3.1.1. Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1.1. Thiết kế cánh tay robot ba bậc tự do
Hình 3.1 Bản vẽ lắp cánh tay robot
3.1.1.2. Thiết kế băng tải
Hình 3.3 Bản vẽ lắp băng tải
3.1.1.3. Thiết kế module chặn
Hình 3.5 Bản vẽ module chặn
3.1.1.4. Thiết kế module xác định chiều cao
Hình 3.7 Bản vẽ module xác định chiều cao
3.1.1.5. Bản vẽ thiết kế toàn hệ thống
Hình 3.9 Hệ thống phân loại sản phẩm
3.1.2. Tính toán hệ thống cơ khí
3.1.2.1. Tính toán lựa chọn động cơ robot
Thông số tính toán lựa chọn động cơ:
- Chiều dài khâu L1, L2, L3: 40 mm, 120 mm, 140 mm. - Khối lượng các khâu m1, m2, m3: 0.21 kg, 0.11 kg. 0.3 kg. - Khối lượng của vật là m𝑣 = 0.2 kg.
Tính toán thông số động cơ:
Động cơ khâu 3 (DC3)
Momen quay của động cơ trên cả khâu 3 là:
M3= F𝑀3. L3= (m3+ m𝑣).g. L3 (N.m) (3.1) Trong đó: F𝑀3: Lực tác dụng lên khâu 3
g : Gia tốc = 9.8 (𝑚/𝑠2)
L3: Chiều dài khâu 3
Thay 𝑚3= 0.3 kg, 𝑚𝑣=0.2 kg, L3= 0.14 m => M3= 0.686 N.m = 6.99 kgf.cm
Động cơ khâu 2 (DC2)
Vì khâu 2 ngoài trọng lực của nó còn mang theo cả trọng lực của khâu 3. Momen quay của cả động cơ trên cả khâu 2 là:
M2=( F𝑀3+ F𝑀2). L2= ( 𝑚3 + 𝑚2 + 𝑚𝑣 ).g.L2 (N.m) (3.2) Trong đó:
F𝑀3 : Lực tác dụng lên khâu 3
F𝑀2 : Lực tác dụng lên khâu 2
L2: Chiều dài khâu 2
Thay m3=0.3 kg, m2=0.11 kg, m𝑣=0.2 kg, L2= 0.12 m => M2= 0.717 N.m = 7.311 Kgf.cm
Động cơ khâu 1 (DC1)
Vì khâu 1 ngoài trọng lực của nó còn mang theo cả trọng lực của khâu 2 và 3. Momen quay của cả động cơ trên cả khâu 1 là:
M1=( F𝑀3 + F𝑀2 + F𝑀1). L1 (N.m) (3.3) Trong đó:
F𝑀3 : Lực tác dụng vào khâu 3 F𝑀2 : Lực tác dụng vào khâu 2 F𝑀1 : Lực tác dụng vào khâu 1 L1: Chiều dài khâu 1
=> M1= 0.321 N.m = 3.273 Kgf.cm
Dựa vào thông số đã tính nhóm lựa chọn sử dụng động cơ servo MG996R với lực kéo 9.4 kgf. cm (4.8V), 11kgf.cm (6V). Hình 3.10. Động cơ servo MG996R Thông số kỹ thuật: - Lực kéo ở 6V: 11kg. - Trọng lượng sản phẩm: 55g. - Kích thước sản phẩm: 40.7 × 19.7 × 42.9mm. - Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V), 11kg / cm (6V).
- Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v). - Điện áp làm việc: 4.8-7.2V.
