5. Phƣơng pháp nghiên cứu
3.2.1 Mô hình hóa không gian làm việc
Phần mềm AX on Desk mặc dù đƣợc trang bị bộ công cụ cho phép thiết kế không gian làm việc ngay trên môi trƣờng làm việc của nó. Tuy nhiên thao tác tƣơng đối phức tạp và không thuận lợi. Do đó tác giả đã thực hiện việc thiết kế không gian làm việc của hệ thống trên một phần mềm CAD chuyên dụng (Solid Work), trƣớc khi upload vào phần mềm AX on Desk.
53
Đây là quá trình xây dựng công phu. Bởi một sai số nhỏ về kích thƣớc, hoặc sai số về vị trí tƣơng quan giữa các chi tiết trong không gian làm việc ảo đƣợc xây dựng sẽ dẫn tới sự va chạm của tay máy robot trong quá trình hoạt động thật.
Quá trình xây dựng không gian làm việc, ngoài việc chế tạo các chi tiết, dụng cụ theo kích thƣớc chuẩn, còn phải tiến hành kê kích, đo đạc mối tƣơng quan giữa các chi tiết và dụng cụ đó.
Kết quả của quá trình xây dựng không gian làm việc cho hệ thống xử lý ảnh cùng robot công nghiệp đƣợc thể hiện qua một số các hình vẽ sau:
Hình 3.4 Hình chiếu cạnh của không gian làm việc
54
Hình 3.6 Hình chiếu trục đo của không gian làm việc
Hình 3.6 là kết quả của việc xây dựng không gian làm việc cho robot bằng phần mềm Solidwork 2014. Không gian làm việc ảo phải đảm bảo chính xác với không gian làm việc trong thực tế. Đặc biệt với các kích thƣớc quan trọng, nhƣ vị trí tƣơng quan của robot với bang tải chƣa phôi, kích thƣớc và vị chí của các khay chứa phôi… Trên thực tế, kinh đổ chƣơng trình điều kiển giả lập vào robot vẫn cần thực hiện quá trình chạy thử từng bƣớc trƣớc khi cho chạy tự động hoàn toàn.
3.2.2 Viết chƣơng tr nh hoạt động cho robot trên phần mềm AX on Desk
Nhiệm vụ của chƣơng trình này là điều khiển tay máy robot công nghiệp gắp các phôi đã đƣợc phân loại từ vị trí phân loại trên băng tải tới các hộp chứa phôi tƣơng ứng.
Chƣơng trình đƣợc viết dƣới dạng các chƣơng trình chính và chƣơng trình con. Chƣơng trình chính là chƣơng trình gọi các chƣơng trình con có điều kiện và không điều kiện.
55
- Chƣơng trình đƣa tay máy về vị trí xuất phát
- Chƣơng trình đƣa tay máy về vị trí chuẩn bị gắp phôi - Chƣơng trình thực hiện quá trình gắp phôi
- Chƣơng trình thực hiện quá trình thả phôi Các chƣơng trình con có điệu kiện bao gồm:
- Chƣơng trình di chuyển phôi từ vị trí phân loại tới ô tròn trắng - Chƣơng trình di chuyển phôi từ vị trí phân loại tới ô tròn đỏ - Chƣơng trình di chuyển phôi từ vị trí phân loại tới ô tròn vàng - Chƣơng trình di chuyển phôi từ vị trí phân loại tới ô tam giác vàng - Chƣơng trình di chuyển phôi từ vị trí phân loại tới ô vuông đỏ Phần mềm AX on Desk sau khi khởi động thành công, gồm có 4 cửa sổ thao tác. Quá trình lập trình bằng phần mềm AX on Desk đƣợc tham khảo trong cuốn: Tài liệu thực hành môn học Robot công nghiệp của tác giả - Tài liệu [3]:
Cửa sổ Visual Program: Mô phỏng màn hình của bảng dạy học thực. Trên
cửa sổ này ngƣời sử dụng có thể quan sát đƣợc quá trình thực hiện các câu lệnh và thực hiện các thao tác giống hệt các thao tác trên bảng dạy học của robot công nghiệp.
56
Cửa sổ Visual Robot: Mô phỏng không gian làm việc của robot. Ngƣời sử dụng có thể quan sát quá trình làm việc của robot giống nhƣ robot đang làm việc trong không gian thật. Ax on Desk cung cấp các công cụ để xây dựng không gian làm việc nhƣng tƣơng đối khó khăn. Thông thƣờng hay sử dụng các phần mềm CAD chuyên dụng để xây dựng không gian làm việc, sau đó mới upload vào phần mềm Ax on Desk.
