Mô hình hệ thống xếp hàng tự động sử dụng cánh tay robot

Nhiệm vụ thiết kế

- Lập trình điều khiển cho Cánh tay robot bằng ngôn ngữ lập trình ladder diagram qua phần mềm Tia portal v16. - Nghiên cứu, tìm hiểu cách thức giao tiếp, kết nối giữa Robot, PLC, camera, … và các phần tử khác của hệ thống.

Nguyên lý làm việc chung của hệ thống

Tùy theo loại sản phẩm khác nhau của các dây chuyền đầu vào mà robot thực hiện hành động xếp thùng hàng lên pallet theo quy cách có sẵn. Máy quấn màng sẽ làm nhiệm vụ quấn một số lớp màng nilong lên kiện hàng, việc này đảm bảo kiện hàng hạn chế xô lệch trong quá trình vận chuyển sau đó.

Động học ngược

- Ma trận mômen quán tính khối đối với hệ trục (Cxyz)i [tịnh tiến hệ (Oxyz)i. Từ phương trình động lực ta sẽ tính toán được các lực và momen cần thiết để thực hiện các chuyển động của các khớp theo yêu cầu mong muốn được đặt ra.

Thiết kế hệ dẫn động cho ROBOT

Đối tượng công nghệ: Phân loại các khối hộp có kích thước khác nhau và có trọng lượng tối đa là 100 g. Vì bộ truyền đai khâu 1, khâu 2 và khâu 3 được thiết kế để có cùng tỉ số truyền và cùng khoảng cách trục nên ta sẽ chọn cùng 1 loại dây đai cho cả 3 bộ truyền đai trên.

Tính toán các thành phần cơ khí .1 Băng tải

Trong đó: q0 là trọng lượng 1 m dài (tính theo khả năng chịu tải) L: là chiều dài băng. Qt: là tổng trọng lượng lớn nhất đặt trên băng tải.  Lực kéo băng là lực được truyền từ tang dẫn sang băng:. Như vậy muốn tìm F ta cần tìm 𝑆0. Để xác định 𝑆0 ta dựa vào điều kiện đủ lực ma sát để truyền lực ở tang dẫn động:. Thông thường lấy giá trị S0theo kinh nghiệm, tính và kiểm tra lại các điều kiện trên; nếu chưa đạt thì chọn lại S0 và tính lại vòng 2, ..  Công suất yêu cầu trên trục tang là:. Momen lực yêu cầu trên trục tang tải:. a) Động cơ trong thực tế. - Với nlv là số vòng quay trên trục công tác (trục làm việc) của băng tải. Số vòng quay này được tính qua trục tang của băng tải bằng công thức:. Tỉ số bộ truyền chung của hệ: uc=ubr.ux. Trong đó: Uc: là tỉ số truyền chung của bộ truyền Ubr: là tỉ số truyền bộ truyền bánh răng Ux: là tỉ số truyền bộ truyền xích. ux: Tỷ số truyền của bộ truyền xích, chọn ux= 4 Thay số vào, ta được số vòng quay sơ bộ nsb trên trục động cơ:.  Lắp được với các đầu giảm tốc.  Lắp ghép đầu trục: Trục có then. Mô men xoắn trên trục động cơ:. b) Động cơ trong mô hình. Trong đó: [σH] là ứng suất tiếp xúc trên mặt răng đĩa xích (MPa) Fvd là lực va đập trên dây xích (N). Tính theo công thức:. kr: Hệ số kể đến ảnh hưởng của số răng đĩa xích. E: module đàn hồi vật liệu:. Vì cả 2 đĩa xích đều làm bằng thép, thay số vào ta được:. Xác định lực tác dụng lên trục: Fr=kx.Ft. Trong đó, kxlà hệ số kể đến trọng lượng của xích. Tổng hợp các thông số của bộ truyền xích:. Thông số Kí hiệu Giá trị. Loại xích Xích ống con lăn. Vật liệu đĩa xích Thép C45. Đường kính vòng chia đĩa xích. Đường kính vòng chia đĩa xích. Đường kính vòng đỉnh đĩa xích. Đường kính vòng đỉnh đĩa xích. Đường kính chân răng đĩa xích. Đường kính chân răng đĩa xích. Thông số bộ truyền xích 2.3.4 Tính trục tang chủ động, bị động, con lăn. Mô men xoắn trên trục công tác:. Đường kính trục sơ bộ :.  Tính khoảng cách giữa gối đỡ và các điểm đặt lực. Hình 2.23 Khoảng cách giữa gối đỡ và các điểm đặt lực. a) Xác định lực tác dụng lên gối đỡ và đường kính đoạn trục Sơ đồ đặt lực.

