ĐỀ tài NCKH nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy phân loại xoài tự động

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN LOẠI XOÀI TỰ ĐỘNG MÃ SỐ: SV2020-33 SKC007384 Tp Hồ Chí Minh, tháng 07/2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN LOẠI XOÀI TỰ ĐỘNG Mã số đề tài : SV 2020- 33 Chủ nhiệm đề tài: Trần Trọng Nghĩa TP Hồ Chí Minh, 07/ 2020 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN LOẠI XOÀI TỰ ĐỘNG Mã số đề tài : SV 2020- 33 Thuộc nhóm ngành khoa học: Kĩ Thuật SV thực hiện: Trần Trọng Nghĩa Nam, Nữ: Nam Dân tộc: Kinh Lớp, khoa: 16146CL1B, Khoa chất lượng cao Năm thứ: /Số năm đào tạo: năm Ngành học: Công nghệ kĩ thuật điện tử Người hướng dẫn: ThS Lê Phan Hưng TP Hồ Chí Minh, 07/2020 MỤC LỤC Chương 1: GIỚI THIỆU ĐỀ TÀ 1.1Tính cấp thiết đề tài 1.2Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài 1.3Mục tiêu nghiên cứu đề tài 1.4Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài 1.4.1Đối tượng nghiên cứu 1.4.2 Phạm vi nghiên cứu 1.5Phương pháp tiếp cận 1.5.1Cách tiếp cận 1.5.2 Phương pháp nghiên Chương 2:TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 2.1Nghiên cứu tình hình ngồi nước 2.2Nghiên cứu tình hình nước 2.3Nghiên cứu đặc tính xồi cát Hịa Lộc xồi cát Chu 2.4Tiêu chuẩn VIETGAP xoài cát Chu xồi cát Hịa L Chương 3: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH PHÂN LOẠI XỒI 3.1Tổng quát hệ thống phân loại xoài: a Sử dụng khóa chốt điện từ: b Sử dụng động AC c Sử dụng truyền đai d Sử dụng tuyền xích 3.2.2 Phần băng tải để xử lý ảnh kích thước màu sắc Nguyên lý hoạt động 3.2.3Thiết kế cấu phân loại xoà 3.2.4Thiết kế khung Chương 4: LẬP TRÌNH ĐIỀU 4.1Xử lí ảnh 4.1.1Tổng quan 4.1.2 4.2 4.3.1 Giới thiệu: Qui trình xử lý ảnh tính tốn số liệu: Thu nhận ảnh: 4.3.3 Chuyển ảnh màu RGB sang ảnh mức xám: 4.3.4 Nhị phân hóa ảnh 4.3.5 Xác định kích thước diện t 4.3.6 Phân loại dựa diện tích kh 4.3.7 Xác định thể tích xoài sử dụn 4.4 Giao diện phần mềm phân loại: Chương 5: ĐIỀU KHIỂN 5.1 Thiết kế mạch điều khiển trung tâm cho hệ thống phân loại xoài đáp ứng yêu cầu điều khiển cho cấu phân loại 5.2 Thiết kế điều khiển cho cấu phân loại theo tỉ trọng 5.2.1 Tính khối lượng 5.2.2 Thuật toán điều khiển 5.2.3 Chương trình điều khiển Chương 6: TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ 6.1 Kết 6.2 Hướng phát triển 6.3 Kết luận TÀI LIỆU THAM KHẢO Danh mục bảng biểu 2.4 Tiêu chuẩn VIETGAP xồi cát Chu xồi cát Hịa Lộc…………….15,16,17 Biểu đồ liên hệ kích thước khối lượng xồi……………………………………27 4.1 Lưu đồ giải thuật mơ hình phân loại xồi…………………………………………….33 4.2 Qui trình xử lý ảnh tính tốn số liệu………………………………………………37 4.2.3 Bảng cường độ màu……………………………………………………………… 42 4.3 Biểu đồ so sánh thể tích phương pháp tính tốn so với thực tế……… .51 Khỏa sát khối lượng cân băng tải phương trình so với khối lượng thực tế 65,66 i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chê tạo máy phân loại xoài tự động - Chủ nhiệm đề tài: Trần Trọng Nghĩa - Lớp: 16146CL1B Mã số SV: 16146154 Khoa: Chất lượng cao - Thành viên đề tài: Stt Họ tên Trịnh Quang Phi Phạm Đức Phương Lê Thanh Phương - Người hướng dẫn: ThS Lê Phan Hưng