 Khai báo tham số tiêu chuẩn 228

4.4.4 Khởi tạo phương pháp đối sánh 228

4.4.5 Thu nhận ảnh và tiền xử lý 228

Trang 11

4.4.7 Xác định đường tham chiếu REF_LINE 229

4.4.8 Trích xuất ROIs và tiền xử lý 230

4.4.9 Chương trình con kiểm tra nắp 231

4.4.10 Chương trình kiểm tra mức chất lỏng 234

4.4.11 Chương trình kiểm tra nhãn 236

4.4.12 Xuất kết quả 237

CHƯƠNG V: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ, PHÂN TÍCH HÌNH ẢNH 238

5.1 Thu nhận ảnh, tiền xử lý và trích xuất ROIs 238

5.2 Kiểm tra nắp chai trong ROI1 240

5.3 Kiểm tra mức chất lỏng trong ROI2 241

5.4 Kiểm tra nhãn trong ROI3 242

5.4.1 Bài toán (1) - Kiểm tra có nhãn 242

5.4.2 Bài toán (2) – Kiểm tra loại nhãn 243

CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN PHẦN 3 244

TÀI LIỆU THAM KHẢO 245

Trang 12

DANH MỤC HÌNH Ả

Hình 1 - 1: Dây chuyền chiết rót tự động trong công nghiệp 2

Hình 1 - 2: Cụm máy chiết rót 3

Hình 1 - 3: Cụm đóng nắp trong dây chuyền chiết rót chai PET 3

Hình 1 - 4: Băng tải vận chuyển chai trong dây chuyền 4

Hình 1 - 5: Chế phẩm y tế dạng lỏng đựng trong chai PET 5

Hình 1 - 6: Một số loại nước giải khát, bia đóng chai 6

Hình 1 - 7: Một số loại thực phẩm, gia vị dạng lỏng đóng chai 6

Hình 1 - 8: Hóa mỹ phẩm dạng lỏng 7

Hình 1 - 9: Chất phụ gia, tẩy rửa dạng lỏng đóng chai 7

Hình 1 - 10: Dây chuyền chiết rót chai thủy tinh 9

Hình 1 - 11: Dây chuyền đóng chai nhựa PET 9

Hình 1 - 12: Nắp dập của chai Heineken 10

Hình 1 - 13: Một số loại nắp vặn chai PET 10

Y Hình 2 - 1: Cấu tạo dây chuyền 15

Hình 2 - 2: Mô hình băng tải thực tế 17

Hình 2 - 3: Các thông số cơ bản của băng tải 18

Hình 2 - 4: Các lực tác dụng lên tang băng tải 20

Hình 2 - 5: Động cơ điện một chiều thực tế 21

Hình 2 - 6: Danh sách động cơ một chiều [2] 23

Hình 2 - 7: Servo HC-KFS13 24

Hình 2 - 8: Danh sách động cơ servo [3] 25

Hình 2 - 9: Cụm đai thực tế 26

Hình 2 - 10: Các thông số của đai sợi tổng hợp [4] 30

Hình 2 - 11: Thông số của khớp nối [5] 31

Hình 2 - 12: Catalog khớp nối hãng Bảo Long [5] 32

Hình 2 - 13: Thông số ổ bi đỡ chặn [6] 32

Hình 2 - 14: Catalog ổ bi đỡ chặn [6] 33

Hình 2 - 15: Động học cơ cấu mante 34

Hình 2 - 16: Cơ cấu mante 3D 34

Hình 2 - 17: Sơ đồ tính toán cơ cấu Man 35

Hình 2 - 18: Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man 41

Hình 2 - 19: Động cơ mitsubishi 43

Hình 2 - 20: Cơ cấu rót tới mức định trước: giai đoạn chuẩn bị, đang rót và hoàn tất rót 45

Hình 2 - 21: Cơ cấu rót chính xác có bình lường-van trượt 46

Hình 2 - 22: Cơ cấu rót đẳng áp 47

Hình 2 - 23: Cơ cấu rót kiểu van 48

Hình 2 - 24: Van điện từ 3 vị trí 49

Hình 2 - 25: Sơ đồ cấp nước vào bình lường 50

Hình 2 - 26: Sơ đồ chiết rót từ bình lường vào chai 51

Trang 13

Hình 2 - 28: Cơ cấu cấp phôi rời kiểu đĩa ma sát 55

Hình 2 - 29: Cơ cấu cấp phôi phễu rung 56

Hình 2 - 30: Sơ đồ lực tác dụng lên phôi trên mặt phẳng trong cơ cấu phễu rung 57