 Con lăn làm bằng thép, như vậy trọng lượng con lăn (lô dẫn) là:.  Lực tác dụng lên đĩa xích:. Momen uốn, momen tương đương:. Xuất phát từ các yêu cầu về độ bền, lắp ghép và công nghệ ta chọn đường kính các đoạn trục như sau:.  𝑠𝜎𝑗 và 𝑠τ𝑗 - hệ số an toàn chỉ xét đến riêng ứng suất pháp và hệ số an toàn chỉ xét đến ứng suất tiếp tại tiết diện j:. kσdj.σaj+ψσ.σmjsτj= τ−1 kτdj. Trong đó 𝜎−1 và τ−1 là giới hạn mỏi uốn và xoắn với chu kỳ đối xứng. Có thể lấy gần đúng:. W3=0 Ứng suất xoắn thay đổi theo chu kì mạch động:. 𝐾𝜎𝑑𝑗, 𝐾τ𝑑𝑗 là hệ số xác định theo công thức sau:. Ở đây ta không dùng các phương pháp tăng bền bề mặt, do đó Ky = 1.  εσ, ετ - hệ số kích thước kể đến ảnh hưởng của kích thước tiết diện trục đến giới hạn mỏi.  Kσ, Kτ - hệ số tập trung ứng suất thực tế khi uốn và xoắn, trị số của chúng vào các loại yếu tố gây tập trung ứng suất. Do vị trí lắp ổ lăn nên bề mặt trục lắp có độ dôi ra. Chọn kiểu lắp k6. Xét ảnh hưởng của rãnh then tại tiết diện d3. Thay số vào các công thức nêu trên ta có bảng thông số:. Thông số trục băng tải Theo bảng ta thấy các tiết diện đều thỏa mãn độ bền mỏi. c) Chọn trục sử dụng cho mô hình. Trong mô hình xây dựng, dựa theo khuyến nghị của nhà sản xuất, chọn trục băng tải có đường kính D = 30mm để phù hợp với băng tải PVC 2mm d) Chọn và kiểm nghiệm ổ lăn.

Khối cơ cấu chấp hành: Có chức năng thực hiện tất cả các lệnh từ chương trình điều khiển bao gồm các đèn báo, van khí nén, động cơ tay

Camera sẽ chụp lại ảnh của bao gạo khi bao gạo đến vị trí đặt cảm biến rồi gửi lại về cho khối PC điều khiển để xử lý ảnh. Ảnh sẽ được lọc viền để phân loại kích thước của các loại sản phẩm và xác định tâm của sản phẩm để robot tiến hành hút. Khối PC điều khiển nhóm lựa chọn sẽ là PLC (Programmable Logic Controller). PLC là một máy tính thu nhỏ nhưng với các tiêu chuẩn công nghiệp cao và khả năng lập trình logic mạnh. PLC là đầu não quan trọng và linh hoạt trong điều khiển tự động hóa. Nhà sản xuất Siemens. Điện áp hoạt động 24VDC. a) Nguồn cấp điện áp. Nguồn cấp điện áp 24 VDC - 5A hay còn gọi là bộ nguồn một chiều được thiết kế để chuyển đổi điện áp từ nguồn xoay chiều 220 VAC thành nguồn một chiều 24 VDC để cung cấp cho các thiết bị hoạt động. Thông số kỹ thuật nguồn cấp. b) Nút nhấn điều khiển.