Mục tiêu đề tài: Đề tài nghiên cứu phát triển hệ thống phân loại nơng sản nhằm kiểm sốt đánh giá chất lượng xoài (theo tiêu chuẩn GAP) trước đưa vào đóng gói xuất thị trường Tính sáng tạo: Ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh, thị giác máy tính kết hợp trí thơng minh nhân tạo để nhận dạng mẫu đánh giá chất lượng xoài Kết nghiên cứu: Đã hồn thành mơ hình thực nghiệm mơ hình vựa xồi Xử lí kích thước khối lượng xồi, phân loại xồi theo khối lượng Đóng góp mặt giáo dục đào tạo, kinh tế - xã hội, an ninh, quốc phòng khả áp dụng đề tài: Nhằm tăng cường tự động hóa q trình sản xuất nơng nghiệp ở nước ta ii Công bố khoa học SV từ kết nghiên cứu đề tài (ghi rõ tên tạp chí có) nhận xét, đánh giá sở áp dụng kết nghiên cứu (nếu có): Ngày 25 tháng 07 năm 2020 SV chịu trách nhiệm thực đề tài Trần Trọng Nghĩa Nhận xét người hướng dẫn đóng góp khoa học SV thực đề tài (phần người hướng dẫn ghi): Ngày 26 tháng 07 Người hướng dẫn (kí, họ tên) ThS Lê Phan Hưng iii năm 2020 Mở đầu Để thực đề tài nhóm tiến hành nghiên cứu vấn đề cần thiết như: đặc tính xồi cát Chu xồi cát Hịa Lộc, tình hình sản xuất phân loại xồi thủ cơng ở Đồng Tháp, mơ hình phân loại nơng sản nước, tiêu chuẩn đánh giá phân loại xồi từ địa phương…Đồng thời từ áp dụng nghiên cứu xoài thực tế để (khảo sát, thống kê) xây dựng nên phương pháp tính (phương trình, thuật tốn) cho kết xác Sau đưa phương án thiết kế khác (cách thức phân loại), chọn phương án tối ưu Cuối tiến hành vào khâu thiết kế, chế tạo mô hình phân loại thực tế Nội dung thực đề tài bao gồm bước tiến hành: - Nghiên cứu mơ hình - Tính tốn, thiết kế mơ hình phân loại xồi - Chế tạo mơ hình phân loại xồi - Đánh giá kết quả, thực nghiệm, khắc phục sai sót Sản phẩm: Mơ hình phân loại xồi cát Chu xồi cát Hịa Lộc màu sắc, thể tích khối lượng iv 5.2 Thiết kế điều khiển cho cấu phân loại theo tỉ trọng 5.2.1 Tính khối lượng  Loadcell Hình 5.6 Loadcell (Nguồn Internet) Do trái xồi có khối lượng nhỏ (dao động từ 400g – 800g) nên nhóm sử dụng Loadcell có giới hạn đo nhỏ (ở Loadcell 2kg) để tăng độ xác q trình đo Thơng số kỹ thuật Loadcell sử dụng: - Tải trọng - Độ lệch tuyến tính - Rate output - Điện áp hoạt động - Nhiệt độ hoạt động  Cảm biến vật cản hồng ngoại NPN E3F-DS30C4 Thông số kỹ thuật: - Nguồn điện cung cấp:6 ~ 36VDC - Khoảng cách phát hiện: ~ 30cm - Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở 55 - Dịng kích ngõ ra: - Ngõ dạng NPN cực thu hở giúp tùy biến điện áp ngõ ra, trở treo lên áp tạo thành điện áp ngõ nhiêu - Có led hiển thị ngõ màu đỏ - Kích thước: 1.8cm (D) x 7.0cm (L) Hình 5.7 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 (Nguồn: Internet)  PLC S7 – 1200 Cấu trúc PLC mô tả sau: Hình 5.8 Sơ đồ cấu trúc PLC (Nguồn Internet) 56 Ở nhóm sử dụng PLC Siemens S7 – 1200 CPU 1212C DC/DC/DC model 6ES7212-1AE40-0XB0 để điều khiển mô hình Thơng số kỹ thuật: - Cổng I/O: DI 24V DC / DO 24V DC - Cổng AI: AI – 10V DC (0 1) - Power supply: DC 20.4 – 28.8V DC - Program/Data memory: 75KB - Cổng PROFINET, hỗ trợ chuẩn Ethernet TCP/IP Hình 5.9 PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC (Nguồn Internet) 5.2.2 Thuật tốn điều