Hình 2 - 31: Sơ đồ di chuyển phôi trên mặt phẳng nghiêng 58

Hình 2 - 32: Phỗi cấp phôi kiểu rung 59

Hình 2 - 33: Sơ đồ bố trí nam châm 60

Hình 2 - 34: Cơ cấu định hướng 61

Hình 2 - 35: Cơ cấu kẹp chai 63

Hình 2 - 36: Sơ đồ lực kẹp tác dụng lên chai 64

Hình 2 - 37: Cơ cấu gạt chai lỗi 65

Hình 2 - 38: Hành trình của cụm gạt chai lỗi 66

Hình 2 - 39: Động cơ mitsubishi 67

Hình 2 - 40: Cụm chụp ảnh - Cơ cấu lắp camera 68

Hình 2 - 41: Ảnh thu nhận qua mô hình thí nghiệm 69

Hình 2 - 42: Các loại xy lanh thông dụng 72

Hình 2 - 43: Lực tác động lên xilanh tác dụng đơn 73

Hình 2 - 44: Kí hiệu xi lanh tác dụng đơn 74

Hình 2 - 45: Xilanh tác dụng hai chiều 74

Hình 2 - 46: Xilanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn 75

Hình 2 - 47: Các loại kết cấu đồ gá lắp thêm với xilanh tác dụng 2 chiều 75

Hình 2 - 48: Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn 76

Hình 2 - 49: Xilanh tác dụng 2 chiều có giảm chấn (hãng Bosch) 76

Hình 2 - 50: Sự phụ thuộc lực áp suất và đường kính của xilanh [10] 78

Hình 2 - 51: Kí hiệu van tiết lưu có tiết diện thay đổi (Hãng Herion) 79

Hình 2 - 52: Van tiết lưu 80

Hình 2 - 53: Van giảm áp 80

Hình 2 - 54: Van an toàn 81

Hình 2 - 55: Van tràn 81

Hình 2 - 56: Xylanh và lực tác dụng lên xylanh 82

Hình 2 - 57: Xylanh khí nén thực tế 84

Hình 2 - 58: Cụm vặn nắp 85

Hình 2 - 59: Xylanh dẫn hướng động cơ vặn nắp 86

Hình 2 - 60: Xylanh khí nén kẹp chai 87

Hình 2 - 61: Sơ đồ khí nén hệ thống 87

Hình 2 - 62: Mặt phân khuôn khi đúc phôi 90

Hình 2 - 63: Sơ đồ định vị nguyên công 1 93

Hình 3 - 1: Một số loại PLC 104

Hình 3 - 2: Một số loại PLC Mitsubishi 105

Trang 14

Hình 3 - 3: Một số loại PLC Mitsubishi 106

Hình 3 - 4: Module mở rộng 107

Hình 3 - 5: Công tắc hành trình 112

Hình 3 - 6: Một số loại cảm biến 113

Hình 3 - 7: Một số loại cảm biến 114

Hình 3 - 8: Cảm biến nhiệt độ 115

Hình 3 - 9: Lựa chọn cảm biến 116

Hình 3 - 10: Servo HC-KFS13 117

Hình 3 - 11: Driver MR-J2S-10A 118

Hình 3 - 12: Encoder 119

Hình 3 - 13: Bảng Mode 121

Hình 3 - 14: Lựa chọn các thông số cho P21 121

Hình 3 - 15: Động cơ không đồng bộ ba pha 122

Hình 3 - 16: Các thành phần động cơ không đồng bộ ba pha 122

Hình 3 - 17: Nguyên lý hoạt đồng 123

Hình 3 - 18: Cách đấu nối 123

Hình 3 - 19: Đấu nối 124

Hình 3 - 20: Diode chỉnh lưu 125

Hình 3 - 21: Tuyến dẫn một chiều 125

Hình 3 - 22: IGBT 126

Hình 3 - 23: Reactor 127

Hình 3 - 24: Điện trở hãm 128

Hình 3 - 25: Hoạt động của biến tần 129

Hình 3 - 26: Biến tần E700 130

Hình 3 - 27: Vùng nhớ trung gian 133

Hình 3 - 28: Vùng nhớ trạng thái 134

Hình 3 - 29: Vùng nhớ Timer 134

Hình 3 - 30: Vùng nhớ Counter 135

Hình 3 - 31: Vùng nhớ dữ liệu 136

Hình 3 - 32: Phân loại nắp chai 142

Hình 3 - 33: Chiết rót chai 143

Hình 3 - 34: Vặn nắp chai 144

Hình 3 - 35: Toàn bộ hệ thống 145

Hình 3 - 36: Màn hình 146

Hình 3 - 37: Nút bấm 147