Trong hệ thống điện điều khiển, nút nhấn được sử dụng phổ biến để đóng ngắt, thay đổi trạng thái dòng diện, từ đó khởi động hoặc dừng hoạt động hệ thống.

Xử lý ảnh và truyền thông dữ liệu

THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN VÀ MÔ HÌNH.  Bước 4: Chuyển đổi ảnh sang ảnh xám. Ảnh sau khi chuyển đổi sang ảnh xám.  Bước 5: Phát hiện cạnh sử dụng Canny Edge Detector.  Bước 7: Tìm đường viền trong ảnh và tính diện tích. Ảnh sau khi tìm được đường viền và tính diện tích. Sử dụng code:. Code xử lý hình ảnh - Tiến hành phân loại:. Sau khi tiền xử lý nhóm đã lọc được viền của phôi, tiếp theo nhóm sẽ tiến hành lập trình để phân loại được 2 loại phôi có kích thước to và nhỏ.  Bước 1: Tạo hàm để tính diện tích phôi. Code hàm tính diện tích phôi.  Bước 2: Phân loại dựa vào diện tích. Từ đó nhóm sẽ lập trình sao cho có thể phân biệt được 2 loại phôi chính xác nhất có thể. Code phân loại phôi. b) Truyền thông giữa Python và PLC.  Bước 1: Sau khi xử lý ảnh phân loại được 2 loại phôi, bước tiếp theo là truyền thông với PLC để có thể gửi được dữ liệu xử lý ảnh về cho PLC hiểu và có thể điều khiển được robot xếp đúng phôi lên pallet yêu cầu. Đây là một thư viện mã nguồn mở được thiết kế để giao tiếp Python với PLC s7 của Siemens thông qua kết nối ethernet.

 Bước 2: Mở quyền truy cập đọc và ghi dữ liệu từ các thiết bị từ bên ngoài PLC.

Cách sắp xếp phôi trên Pallet a) Quy tắc sắp xếp hàng trên Pallet

Cách sắp xếp này sẽ phù hợp với các loại hàng đóng trong hộp carton cứng như: thùng đựng hoa quả, thực phẩm tươi, và nhiều loại mặt hàng khác. Với cả 2 phương án ở trên đều có thể thực hiện xếp được lên pallet nhưng để phù hợp với mô hình thực tế, nhóm đã lựa chọn phương án 1 để sắp xếp phôi trên pallet. Hai phôi sẽ có cùng độ rộng là 27 mm để có thể đi qua máng để cho robot có thể hút đúng tâm phôi, khoảng cách giữa chiều dài 2 phôi tối thiểu là 3mm để camera xử lý ảnh có thể phân biệt được 2 loại phôi.

Với bài toán yêu cầu sắp xếp những phôi có kích thước lớn hoặc nhỏ hơn có thể linh hoạt thay đổi cách sắp xếp hoặc có thể thay đổi kích thước pallet tùy thuộc vào yêu cầu bài toán.

Thiết kế chương trình điều khiển .1 Cài đặt cấu hình phần cứng cho PLC

Dữ liệu từ Python gửi xuống dưới dạng số được lưu vào các thanh ghi đã chỉ định, dùng số nhận được để tiến hành phân loại phôi. Khi chương trình đi vào các nhánh sẽ có các nhánh chương trình con, đối với nhánh Xanh Lá sẽ là 6 nhánh chương trình con từ 1.1 đến 1.6, nhánh Xanh Dương sẽ là 6 nhánh chương trình con từ 2.1 đến 2.6. Khi PLC nhận được tín hiệu sẽ phát tín hiệu để điều khiển Robot hoạt động để hút và nhả phôi lên đúng Pallet và vị trí đã được thiết lập sẵn.

Sau quá trình tính toán và xây dựng mô hình, nhóm đã hoàn thành mô hình gồm các phần cơ bản: Robot, tủ điện, băng tải, hệ thống camera và một số thiết bị điện cơ bản khác.