khiển Theo thơng số Loadcell, tín hiệu trả có giá trị nhỏ 1.0 ± 0.15 (mV/V) cổng tín hiệu Analog PLC lại nhận giá trị – 10V DC, kết nối trực tiếp PLC khơng thể đọc tín hiệu Loadcell nên cần có 57 khuếch đại tín hiệu điện áp kết nối với Loadcell để khuếch đại tín hiệu Loadcell từ 1.0 ± 0.15 (mV/V) lên – 10V DC Thông số kỹ thuật khuếch đại: - VO đầu - Điện áp nguồn cấp: - Độ nhạy: - IO đầu ra: - Chân GNDD: chống nhiễu lắp khơng Hình 5.10 Mạch khuếch đại tín hiệu cảm biến (Nguồn Internet) Hình 5.11 Sơ đồ kết nối Loadcell với mạch khuếch đại PLC 58 Để đọc giá trị xác khối lượng trái xồi, nhóm tiến hành lấy tín hiệu trả từ loadcell kết hợp chương trình điều khiển PLC phần mềm Tia portal v13 SP1 Visual Studio 2017 Kết nối PLC S7-1200 Studio Tia Portal V13 SP1 Visual 2017 Bước 1: Kết nối PLC S7-1200 với Tia Portal V13 SP1 qua cổng Profinet dùng chuẩn truyền TCP/IP để kết nối phần cứng nộp code Bước 2: Sử dụng thư viện S7.net thiết kế giao diện WPF để truy xuất trực tiếp vào vùng nhớ PLC thông qua cổng mạng Profinet dùng chuẩn truyền TCP/IP Hình 5.12 Cách kết nối PLC S7 – 1200 (Tia portal) với Visual C Trong kết nối lưu ý Click vào mục Full access Permit access (tô đỏ) để PLC truy xuất vào vùng nhớ C# lấy liệu lưu trữ 59 Các bước tiến hành xác định khối lượng trái xoài Kết hợp cảm biến Loadcell Tạo mảng giá trị Visual C Khối lượng trái xoài Bước 1: Kết hợp cảm biến Loadcell Phía Loadcell bố trí cảm biến hồng ngoại để phát vật Khi trái xoài đến cảm biến phát trả tín hiệu Visual, đồng thời lúc Loadcell phía tiền hành cân giá trị trái xoài với tốc độ 10ms Để có khối lượng trái xồi nhóm tiến hành xây dựng phương trình tính tốn khối lượng xoài dựa vào kết thực tế thu từ thực nghiệm Sau nhận tín hiệu Analog trả từ Loadcell, PLC thực tính tốn theo phương trình xác định sau Đầu tiên nhóm thực nghiệm 10 trái xoài với kết thực tế sau: STT 10 Từ kết bảng ta dễ dàng nhận thấy khối lượng cân băng tải động nhỏ khối lượng gốc giá trị Kết đưa vào Excel để tính, ta thấy mối quan hệ đại lượng (khối lượng gốc khối lượng cân băng tải) có quan hệ tuyến tính với theo phương trình bậc nhất: y = a.x +b Trong đó: y khối lượng trái xồi cần tính x khối lượng trái oài cân băng tải a, b hệ số hệ số a, b xác định hàm SLOPE (tìm hệ số a), INTERCEPT (tìm hệ số b) Lệnh xác định: a = SLOPE(các giá trị y, giá trị x) = 1.060952497 b = INTERCEPT(các giá trị y, giá trị x) = 63.01837755 → Phương trình cần tìm: y = 1,060952497.x + 63,01837755 Từ phương trình vừa tìm ta xây dựng theo khối PLC để tiến hành tính tốn khối lượng xác Ta có kết sai số: 61 STT 10 → Sai số trung bình ∆ = ± 2→ sai số chấp nhận → Phương trình hợp lý Bước 2: Tạo mảng giá trị Visual Studio Các giá trị khối lượng tính tốn từ tín hiệu Loadcell trả tập hợp tạo thành mảng giá trị khối lượng khác bắt đầu cảm biến phát xoài, trái xoài qua hết khỏi vùng quét cảm biến lúc mảng ngừng nhận giá trị từ Loadcell Bước 3: Tính khối lượng trái xoài Từ mảng vừa tạo phía trên, ta dùng hàm chọn giá trị lớn nhất, lúc giá trị chình khối lượng cần tìm trái xồi 5.2.3 Chương trình điều khiển 62 Sơ đồ kết nối PLC S7-1200 CPU 1212C DC/DC/DC cảm biến, xy lanh Hình 