Hình 3 - 38: Phân loại chai khuyết tật 154

Hình 3 - 39: Đẩy toàn bộ 6 sản phẩm hoàn thiện 155

Hình 3 - 40: Đóng thùng sản phẩm 156

Hình 4 - 1: Vùng vào ra PLC 133

Hình 4 - 2: Một số loại nắp chai PET 161

Hình 4 - 3: Một số loại nắp vặn 2 tầng 162

Hình 4 - 4: Module kiểm tra nắp của hãng Pressco 163

Trang 15

Hình 4 - 6: Ảnh phôi chai chụp từ Camera trong Module kiểm tra 164

Hình 4 - 7: Module kiểm tra chai rỗng của hãng Pressco 165

Hình 4 - 8: Ảnh chụp chai sau chiết trên dây chuyền - nước sóng sánh 166

Hình 4 - 9: Ảnh chụp vùng kiểm tra nắp 167

Hình 4 - 10: Lỗi Flagging 167

Hình 4 - 11: Ảnh chụp vùng bắn mã code trên chai PET 168

Hình 4 - 12: Dây chuyền đóng chai PET sử dụng công nhân phân loại sản phẩm lỗi 169

Hình 4 - 13: Cơ cấu phân loại sản phẩm lỗi sử dụng khí nén 170

Hình 4 - 14: Cơ cấu phân loại định hướng và đẩy trực tiếp 170

Hình 4 - 15: Nhận diện thông tin chi tiết cơ khí ứng dụng công nghệ xử ảnh số 171

Hình 4 - 16: Công nghệ thị giác máy tính ứng dụng trong ô tô tự lái 172

Hình 4 - 17: : Các thành phần của một hệ thống thị giác máy 172

Hình 4 - 18: Hệ thống kiểm tra phân loại trong dây chuyền chiết rót chai PET 175

Hình 4 - 19: Phác thảo vị trí tương quan của chai trên dây chuyền 176

Hình 4 - 20: Phác thảo vị trí tương quan của chai trên dây chuyền 177

Hình 4 - 21: Cảm biến Omron E2K-X8ME1 2M 178

Hình 4 - 22: Rơ-le trung gian 8 chân Omron MY2N-GS 24VDC 178

Hình 4 - 23: Board mạch Arduino Uno R3 179

Hình 4 - 24: Phác thảo mô hình bố trí hệ thống chiếu sáng 180

Hình 4 - 25: Sơ đồ lưu chuyển tín hiệu trong hệ thống kiểm tra phân loại chai sau chiết 181

Hình 4 - 26: Mô hình cụm phân loại bằng xử lý ảnh trên Solidworks 182

Hình 4 - 27: Chuyển đổi tín hiệu điện quang học sang tín hiệu ảnh số 183

Hình 4 - 28: So sánh mô hình Vector và Raster 185

Hình 4 - 29: Ảnh lưu trữ trong mô hình Raster và Vector 186

Hình 4 - 30: Quá trình chuyển đổi giữa mô hình Raster và Vector 186

Hình 4 - 31: Liên hệ giữa các mô hình biểu diễn ảnh 187

Hình 4 - 32: Một số định dạng ảnh thông dụng 188

Hình 4 - 33: Không gian màu RGB 189

Hình 4 - 34: Không gian màu HSV 190

Hình 4 - 35: Chai PET và phân vùng tương ứng với các bộ phận cần kiểm tra 191

Hình 4 - 36: Ảnh và Histogram tương ứng 192

Hình 4 - 37: Biểu đồ đa mức xám – 1D-histogram 193

Hình 4 - 38: Biểu đồ màu (Color Histogram) của ảnh 194

Hình 4 - 39: Mô tả phép tích chập với Kernel 3x3 196

Hình 4 - 40: Ma trận chỉ số hỗ trợ truy cập nhanh pixel 198

Hình 4 - 41: Minh hoạ thực hiện toán tử trung vị 199

Hình 4 - 42: Kết quả làm trơn ảnh vân tay (sử dụng MATLAB) 200

Hình 4 - 43: Các loại phần tử cấu trúc 201

Hình 4 - 44: Minh họa phép giãn nở trên ảnh nhị phân 203

Hình 4 - 45: Phép co trên ảnh nhị phân 203

Hình 4 - 46: Phép toán mở trên ảnh nhị phân 204

Hình 4 - 47: Ứng dụng phép toán đóng để làm trơn đường viền đối tượng trong ảnh 205

