55
Bảng 3.2: Thông số đầu vào trục Y
Khối lượng bàn trượt và phôi (m) 3 (kg) Vận tốc tối đa (V2) 2 (mm/s) Thời gian tăng tốc/giảm tốc (t1) 0,2 (s) Tính tốn chọn động cơ:
Để lựa chọn động cơ bước phù hợp ta cần căn cứ vào: moment xoắn, moment qn tính, số vịng quay tối đa cần cung cấp cho hệ.
Moment quán tính cần thiết
𝐽𝐿 = 𝐽𝑀+ 𝐽𝑆 (3.23) [23] Trong đó:
o JL: Tổng moment quán tính (g.cm2)
o JM: Moment quán tính của động cơ
o JS: Moment quán tính của pulley 𝐽𝑀 = 𝑚. (𝐷𝑝.10−3 2 )2 (3.24) [23] 𝐽𝑀 = 𝑚. (𝐷𝑝. 10 −3 2 ) 2 = 3. (9,4. 10 −3 2 ) 2 = 6,627. 10−5(𝑘𝑔. 𝑚2) Trong đó:
o m: khối lượng của bàn trượt và phơi (kg)
o Dp: đường kính pulley dẫn động tính từ tâm đến mặt răng ăn khớp (mm) 𝐽𝑆 =1 8. 𝑚𝑝. (𝐷𝑝. 10−3). 𝑛 (3.25) [23] 𝐽𝑆 =1 8. 𝑚𝑝. (𝐷𝑝. 10 −3). 𝑛 = 1 8. 0,024. (9,4. 10 −3). 1 = 2,651. 10−7(𝑘𝑔. 𝑚2) Trong đó:
56
o Mp: khối lượng pulley (kg/pc)
o Dp: đường kính pulley dẫn động tính từ tâm đến mặt răng ăn khớp (mm) o n: số pulley truyền động chính 𝐽𝐿 = 𝐽𝑀+ 𝐽𝑆 (3.26) [23] 𝐽𝐿 = 𝐽𝑀 + 𝐽𝑆 = ( 6,6270. 10−5+ 2,651. 10−7) = 6,6535. 10−5 (𝑘𝑔. 𝑚2) = 665,35 (g. 𝑐𝑚2) Hình 3.20: Cặp pulley truyền động
Moment xoắn cần thiết
𝑇 = (𝑇𝐴+ 𝑇𝐿). 𝑒 (3.27) [23] Trong đó:
o T: moment xoắn cần thiết cho động cơ
o TA: moment xoắn cần thiết khi tăng tốc
o TL: moment xoắn cần thiết cho tải
o e : hệ số an toàn 𝑇𝐴 = 𝐽𝐿( 𝑣𝑚 9,55.𝑡1) (3.28) [23] 𝑇𝐴 = 𝐽𝐿( 𝑣𝑚 9,55. 𝑡1) = 6,6535. 10−5. (0,6095 9,55.0,2) = 2,1232. 10−5(𝑁. 𝑚)
57 Trong đó:
o JL: tổng moment quán tính (kg.m2)
o vm: vận tốc quy đổi (vòng/phút)
o t1: thời gian tăng tốc/giảm tốc (s) 𝑇𝐿 =𝐹.𝐷𝑝.10−3 2𝜂.0,01 (3.29) [23] 𝑇𝐿 =𝐹. 𝐷𝑝. 10 −3 2𝜂. 0,01 = 2,94. 10−2. 9,4. 10−3 2.90.0,01 = 1,5353. 10 −4(𝑁. 𝑚) 𝐹 = 𝐹𝐴. (m .9,8). ( sin α + μ cos α ) (3.30)
𝐹 = 𝐹𝐴. (m .9,8). ( sin α + μ cos α ) = 0 + (3.9,8). (sin 0 + 0,001 . cos 0) = 2,94. 10−2(𝑁)
Trong đó:
o m: khối lượng của bàn trượt và phôi (kg)
o Dp: đường kính pulley dẫn động tính từ tâm đến mặt răng ăn khớp (mm)
o η: hiệu suất bộ truyền đai
𝑇 = (𝑇𝐴+ 𝑇𝐿). 𝑒 (3.31) [23] 𝑇 = (𝑇𝐴+ 𝑇𝐿). 𝑒 = (2,1232. 10−5+ 1,5353. 10−4). 1,5 = 2,6214. 10−4(𝑁. 𝑚) Vận tốc tối đa 𝑣𝑚 = 𝑣2.60 𝜋.𝐷𝑝 (3.32) [23] 𝑣𝑚 = 𝑣2. 60 𝜋. 𝐷𝑝 = 2.60 𝜋. 9,4 = 4,064(vòng/phút) Trong đó: o v2: vận tốc tối đa (mm/s)
58 Qua tính tốn ta được các thơng số cần thiết:
o Moment quán tính cần thiết: JL = 665,35 (g.cm2)
o Moment xoắn cần thiết: T = 2,6214. 10-4 (N.m)
o Số vòng quay tối đa: V = 4,064 (vòng/phút) Với tiêu chí:
o Nrate > Nmax: tốc độ định mức của động cơ lớn hơn tốc độ yêu cầu.