- Nhiệt độ hoạt động: 0 ℃ -55 ℃. - Vật liệu bánh răng: Kim loại
3.1.2.2. Lựa chọn thông số băng tải
- Vận tốc băng tải = 0.04 m/s
- Đường kính rulo D = 30 mm, đường kính trục 6mm - Khối lượng phôi mphôi = 0.2 kg
- Khối lượng băng tải m= 2kg (bao gồm khối lượng rulo, băng tải, phôi)
3.1.2.3. Tính toán, lựa chọn động cơ băng tải
Tính toán công suất động cơ
Ta có: Pdc≥ Pct (3.4)
Pct: Công suất cần thiết trên trục động cơ P: Công suất làm việc trên trục công tác Ta có F > Fms Fms = Fmst + Fmsl Fms = mphôi .g .µ + m.g.k (3.5) Trong đó: k = 1: hệ số ma sát lăn. µ = 1: hệ số ma sát trượt. Fms: lực ma sát. Fmst: lực ma sát trượt. Fmsl: lực ma sát lăn. g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường => Fms= 22 (N) Lại có Pct= 𝐹.𝑣 1000 (3.6) Trong đó: F= Fms = 22 (N) v=0.04 (m/s) => Pct = 0.88 (W) Ta có: P = 𝑃𝑐𝑡 η (3.7) η = η15. η2 . η3 (3.8) Trong đó:
η: hiệu suất của hệ truyền động. η1 = 0.995: hiệu suất ổ lăn.
η3 = 0.999: hiệu suất khớp nối
Bảng 3.1 Hiệu suất của các bộ truyền
Tên gọi Hiệu suất η
Được che kín Để hở
Bộ truyền bánh răng trụ Bộ truyền bánh răng côn Bộ truyền trục vít Tự hãm Không tự hãm với Z1=1 Z1=2 Z1=4 Bộ truyền xích Bộ truyền bánh ma sát Bộ truyền đai Một cặp ổ lăn Một cặp ổ trượt Nối trục 0.96 ÷ 0.98 0.95 ÷ 0.97 0.3 ÷0.4 0.7 ÷0.75 0.75 ÷0.82 0.87 ÷0.92 0.95 ÷0.97 0.9 ÷0.96 0.99 ÷0.995 0.98 ÷0.99 0.98 0.93 ÷ 0.95 0.92 ÷0.94 0.2 ÷0.3 0.9 ÷0.93 0.7 ÷0.88 0.95 ÷0.96 => η = 0.73 Vậy P= 1.205 (W)
Tính toán tốc độ quay của động cơ
Do động cơ và rulo của băng tải được kết nối với nhau bằng khớp nối cứng nên Ta có :
ndc = nrulo= 60.𝑣
π.𝐷 = 25.477 (vòng/ phút) (3.9) Trong đó: v=0.04 (m/s) (vận tốc băng tải)
D=0.03 m (Đường kính con lăn) Xác định momen
Ta có : Mrulo = Mdc = 𝐹.𝐷
2 (3.10) Trong đó: Mrulo: Momen của rulo
Mdc: Momen của động cơ Thay F=22 (N), D= 0.03 (m)
=> Mrulo = Mdc = 3.3 (kg.cm)
Nhóm đã chủ động tính toán và chọn các động cơ có sẵn hộp giảm tốc được bán ngoài thị trường. Mã động cơ GM37 – 550 – S550
Hình 3.11. Động cơ GM37- 550- S550 Thông số kĩ thuật:
- DC mô-men xoắn cao: 550 vòng / phút - Sử dụng điện áp: DC12.0V
- Tối đa công suất đầu vào: 40W - Tỷ lệ giảm: 1:30
- Mô-men xoắn: 9.0Kg.cm
- Chiều dài bộ giảm tốc Mô-men xoắn tốc độ hiện tại: 21.5L
3.2.Thiết kế hệ thống điện điều khiển
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý của hệ thống Khối xử lý trung tâm:
- Kit arduino uno R3 Khối cảm biến:
- Cảm biến tiệm cận E18 – D80NK - Cảm biến siêu âm SRF04
Khối nguồn:
- Nguồn tổ ong 24VDC – 5A - Mạch hạ áp LM2596 – 3A Khối điều khiển tốc độ động cơ:
- Transistor NPN D718 Khối động cơ: - Động cơ servo MG996R - Động cơ DC 12V Khối hiển thị - LCD1602 có tích hợp mạch I2C
Kết nối giữa các thành phần trong sơ đồ nguyên lý - Kết nối khối nguồn với thành phần của hệ thống:
Nguồn 220VAC được cấp vào đầu vào nguồn tổ ong với đầu ra là 24VDC. Sử dụng mạch hạ áp lm2596 hạ áp còn 5VDC- 3A để cấp nguồn cho arduino, động cơ servo; 12VDC để cấp nguồn cho động cơ băng tải.