5.13 Sơ đồ kết nối PLC, cảm biến, xy lanh Các bước tiến hành phân loại xồi: Tính tốn giá trị tỉ trọng Phân loại Bước 1: Tính tốn giá trị tỉ trọng Sau hoàn tất việc nhận giá trị khối lượng từ Loadcell trả tính tốn cho kết khối lượng thực tế, lúc PLC liên kết với C# truy xuất vào vùng nhớ chứa giá trị thể tích lưu mảng ở phần băng tải tính tốn xử lý ảnh tính thể tích, kết hợp với giá trị khối lượng xác định giá trị tỉ trọng theo cơng thức: 63 Trong đó: D tỉ trọng trái xoài ( ⁄ = ) ( ⁄ ) M khối lượng trái xoài (gam) V thể tích trái xồi (mililit) Từ kết tỉ trọng vừa tính tốn được, theo tiêu chuẩnVIET GAP để đưa sang cấu phân loại Bước 2: Phân loại sản phẩm Xoài chia làm loại tương ứng với tiêu chuẩn khác (khối lượng, thể tích) Được phân xy lanh đẩy xoài vào thùng chứa tương ứng đặt trước xy lanh đẩy PLC sau nhận tín hiệu xử lý đưa kích hoạt Timer đếm thời gian cho xy lanh đẩy phân loại Timer có giá trị 3s, 7s, 11s tương ứng với xy lanh phân loại loại 1, loại loại Các giá trị thời gian xác định dựa vào việc tìm khoảng cách vị trí trái xồi sau cân đến vị trí xy lanh, ước lượng thời gian tương ứng 64 Chương 6: TỔNG KẾT VÀ ĐÁNH GIÁ 6.1 Kết Hình Máy phân loại xồi theo tỉ trọng 6.2 Hướng phát triển Từ hạn chế q trình hồn thành thực nghiệm, nhóm rút số kinh nghiệm cần thiết để khắc phục hạn chế, từ hồn thiện mơ phát triển sản phẩm toàn diện, hướng tới mục tiêu thương mại hóa sản phẩm: - Tăng số loại xồi phân loại cấu - Phát triển thêm cấu cấp xồi vào mơ hình - Tối ưu hóa hiệu mơ hình (độ xác…) - Phát triển từ mơ hình thành máy cơng nghiệp sản xuất quy mô lớn - Phân loại nhiều loại sản phẩm 65 6.3 Kết luận Từ yếu tố nhóm thiết nghĩ sản phẩm có ưu nhược điểm riêng biệt nhiên có mục đích chung phục vụ nhu cầu khách hàng, lợi ích doanh ngiệp Việc nhanh chóng tiếp nhận nhận xét trực tiếp từ người sử dụng góp phần to lớn vào việc cải tiến, phát triển sản phẩm góp phần đem lại lợi nhuận cho doanh nghiệp người tiêu dùng Với việc tính tốn thiết kế mơ hình phân loại xồi dựa khối lượng, màu sắc, thể tích, hình dạng góp phần khơng nhỏ vào phát triển ngành xuất nông sản nói chung xồi nói riêng, đem lại hiệu kinh tế cho bà nông dân, cịn việc tự chủ cơng nghệ khơng phụ thuộc vào cơng nghệ nước ngồi giúp phát triển lợi nông nghiệp, tạo chỗ đứng vững cho mặt hàng nông sản Việt Nam thị trường giới, đưa sản phẩm nước ta đến với nước giới, đặc biệt thị trường tiềm như: châu Âu, Mĩ 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyên lí chi tiết máy Tiếng Anh [2] Bimba Manufacturing Company (2012) “Pneumatic Application & Reference Handbook”, pp 24 67 ... GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CỦA SINH VIÊN ĐỀ TÀI : NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÁY PHÂN LOẠI XOÀI TỰ ĐỘNG Mã số đề tài :... DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐH SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu, thiết kế chê tạo máy phân loại xoài tự động - Chủ nhiệm đề tài: ... tự động hay bán tự động sử dụng thiết kế chế tạo thành hệ thống phân loại xoài Do yêu cầu thị trường người sử dụng nên mơ hình hệ thống phân loại xoài nghiên cứu thiết kế chế tạo 1.2 Ý nghĩa