Hình 3.8 Cửa sổ Visual Robot
Cửa sổ Visual I/O: Đây là cửa sổ mô phỏng chức năng bật tắt, chuyển chế
độ làm việc của robot cũng nhƣ mô phỏng các tín hiệu vào ra. Sử dụng Visual I/O cho phép mô phỏng các tín hiệu input vào bộ điều khiển AX, qua đó viết và kiểm tra đƣợc việc chạy các chƣơng trình con có điều kiện nhƣ trên.
57
Hình 3.9 Cửa sổ Visual I/O
Cửa sổ Visual TP: Đây là cửa sổ mô phỏng các phím chức năng trên bảng dạy học. Để viết chƣơng trình, ngƣời sử dụng thao tác chính trên cửa sổ này.
58
Hình 3.10 Cửa sổ Visual TP
3.2.3 Mô phỏng quá tr nh hoạt động của hệ thống
Quá trình mô phỏng hoạt động của robot đƣợc thực hiện sau khi tiến hành viết chƣơng trình chính và các chƣơng trình con tƣơng ứng. Kết quả của quá trình nhƣ sau:
59
Chƣơng tr nh đƣa tay máy về vị trí xuất phát
Robot từ vị trí bất kỳ trong không gian, chuyển động về trị trí xuất phát. Tại vị trí này hệ thống bắt đầu làm việc. Robot đứng yên, băng tải bắt đầu chạy.
Hình 3.11 Vị trí ban đầu của robot
hi băng tải chạy, phôi trên băng tải di chuyển cho đến khi gặp cảm biến quang. Cảm biến quang phát hiện đối tƣợng, băng tải dừng lại, quá trình xử lý ảnh thực hiện.
Camera chụp ảnh, truyền về máy tính. Tại đây quá chƣơng trình xử lý ảnh đƣợc thực hiện, phân loại phôi theo hình dáng, màu sắc. Sau khi thực hiện xong quá trình xử lý ảnh, tín hiệu đƣợc gửi đến mạch phát RF. Mạch phát RF mã hóa tín hiệu và gửi tới mạch thu RF đƣợc lắp trên tủ điều khiển AX của robot và băng tải. Mạch thu RF nhận tín hiệu, giải mã và gửi vào cổng Input của robot và của băng tải.
60
Chƣơng tr nh con gắp phôi đã đƣợc phân loại về các ô tƣơng ứng
Hình 3.13 Robot gắp phôi đã nhận diện
Sau khi nhận tín hiệu từ cổng Input của tủ điều khiển. Robot thực hiện chạy chƣơng trình con tƣơng ứng. Mỗi một chƣơng trình con ứng với một tín hiệu Input tại các công khác nhau.
Hình 3.14 Robot thả phôi vào khay tương ứng
Sau khi thả phôi vào khay tƣơng ứng, robot quay lại vị trí ban đầu, và chƣơng trình lại đƣợc tiếp tục lặp lại cho đến khi kết thúc.
61
CHƢƠNG IV: KẾT QUẢ ĐÁNH GIÁ 4.1 Kết quả của luận văn
Luận văn về cơ bản đã đạt đƣợc một số kết quả nhƣ sau:
- Xây dựng đƣợc phần mềm xử lý ảnh cho phép cài đặt trên máy tính, giao diện đơn giản, Việt hóa.
- Xây dựng đƣợc bộ phần cứng của xử lý ảnh gồm: mạch nhận và phát tín hiệu RF trên máy tính, mạch nhận và xử lý tín hiệu RF trên bộ điều khiển AX của robot công nghiệp, mạch nhận và xử lý tín hiệu RF trên băng tải, mạch điều khiển băng tải. Các mạch nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp và mở rộng.
- Tích hợp đƣợc bộ xử lý ảnh trên robot cụ thể là Nachi MC20-01 thuộc phòng thực hành cơ điện tử 3, - Khoa cơ khí – Trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội. Bộ xử lý ảnh hoạt động ổn định, hiện đã đƣợc sử dụng để dạy môn Thực hành robot công nghiệp và Robot công nghiệp cho sinh viên K6, K8 (hệ liên thông cao đẳng – đại học).
- Xây dựng 03 bài thực hành với thời lƣợng 18 tiết bổ sung vào bài giảng thực hành của các môn học nói trên.