Trang 16

Hình 4 - 48: Các dạng đường biên của đối tượng 205

Hình 4 - 49: Minh họa phương pháp phát hiện biên dựa trên phép toán hình thái 208

Hình 4 - 50: So sánh kết quả phát hiện biên bằng thuật toán Sobel và phép toán hình thái 210

Hình 4 - 51: Đường bao (màu xanh) của đối tượng (vùng màu trắng) 210

Hình 4 - 52: Cây thứ bậc của các đường bao, các đường bao (số màu cam) và cấp độ (số màu xanh đặt trong ngoặc) 211

Hình 4 - 53: Nhận dạng đặc tính – Features Detection 212

Hình 4 - 54: Các vùng quan tâm (ROI) và đường tham chiếu trên chai Aquafina 213

Hình 4 - 55: Sơ đồ khối tổng quát quá trình thu nhận và xử lý ảnh 215

Hình 4 - 56: Mẫu mức chất lỏng chai Aquafina 500ml 216

Hình 4 - 57: Một số mẫu đường mức chất lỏng trong chai PET 216

Hình 4 - 58: Phát hiện nắp với thuật toán lọc màu 219

Hình 4 - 59: Kết quả thực hiện thuật toán kiểm tra nắp và mức nước 220

Hình 4 - 60: Đối chiếu đặc trưng giữa nhãn mẫu với đối tượng thực trên chai Aquafina 223

Hình 4 - 61: Guido van Rossum, nhà sáng lập ngôn ngữ Python 224

Hình 4 - 62: Logo thư viện OpenCV 226

Hình 4 - 63: Soạn thảo mã lệnh trên Visual Studio Code đã cài đặt gói công cụ mở rộng hỗ trợ ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV 227

Hình 4 - 64: Ảnh đầu vào và trích xuất vùng ảnh trung tâm 238

Hình 4 - 65: Xác định đường tham chiếu REF_LINE của chai Aquafina 500ml 239

Hình 4 - 66: ROIs trên chai Aquafina 500ml 240

Hình 4 - 67: Quá trình biến đổi ROI1 và xác định chiều cao nắp 240

Hình 4 - 68: Xác định đường mức chất lỏng trong chai Aquafina 500ml 241

Hình 4 - 69: Quá trình xử lý ROI3 phát hiện nhãn chai Aquafina 242

Hình 4 - 70: Phát hiện nhãn chai Aquafina 500ml 243

Trang 17

DANH MỤC BẢNG BI

Bảng 2- 1: Tổng hợp kết quả tính toán 30

Y Bảng 3 - 1: PLC FX3U 16 đầu vào/ra 107

Bảng 3 - 2: PLC FX3U 32 đầu vào/ ra 108

Bảng 3 - 6: Phương án điều khiển 110

Bảng 3 - 7: Phương án lắp đặt cảm biến 110

Bảng 3 - 8: So sánh Biến tần và Servo Driver 131

Bảng 3 - 9: Bộ đếm tốc độ cao HSC 137

Bảng 3 - 10: Đầu vào hệ thống 140

Bảng 3 - 11: Đầu ra hệ thống 140

Bảng 3 - 12: Ô nhớ D được chọn 141

Bảng 3 - 13: Đầu vào/ ra hệ thống mở rộng 153

Bảng 4 - 1: Các bước thực hiện thuật toán kiểm tra mức chất lỏng 217

Bảng 4 - 2: Thuật toán phát hiện nắp 218

Bảng 4 - 3: Thuật toán kiểm tra vị trí nắp 219

Bảng 4 - 4: Các bước thực hiện thuật toán phát hiện nhãn 221

Bảng 4 - 5: Thuật toán phát hiện và kiểm tra nhãn 222

Trang 18

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, khoa học công nghệ được ứng dụng trong mọi mặt của cuộc sống Năngsuất lao động không ngừng được tăng lên nhờ áp dụng những thành tựu khoa học mới trênnhững dây chuyền sản xuất tiên tiến Với những máy móc hiện đại chúng ta có thể tạo ranhiều loại sản phẩm khác nhau trên cùng một trung tâm Do đó, cần những thiết bị phân loại,nhận biết sản phẩm nhanh và hiệu quả, giảm sức lao động Yếu tố được tập trung quan tâm là