- Kết nối giữa vi điều khiển arduino uno r3 với các cảm biến và động cơ servo
Cảm biến siêu âm: Chân Trig được kết nối với D7, chân Echo được kết nối với D4
Cảm biến tiệm cận 1: Chân data được kết nối với D2 Cảm biến tiệm cận 2: Chân data được kết nối với D13 Động cơ servo khâu 1: Chân pwm được kết nối với D8 Động cơ servo khâu 2: Chân pwm được kết nối với D9 Động cơ servo khâu 3: Chân pwm được kết nối với D10 Động cơ servo kìm kẹp: Chân pwm được kết nối với D11 Động cơ servo module chặn: Chân pwm được kết nối với D12 - Kết nối giữa vi điều khiển arduino với lcd
Chân SCL và SDA của I2C kết nối với hai chân tương ứng của arduino là A4, A5
Chân GND của I2C được kết nối với chân GND của arduino - Kết nối khối điều chỉnh tốc độ băng tải
Chân tín hiệu của triết áp đấu nối với chân B của transistor NPN D718 và nối vào dương nguồn 12V.
Chân GND của triết áp đấu nối với chân C của transistor Chân E của transistor đấu với nguồn dương của động cơ DC Nguồn âm của nguồn đấu nối với nguồn âm của động cơ DC
3.3.Lưu đồ thuật toán
3.3.1. Lưu đồ thuật toán của hệ thống
Giải thích lưu đồ thuật toán :
- Cài đặt đưa hệ thống về trạng thái ban đầu - Khi khởi động hệ thống thì băng tải được bật
- Sau đó chờ tín hiệu của cảm biến tiệm cận 1 để nhận biết đã có phôi đi qua hay chưa đồng thời cảm biến siêu âm đo chiều cao phôi đi qua. - Nếu chiều cao phôi đạt yêu cầu thì phôi tiếp tục di chuyển qua vị trí
camera để tiến hành chụp ảnh và chuyển đổi. Phôi tiếp tục di chuyển đến cữ chặn và chờ cảm biến tiệm cận 2 nhận tín hiệu.
Khi dữ liệu đỏ của Pycham gửi đến Arduino và cảm biến tiệm cận 2 nhận được tín hiệu thì cánh tay robot sẽ nhận được tín hiệu gắp phôi.Đầu tiên cánh tay được lệnh di chuyển từ vị trí ban đầu của tay gắp đến vị trí gắp phôi và tiến hành gắp phôi.Cánh tay được đưa lên tới vị trí an toàn và quay sang vị trí thả phôi đỏ được lập trình trước đồng thời thả phôi vào thùng chứa phôi đỏ và quay về vị trí ban đầu.
Khi dữ liệu vàng của Pycham gửi đến Arduino và cảm biến tiệm cận 2 nhận được tín hiệu thì cánh tay robot sẽ nhận được tín hiệu gắp phôi.Đầu tiên cánh tay được lệnh di chuyển từ vị trí ban đầu của tay gắp đến vị trí gắp phôi và tiến hành gắp phôi.Cánh tay
được đưa lên tới vị trí an toàn và quay sang vị trí thả phôi vàng được lập trình trước đồng thời thả phôi vào thùng chứa phôi vàng và quay về vị trí ban đầu.