4.1.1 Kết quả phần mềm xử lý ảnh a. Đánh giá chung: a. Đánh giá chung:
Phần mềm xử lý ảnh đƣợc thiết kế với giao diện đơn giản, dễ sử dụng. Cài đặt phần mềm dễ dàng, máy tính không yêu cầu cấu hình cao. Phần mềm cho phép kết nối giữa camera số với bộ phát sóng RF, đƣa tín hiệu điều khiển robot và điều khiển băng tải.Tuy nhiên phần mềm không có tính bảo mật, dễ dàng copy, sử dụng không cần bản quyền.
b. Về kết quả nhận dạng hình ảnh:
- Màu sắc: Nhận dạng đúng sản phẩm qua màu sắc gồm: đỏ, vàng, trắng - Hình dạng: Nhận dạng đƣợc các hình: tam giác, tròn, vuông
62
Hình 4.1 Nhận diện phôi tam giác vàng
63
Hình 4.3 Nhận diện phôi tròn trắng
64
Hình 4.5 Nhận diện phôi vuông đỏ
Các hình từ 4.1 đến 4.5 đƣợc chụp ảnh từ màn hình phần mềm xử lý ảnh mà tác giả đã xây dựng và đƣa vào giảng dạy môn học Robot công nghiệp, tại phòng thực hành cơ điện tử 3, trƣờng Đại học Công nghiệp Hà Nội.
b. Về chế độ lựa chọn phôi:
- Lựa chọn và phân loại tất cả các loại phôi: hệ thống xử lý ảnh nhận biết và gửi tín hiệu điều khiển tới robot và băng tải để phân loại 5 loại phôi trên, các phôi không đáp ứng các điều kiện về hình dạng và màu sắc nhƣ trên băng tải tiếp tục chạy.
- Lựa chọn tùy biến các loại phôi: một số loại phôi đƣợc lựa chọn, các loại phôi khác không đƣợc lựa chọn băng tải tiếp tục chạy.
Hai chế độ này đƣợc chọn đơn giản bằng cách click vào các ô trên màn hình điều khiển.
65
c. Về khả năng tùy chỉnh với điều kiện ánh sáng khác nhau:
Xử lý ảnh chịu ảnh hƣởng rất nhiều bởi các điều kiện ánh sáng khác nhau. Phần mềm xử lý ảnh đƣợc thiết kế cho phép tùy chỉnh các thông số màu sắc của phôi ảnh hƣởng bởi ánh sáng. Do đó cho phép làm việc tƣơng đối ổn định với các điều kiện ánh sáng thay đổi. Mặt hạn chế của phần mềm là việc lấy các thông số màu sắc và cài đặt vào phần mềm xử ý ảnh phải thực hiện thủ công, chƣa tự động và đòi hỏi ngƣời sử dụng phải có hiểu biết nhất định về kỹ thuật lập trình.
Hình 4.7 Lấy các thông số màu sắc của phôi với các điều kiện ánh sáng khác nhau
4.1.2 Kết quả của bộ phần cứng xử lý ảnh a. Đánh giá chung: a. Đánh giá chung:
Phần cứng của bộ xử lý ảnh bao gồm: mạch nhận và phát tín hiệu RF trên máy tính, mạch nhận và xử lý tín hiệu RF trên tủ điều khiển AX, mạch nhận và xử lý tín hiệu RF trên băng tải, mạch điều khiển băng tải. Hệ thống camera phân loại phôi và camera giám sát hoạt động của robot.
Các mạch trên đƣợc thiết kế tƣơng đối nhỏ gọn, dễ dàng tích hợp trên các hệ thống khác nhau. Các mạch tích hợp trên băng tải và tủ điều khiển AX của robot công nghiệp đều có các palen thao tác, các chân cắm ngoài cho phép ngƣời học dễ dàng hiểu cấu tạo của hệ thống và mở rộng hệ thống.
66
Chất lƣợng truyền nhận sóng RF ổn định ít nhiễu, có thể truyền ở khoảng cách trung bình từ 2m-10m. Với bộ điều khiển RF không dây cho phép bố trí máy tính điều khiển hệ thống cách xa vùng làm việc của robot, gọn gàng và an toàn với ngƣời vận hành, sử dụng. Với camera giám sát hoạt động của robot có thể tiếp tục nâng cấp để tự động cảnh báo nguy hiểm trong vùng làm việc của robot, tự động dừng khẩn cấp trong trƣờng hợp có đối tƣợng di chuyển trong vùng làm việc của robot.
b. Mạch nhận và phát tín hiệu RF trên máy tính
Mạch đƣợc thiết kế nhỏ ngọn, dễ dàng kết nối với máy tính thông qua cổng USB. Mạch có tác dụng nhận tín hiệu điều khiển từ máy tính, mã hóa tín hiệu và gửi tín hiệu điều khiển đến bộ nhận tín hiệu trên robot công nghiệp và băng tải.
Khoảng cách thu phát tín hiệu: khoảng 10m
Hình 4.8 Mạch nhận và phát tín hiệu RF trên máy tính
c. Mạch nhận và xử lý tín hiệu trên tủ điều khiển của robot công nghiệp
Mạch đƣợc thiết kế nhỏ gọn, tƣơng đối đẹp mắt. Mạch có tác dụng nhận tín hiệu từ mạch phát RF trên robot công nghiệp, giải mã tín hiệu và cấp tín hiệu điều khiển tới các chân tƣơng ứng của bộ input của robot công nghiệp với điện áp DC24V, dòng 10mA.