tự động hóa tối đa hoạt động của máy hoặc dây chuyền sản xuất

Với mong muốn tìm hiểu, phát triển các hệ thống đóng nắp và phân loại chai, chúng

em đã được thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế dây chuyền đóng chai tự động” Đề tài

là sự kết hợp giữa cơ khí – điện tử - tin học Sử dụng bộ điều khiển PLC kết hợp máy tính xử

lý hình ảnh nhằm tự động hóa cho quá trình chiết rót, vặn nắp cũng như phân loại chai

Đề tài hoàn toàn phù hợp với những kiến thức chúng em đã được học trong trường,bên cạnh đó việc đi sâu vào mỗi phần cũng giúp cho chúng em có thể hiểu hơn những hệthống công nghiệp, qua đó có thể áp dụng những kiến thức đã học vào công việc sau này

Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo TS Trần Thị Thanh Hải, cùng các

thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoànthành tốt đồ án này, chúng em cũng xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Bộ môn Máy và

Ma Sát học đã tạo điều kiện làm việc cũng như trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng emtrong suốt thời gian thực hiện đồ án

Nhóm sinh viên thực hiện Trần Bảo Khánh Đặng Xuân Hải Nguyễn Mạnh Tú Nguyễn Viết Huy

Trang 20

PHẦN 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÓNG

CHAI TỰ ĐỘNG

Trang 21

1 Tổng quan dây chuyền chiết rót đóng chai tự động trong công nghiệp

Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bìdạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹphẩm, v.v…, do có nhiều ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễsản xuất Cùng với xu hướng này, các hệ thống, dây chuyền chiết rót và đóng gói chai, lọđang được sử dụng rất phổ biến trong thực tế sản xuất, với phạm vi ứng dụng rộng rãi ở nhiềuquy mô sản xuất khác nhau, từ các máy bán tự động sử dụng cho các cơ sở sản xuất nhỏ lẻđến các nhà máy lớn tự động hoàn toàn, biên độ năng suất trải rộng từ chỉ vài trăm chai/giờđến vài nghìn chai/phút

Mô hình cơ bản chung của dây chuyền chiết rót tự động: Hình 1 -1.

Hình 1 - 1: Dây chuyền chiết rót tự động trong công nghiệp

Ví dụ sau đây là dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai tự động ở nhà máy Công tyTNHH Tân Quang Minh - Bidrico với dây chuyền chiết rót đóng nắp chai nước ngọt tự độngvới công suất 30.000 chai/giờ Hệ thống sử dụng hoàn toàn tự động ở các công đoạn sắp xếpchai, sục rửa, chiết rót, đóng nắp, dán nhãn, Hình 1 – 2 đến 1 – 4

Trang 24

 Bộ phận loại sản phẩm lỗi (mức nước)

Bốn hệ thống đơn lẻ được ghép nối với nhau thành một hệ thống lớn hoàn chỉnh và đượcđiều khiển bằng PLC, thường được gọi là dây chuyền 4 trong 1 Phần cơ khí của máy thườngđược làm bằng thép không gỉ

Trang 25

b Hàng tiêu dùng nhanh: Bao gồm các loại nước uống tinh khiết, nước có ga, đồ

uống có cồn

Hình 1 - 6: Một số loại nước giải khát, bia đóng chai

c Thực phẩm: tương ớt, tương cà, nước mắm, nước hàng

Hình 1 - 7: Một số loại thực phẩm, gia vị dạng lỏng đóng chai

Trang 26

d Hóa mỹ phẩm: chiết rót các loại hóa mỹ phẩm dạng lỏng và bán lỏng như gel,

Trang 27

3.2 Theo loại chai được chiết rót trong dây chuyền

a Dây chuyền chiết rót chai, lọ thủy tinh

Hình 1 - 10: Dây chuyền chiết rót chai thủy tinh

b Dây chuyền chiết rót chai nhựa

Hình 1 - 11: Dây chuyền đóng chai nhựa PET

Trang 28

3.1 Theo cách đóng nắp

a Nắp dập

Hình 1 - 12: Nắp dập của chai Heineken

b Nắp vặn

Trang 29

4 Xác định các thông số đầu vào

 Yêu cầu thiết kế:

 Sản phẩm đóng gói: Nước tinh khiết đạt chuẩn TCVN 6096:2004

 Loại chai: Chai nhựa PET

 Loại nắp: Nắp nhựa vặn xoáy

 Công suất: 450 chai/giờ hay 8s/chai

 Dung tích chai: 300 ml

 Nguyên lý hoạt động:

 Chai nhựa được đưa vào hệ thống qua bằng truyền

 Đưa qua hệ thống chiết rót Sau khi được kẹp chặt lại sẽ bắt đầu đưa ống rótxuống Sử dụng đầu chiết rót với cảm biến nhận biết mức nước trong chai

 Sau khi chiết rót xong sẽ được đưa qua hệ thống đóng nắp chai Hệ thốngđóng nắp chai sẽ kẹp chai, chặn lại và vặn xoáy nắp

 Kiểm tra mức chất lỏng, nắp, nhãn trong chai bằng xử lý hình ảnh, loại bỏnhững chai không đáp ứng được yêu cầu



Trang 30

Kết luận

Vì còn hạn chế về kinh nghiệm và kiến thức, trong khuôn khổ đồ án chỉ có thể

trình bày phương pháp giúp tự động và tối ưu hóa công việc chiết rót, đóng nắp và kiểm tra Đây cũng là những công đoạn quan trọng nhất của dây chuyền chiết rót,

thường được gộp vào trong cùng một máy (công nghệ 3 trong 1) Việc đóng gói, sục rửa, sắp xếp chai cũng như dán nhãn sẽ được phát triển và hoàn thiện sau này

Đảm bảo và nâng cao chất lượng đầu ra của sản phẩm đóng vai trò rất quan trọng trong quá trình sản xuất Điều này đòi hỏi quá trình kiểm tra phân loại phải được tiến hành song song trong từng công đoạn sản xuất, phát hiện những điểm trên dây chuyền thường gây ra lỗi và ngăn chặn, loại bỏ chúng trước khi chúng gây lỗi đến sản phẩm đầu ra Trong đề tài sẽ sử dụng các cảm biến, cơ cấu để phân loại sản phẩm cho từng công đoạn

Theo quan sát và tìm hiểu của nhóm, hiện nay các dây chuyền trong công nghiệp vẫn thường phải sử dụng người ở công đoạn cuối cùng nhằm kiểm tra mức chất lỏng trong chai, chính vì vậy trong đồ án này, chúng em quyết định ứng dụng công nghệ xử

lý hình ảnh để tự động hóa chính xác việc kiểm tra mức nước trong chai

Trang 31

PHẦN 2 THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

DÂY CHUYỀN ĐÓNG CHAI TỰ ĐỘNG

Trang 32

ĐẶT VẤN ĐỀ

- Yêu cầu thiết kế:

 Sản phẩm đóng gói: Nước tinh khiết đạt chuẩn TCVN 6096:2004

 Loại chai: Chai nhựa PET

 Loại nắp: Nắp nhựa vặn xoáy

 Công suất: 450 chai/giờ hay 8s/chai

 Dung tích chai: 300 ml

Dây chuyền được thiết kế cho loại chai nhựa PET thể tích chai dao động từ 300ml đến500ml, chất lỏng được sử dụng là nước tinh khiết, loại nắp là nắp nhựa xoáy Với năng suấtcủa hệ thống 450 chai/giờ tương đương 8s/chai dây chuyền được thiết kế ứng với sản xuất cỡnhỏ Mô hình cơ khí thiết kế để có thể thay đổi năng suất của dây chuyền để linh hoạt với cácdạng sản xuất, cũng như có thể thay đổi loại chai và dung tích chai ( nhỏ hơn 500ml)