Khi dữ liệu xanh của Pycham gửi đến Arduino và cảm biến tiệm cận 2 nhận được tín hiệu thì cánh tay robot sẽ nhận được tín hiệu gắp phôi.Đầu tiên cánh tay được lệnh di chuyển từ vị trí ban đầu của tay gắp đến vị trí gắp phôi và tiến hành gắp phôi.Cánh tay được đưa lên tới vị trí an toàn và quay sang vị trí thả phôi xanh được lập trình trước đồng thời thả phôi vào thùng chứa phôi xanh và quay về vị trí ban đầu.
Khi dữ liệu của Pycham không gửi đến Arduino thì cần gạt giữ phôi ở cuối mở ra và phôi được vào thùng chứa phôi lỗi.
- Nếu chiều cao phôi không đạt yêu cầu thì cần gạt giữ phôi ở cuối mở ra và phôi được vào thùng chứa phôi lỗi.
3.3.2. Lưu đồ xử lý ảnh trên Pycham
Giải thích lưu đồ : - Bắt đầu.
- Khai báo các thư viện cần sử dụng trong lập trình, thiết lập các lệnh cần thiết cho Camera, gán các giá trị HSV của 3 màu.
- Sau đó chờ tín hiệu ra từ kit Arduino truyền qua, nếu đúng thì xử lý tiếp chương trình. Ngược lại là sai thì tiếp tục chờ.
Hình 3.13 Lưu đồ xử lý ảnh Kết thúc Đ Đ Đ S S Đ Đ Đ Bắt đầu
Khai báo thư viện Thiết lập camera Khởi tao giá trị ban đầu
Nhận dữ liệu từ Arduino
Camera chụp ảnh
Chuyển đổi ảnh RGB sang HSV
95<H H<120 H>174 và H<9 9<H<45 Gửi dữ liệu màu đỏ sang Arduino Gửi dữ liệu màu xanh sang
Arduino Gửi dữ liệu
màu vàng sang Arduino
- Khi có tín hiệu từ Arduino, Camera sẽ tiến hành chụp ảnh và xử lý chuyển đổi ảnh màu chụp được từ hệ màu RGB sang hệ màu HSV. - Tiến hành so sánh ảnh HSV vừa chuyển đổi với các giá trị HSV đã được
gán giá trị ở trên :
Nếu giá trị nằm trong khoảng Hue_value < 9 và Hue_value > 174 thì sẽ tiến hành gửi dữ liệu màu đỏ sang Arduino.
Nếu giá trị nằm trong khoảng Hue_value > 9 và Hue_value < 45 thì sẽ tiến hành gửi dữ liệu màu vàng sang Arduino.
Nếu giá trị nằm trong khoảng Hue_value > 95 và Hue_value < 120 thì sẽ tiến hành gửi dữ liệu màu xanh sang Arduino.
CHƯƠNG 4 - CHẾ TẠO HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC VÀ CHIỀU CAO
4.1.Chế tạo hệ thống cơ khí
4.1.1. Chế tạo, lắp ráp hệ thống băng tải
Chân và giá đỡ con lăn được gia công in 3D, khung băng tải sử dụng thanh nhôm định hình có kích thước 400x60x30 (mm). Nhóm đã tiến hành lắp ráp như hình 4.1:
Hình 4.1 Lắp ráp băng tải
4.1.2. Chế tạo, lắp ráp cánh tay robot
Khung cánh tay robot được gia công in 3D, với kích thước chiều dài của các khâu là L1, L2, L3 = 40,120,140 (mm). Tiến hành lắp đặt các động cơ servo vào các khớp quay, lắp ghép các bộ phận của kìm kẹp.
Hình 4.3 Lắp ráp cánh tay robot
4.1.3. Chế tạo hệ thống chặn phôi
Nguyên liệu được dùng là nhựa mica, được cắt và lắp ráp trực tiếp vào khung băng tải. Động cơ servo có gắn một thanh chặn, có tác dụng đóng mở module chặn. Cảm biến tiệm cận dùng để phát hiện phôi khi đi vào module chặn.