67
Phần trƣớc có các đèn báo tín hiệu, giúp ngƣời vận hành dễ dàng kiểm tra đƣợc chất lƣợng truyền tín hiệu của song RF. Ví dụ: Nếu có tín hiệu điều khiển từ bộ phát RF báo có phôi tròn đỏ, lập tức đèn báo phôi tròn đỏ sáng lên. Mạch thu RF trên robot công nghiệp còn có một ăng en ngoài giúp nhận tín hiệu điều khiển từ mạch phát RF đƣợc tốt hơn, giảm thiểu sai số.
Mặt sau của mạch có các rắc cắm tiêu chuẩn cho phép ngƣời dùng mở rộng các chân tín hiệu khi cần thiết. Ví dụ: tăng số lƣợng chủng loại phôi hoặc kết nối với các thiết bị ngoại vi khác với chuẩn điện áp và dòng điện (điện áp DC24V, dòng 10mA).
Hình 4.9 Mặt trước của mạch nhận và xử lý tín hiệu trên tủ điều khiển
68
d. Mạch điều khiển băng tải
Mạch điều khiển băng tải làm hai nhiệm vụ: nhận và giải mã tín hiệu điều khiển từ mạch phát RF đƣợc gắn trên máy tính thông qua một mạch thu và giải mã tín hiệu RF, mạch điều khiển động cơ băng tải dựa vào tín hiệu từ cảm biến nhận biết phôi và tín hiệu điều khiển đƣợc giải mã từ mạch thu RF.
Mạch điều khiển làm việc ở hai chế độ: chế độ không phản hồi, mạch làm việc độc lập không phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển từ máy tính, áp dụng cho bài toán phân loại toàn bộ các phôi. Chế độ có phản hồi, mạch làm việc phụ thuộc vào tín hiệu điều khiển từ máy tính, áp dụng với bài toán chỉ chọn một số chủng loại phôi nhất định.
Để thuận tiện và trực quan cho ngƣời học, tác giả đã thiết kế bảng thao tác của băng tải. Bảng thao tác trên băng tải với sơ đồ mạch nguyên lý đi kèm cho phép ngƣời sử dụng dễ dàng hiểu cấu tạo của mạch cũng nhƣ nguyên lý hoạt động của băng tải. Điều này phù hợp với mục tiêu đào tạo của phòng thực hành. Các rắc cắm đều đƣợc sử dụng loại chuẩn công nghiệp, đồng bộ với các phòng thực hành cơ điện tử 1, cơ điện tử 2.
Trên bảng thao tác của mạch điều khiển băng tải còn có các đèn báo tín hiệu RF cho phép ngƣời sử dụng kiểm tra đƣợc độ tin cậy của bộ thu phát RF, qua đó thuận lợi hơn trong việc tìm nguyên nhân khi xảy ra sai sót.
69
Các hình từ 4.8 đến 4.11 là ảnh chụp bộ xử lý ảnh thực tế tác giả đã thiết kế. Hình 4.11 là bảng thao tác và sơ đồ nguyên lý của mạch điều khiển băng tải. Các dây cắm đều đƣợc lựa chọn theo kích cỡ công nghiệp, tiêu chuẩn hóa, gần với thực tiện, phục vụ thuận lợi cho ngƣời học.
4.2 Phân tích, đánh giá độ chính xác, mức độ đạt đƣợc của kết quả nghiên cứu, thực nghiệm nghiên cứu, thực nghiệm
4.2.1 Các thí nghiệm kiểm tra chất lƣợng hệ thống
Các thí nghiệm đánh giá hiệu suất làm việc của hệ thống đƣợc thực hiện nghiêm túc, khách quan với thành phần gồm nhiều nhóm sinh viên từ các lớp khác nhau.
Để đánh giá khả năng làm việc của bộ xử lý ảnh cùng với robot công nghiệp, tác giả đã cố định điều kiện biên là ánh sáng lý tƣởng, với cƣờng độ ổn định ( buổi tối với đèn huỳnh quang).
Các thí nghiệm đƣợc đánh giá trên 5 loại phôi: tròn trắng, tròn đỏ, tròn vàng, tam giác vàng, vuôn đỏ và đánh giá cả năng làm việc của bộ thu phát không dây tại hai khoảng cách 2m và 10m.
Mỗi một loại phôi đƣợc thực hiện quá trình nhận dạng, kết hợp với quá trình gắp thả của tay máy. Mỗi một loại phôi đƣợc thực nghiệm với 2 thí nghiệm ở hai khoảng cách là 2m và 10m (tính từ PC đến tủ điều khiển AX).