Trang 33

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG

Hình 2 - 1: Cấu tạo dây chuyền

Nguyên lý hoạt động của hệ thống: Chai PET (2) được đưa vào dây chuyền đóng chai nhờbăng tải cấp chai (3) được dẫn động bằng động cơ (1) Chai di chuyển đến cuối băng chuyền

và được đưa vào mâm man bốn vị trí (4), mâm man biến chuyển động liên tục từ động cơ dẫnđộng cơ cấu man (13) thành chuyển động gián đoạn ,tại vị trí thứ hai của mâm man chai đượcchiết rót nhờ vòi rót (5) Sau khi chiết rót xong chai được chuyển sang vị trí thứ ba của mâmman và sẽ được cấp nắp nhờ cơ cấu cấp nắp (6) Quá trình xoáy chặt nắp diễn ra nhờ cụm vặnnắp (7) Để đảm bảo cho nắp chai được vặn chặt thì ta sử dụng một cơ cấu kẹp chai (8) có tácdụng giữ chặt chai không bị xoay khi vặn nắp Mâm man tiếp tục quay đưa chai sang vị tríthứ tư cũng chính là vị trí đẩy chai ra băng chuyền đầu ra (10) Tại băng chuyền này chai sẽ

đi qua cụm chụp ảnh (9) tại đây chai sẽ được chụp ảnh và gửi về hệ thống xử lý lỗi thườnggặp như lỗi cấp nắp, lỗi vặn nắp hay mực nước không đạt yêu cầu bằng công nghệ xử lý hìnhảnh Nếu phát hiện chai không đạt tiêu chuẩn chai sẽ bị loại bỏ ra ngoài bàn chứa sản phẩm

Trang 34

lỗi (11) nhờ cụm loại chai lỗi (12) Nếu chai đạt chuẩn sẽ tiếp tục vận chuyển trên băngchuyền tới các công đoạn tiếp theo.

Trong phần này chúng em trình bày theo bảy chương, mỗi chương tính toán kết cấu chotừng cụm như: băng tải cấp chai đầu vào, cơ cấu malte, cụm chiết rót…

Trang 35

CHƯƠNG I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI1.1 Băng tải

Trong sản xuất công nghiệp băng tải được ứng dụng rộng rãi để vận chuyển hàng hóa vànguyên vật liệu trong quá trình sản xuất Trong các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, phụtùng cơ khí, khai thác khoáng sản, các nhà máy sản xuất hàng thực phẩm, đồ ăn nhanh, nướcgiải khát; các nhà máy tái chế vật liệu, lắp ráp sản phẩm…Ở bất kỳ một nhà máy sản xuấthàng loạt, hàng khối nào, ta đều có thể dễ dàng bắt gặp hình ảnh của những băng tải vậnchuyển, nó là hình ảnh của dây chuyền sản xuất, đóng một vai trò quan trọng trong việc tựđộng linh hoạt sản xuất, tăng năng xuất, giải phóng sức lao động của con người

Hình 2 - 2: Mô hình băng tải thực tế

Các thành phần băng tải sử dụng trong thực tế:

 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

 Trạm dẫn động, truyền động cho bộ phận kéo

 Bộ phân căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

 Hệ thống đỡ làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc

Có nhiều loại băng tải khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của hàng hóa vận chuyển nhưbăng tải xích, băng tải con lăn, băng tải đai, băng tải đứng, băng tải xoắn ốc …

Trang 36

Trong phạm vi đồ án sản phẩm là những chai có trọng lượng 0,3– 0,5 kg, tương đốinhẹ, băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong môhình đã lựa chọn loại băng tải dây đai cao su để mô phỏng cho hệ thống dây chuyềntrong nhà máy với những lý do sau đây:

- Tải trọng băng tải không quá lớn

- Kết cấu cơ khí không quá phức tạp

- Dễ dàng thiết kế chế tạo

- Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải

Đai cao su có đặc tính: bền, đàn hồi tốt, ít bị ảnh hưởng bới độ ẩm và sự thay đổi củanhiệt độ, đai vải cao su được sử dụng khá rộng rãi Đai cao su có khả năng vận chuyển êm,truyền động nhanh, ổn định, do sản phẩm hình trụ có bề mặt tiếp xúc tương đối, trọng lượngvừa phải nên khả năng ma sát tốt, làm việc chính xác Khi không yêu cầu góc nghiêng lớn vàkhông yêu cầu di chuyển theo đường cong thì đai tải cao su hoàn toàn có thể đáp ứng tốt yêucầu làm việc

Cấu tạo băng tải:

Hình 2 - 3: Các thông số cơ bản của băng tải

- Loại băng tải: vải cao su, tiết diện hình chữ nhật (b×h).Chọn chiều rộng của băng là b