Hình 4.5 Chế tạo, lắp đặt hệ thống chặn phôi
4.1.4. Chế tạo giá đỡ cảm biến siêu âm, hộp đựng sản phẩm đã phân loại
Sử dụng nguyên liệu nhựa mica để gia công. Sau khi gia công sản phẩm như hình 4.7:
Hình 4.7 Giá cảm biến siêu âm
4.2.Chế tạo hệ thống điện điều khiển
Dây nguồn của động cơ servo được đấu nối vào đầu ra của mạch hạ áp lm2596 với mức điện áp 5VDC – 3A. Các dây tín hiệu được đấu nối vào mạch điều khiển arduino. Nguồn cấp cho arduino được cấp qua jack DC với mức điện áp 5VDC – 3A.
Hình 4.9 Lắp đặt hệ thống điện điều khiển robot
4.3.Lắp đặt hệ thống phân loại sản phẩm
Sau khi hoàn thành quá trình lắp đặt thì hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và màu sắc được hoàn thiện như hình 4.11:
Hình 4.11 Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và màu sắc
4.4.Thử nghiệm hệ thống 4.4.1. Nhận diện màu sắc 4.4.1. Nhận diện màu sắc
Nhóm đã sử dụng pycham để lập trình và xử lý dữ liệu từ camera gửi về để phân biệt màu sắc của sản phẩm. Phần mềm sẽ so sánh ảnh HSV vừa chuyển đổi với các giá trị HSV đã được gán giá trị:
Nếu giá trị nằm trong khoảng Hue > 9 và Hue < 45 thì sẽ tiến hành gửi dữ liệu màu vàng sang Arduino.
Hình 4.12 Nhận biết màu vàng
Nếu giá trị nằm trong khoảng Hue > 95 và Hue < 120 thì sẽ tiến hành gửi dữ liệu màu xanh sang Arduino.
Hình 4.13 Nhận biết màu xanh Cánh tay robot tiến hành phân loại sản phẩm
Sau khi nhận được dữ liệu màu từ pycham gửi về, arduino sẽ xuất ra tín hiệu điều khiển cho các động cơ servo để tiến hành phân loại.
Dữ liệu truyền về arduino là màu vàng, robot sẽ gắp và phân loại về ô màu vàng
Hình 4.14 Sản phẩm được xác định là màu vàng
Dữ liệu truyền về arduino là màu xanh.
Hình 4.16 Xác định sản phẩm có màu xanh
KẾT LUẬN Kết quả đạt được
Sau thời gian thực hiện nghiên cứu, chế tạo, lắp ráp mô hình đồ án tốt nghiệp dưới sự cố gắng, nhiệt huyết của tất cả thành viên trong nhóm và sự hướng dẫn, giúp đỡ nhiệt tình của Th.S Lê Văn Nghĩa, nhóm đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp đúng tiến độ và đáp ứng yêu cầu đã đề ra và thu được kết quả:
- Năng suất hệ thống đạt 120 sản phẩm/ giờ. - Thiết kế hoàn thiện hệ thống cơ khí.
- Thi công, lắp ráp được mô hình thực tế của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc và chiều cao sử dụng cánh tay robot.
- Lập trình cho hệ thống thực tế hoạt động theo đúng yêu cầu đã đề ra. - Các mô đun hoạt động đúng chức năng và yêu cầu đề ra.
- Nhận dạng màu sắc trên phần mềm hoạt động tốt, phân biệt được ba màu đỏ, vàng, xanh.
- Hệ thống vận hành đảm bảo độ an toàn cao.
- Hiểu được nguyên lí hoạt động của các loại cảm biến
- Ngoài ra, việc thực hiện thành công mô hình đồ án còn giúp nâng cao