Trang 37

- Chọn đường kính tang của băng tải sao cho:

tan g

Chọn dtang = 70mm để đảm bảo điều kiện

- Hệ số ma sát trượt giữa tang thép với băng tải là µ=0,3

Tính lực căng băng tải ban đầu

 Chọn chiều dài cho băng tải đầu ra là L=1m Để đủ khoảng cách hành trình và thờigian chờ cho công đoạn loại bỏ chai thải trên băng chuyền đầu ra ta lựa chọn khoảng cáchgiữa 2 chai thành phẩm liên tiếp trên băng chuyền ra là X=40cm Vì vậy trên băng chuyền raluôn có 3 chai sản phẩm

 Loại chai sử dụng có thể linh hoạt ở các mức thể tích dưới 500ml nên tải trọng tươngứng của chai cũng tương đương và xấp xỉ ở mức 0,5kg cho 1 chai

Trang 38

 Ta đi xác định mối liên hệ giữa lực căng ban đầu F0 với lực vòng Ft (bỏ qua ma sát dolực ly tâm gây ra)

Hình 2 - 4: Các lực tác dụng lên tang băng tải

Trang 39

1.1.2 Tính toán lựa chọn động cơ

Động cơ điện một chiều

Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng chuyền dây đai và không yêu cầu tải trọnglớn nên không cần động cơ có công suất lớn Với yêu cầu khá đơn giản của băng chuyền nhưlà:

- Băng chuyền chạy liên tục, có thể dừng khi cần

- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng băng chuyền nhẹ

- Dễ điều khiển, giá thành rẻ

Vì vậy chỉ cần sử dụng động cơ một chiều Hơn nữa, động cơ điện một chiều cho phépthay đổi trị số momen và vận tốc góc trong một phạm vi rộng, khởi động êm, hãm và đảochiều dễ dàng, do đó được dùng rộng rãi trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, thang máy,máy trục, các thiết bị thí nghiệm

Động cơ điện một chiều (Hình 2-5) là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều,được dùng rất phổ biến trong công nghiệp và ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liêntục trong một phạm vi hoạt động [1]

Hình 2 - 5: Động cơ điện một chiều thực tế

Trang 40

Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều:

Khi cho điện áp một chiều vào hai chổi than, trong dây quấn phần ứng có dòng điện Cácthanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu lực tác dụng làm cho Rotor quay Chiềucủa lực được xác định theo quy tắc bàn tay trái Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí cácthanh dẫn sẽ đổi chỗ cho nhau do có phiến cổ góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tácdụng không đổi Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động.Chiều sức điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải Ở động cơ một chiều thì sức điệnđộng ngược chiều với dòng điện nên còn gọi là sức phản điện động

Phân loại động cơ điện một chiều

 Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiềuđược chia thành:

 Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: có dòng điện kích từ và từ thông động cơkhông phụ thuộc vào dòng điện phần ứng Nguồn điện mạch kích từ riêng biệt so với nguồnđiện mạch phần ứng

 Động cơ điện một chiều kích từ song song: khi nguồn điện một chiều có công suất vôcùng lớn, điện trở trong của nguồn coi như bằng không thì điện áp nguồn sẽ là không đổi,không phụ thuộc vào dòng điện trong phần ứng động cơ Loại động cơ một chiều kích từsong song cũng được coi như kích từ độc lập

 Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng

 Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: gồm hai dây quấn kích từ, dây quấn kích từ songsong và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu

Điều chỉnh tốc độ động cơ điện một chiều

Thông thường, tốc độ quay của một động cơ điện một chiều tỷ lệ với điện áp đặt vào nó,

và ngẫu lực quay tỷ lệ với dòng điện Điều khiển tốc độ của động cơ có thể bằng cách điềukhiển các điểm chia điện áp của bình ắc quy, điều khiển bộ cấp nguồn thay đổi được, dùngđiện trở hoặc mạch điện tử

Chiều quay của động cơ có thể thay đổi được bằng cách thay đồi chiều nối dây của phầnkích từ, hoặc phần ứng, nhưng không thể được nếu thay đổi cả hai Thông thường sẽ đượcthực hiện bằng các bộ công tắc tơ đặc biệt (công tắc tơ đổi chiều)

Định dạng
Số trang	275
Dung lượng	21,38 MB