o Trate > T: momen định mức động cơ lớn hơn momen cần thiết.
o 0.5 < Jm≤ 2 : trong đó Jm là momen qn tính định mức của động cơ Dựa vào các tiêu chí trên và thêm vào đó là việc tăng độ chính xác cũng như giá cả giữa các loại motor, nhóm quyết định lựa chọn động cơ bước 57HS10030A4D8. Dưới đây là thông số cơ bản của động cơ:
59
Hình 3.22: Trục X và Y trên mơ hình
Hình 3.23: Các cơ cấu chuyển động sau khi lắp đặt
(Trục X: cơ cấu chuyển động mô phỏng đầu hàn Trục Y: cơ cấu bàn đặt mẫu)
60
3.3. Thiết kế hệ thống điều khiển
3.3.1. Xây dựng sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 3.24: Sơ đồ khối hệ thống
Đề tài xây dựng với mơ hình nhỏ và gọn nhằm mục đích kiểm chứng tính chính xác của thuật tốn xử lý ảnh, khơng làm thành thiết bị có khả năng thực hiện hàn hồn chỉnh. Mơ hình gồm: khối xử lý trung tâm là máy vi tính, khối điều khiển là một board Mach 3, khối thu nhận ảnh là một camera, khối động cơ với driver và động cơ bước cho từng trục, khối cảm biến với các cơng tắc hành trình, cuối cùng là khối nguồn cung cấp năng lượng cho hệ.
Chức năng từng khối:
Khối xử lý: Máy vi tính có chức năng nhận hình ảnh từ khối thu nhận ảnh và
61 tính dưới dạng G-Code. Máy vi tính tiếp tục xử lý các lệnh G-Code để tính tốn xung cần thiết dùng để điều khiển động cơ bước.
Khối thu nhận ảnh: Có chức năng thu thập tín hiệu hình ảnh từ thực tế và
chuyển về tín hiệu điện sau đó gửi dữ liệu cho khối xử lý. Ở đây sử dụng camera Bysameyee USB Digital Microscope 1000X.
Khối điều khiển: Đóng vai trị cầu nối giữa khối xử lý và khối động cơ, khối
cảm biến. Khối điều khiển có nhiệm vụ đọc tín hiệu từ khối cảm biến và chuyển đến khối xử lý cũng như nhận các dữ liệu từ khối xử lý để tạo các xung gửi đến khối động cơ. Khối điều khiển sử dụng một board mạch “breakout” Mach3 Usb.
Khối động cơ: Thực thi các lệnh từ khối điều khiển. Sử dụng hai cặp driver và
động cơ bước cho hai trục.
Khối cảm biến: Có chức năng gửi tín hiệu điện cho khối điều khiển khi các cơ
cấu chấp hành đi quá giới hạn. Sử dụng các công tắc hành trình KW11-N KW12 5a.
Khối nguồn: Cung cấp năng lượng cho (một phần) hệ thống. Sử dụng một bộ
nguồn tổ ong 24 VDC.
3.3.2. Camera
Camera là tên gọi chung của các thiết bị ghi hình tĩnh hoặc động. Ghi hình tĩnh có thể nhắc đến các loại máy ảnh, và động ta có thể hình dung tới các loại máy quay phim. Thời đại cơng nghệ số thì 2 loại camera ghi hình tĩnh và động này đã được kết hợp làm một như ở camera điện thoại có thể vừa quay vừa chụp, các loại máy ảnh chuyên dụng cũng có thể quay phim (và thậm chí ngày nay chức năng quay phim trên các máy ảnh DSLR còn được dùng nhiều hơn máy quay chính thống do giá thành tốt hơn cùng tính linh động cao của nó). Với cách thức ghi hình của máy ảnh trong thời đại công nghệ số vốn được biết đến bằng việc hình ảnh được lưu vào một cảm biến điện tử thơng qua ống kính quang học, xử lý điện tử một cách phức tạp, và có độ nhạy sáng (ISO) linh động.
62 Ở hệ thống này, nhóm sử dụng một camera có khả năng phóng đại hay cịn gọi là kính hiển vi điện tử. Thiết bị này giúp phóng đại hình ảnh của vật thể lên nhiều lần mà vẫn đảm bảo được độ chi tiết của ảnh. Loại camera nhóm lựa chọn có tên gọi là
kính hiển vi điện tử 1000x 2.0MP.
Hình 3.25: Camera Bysameyee USB Digital Microscope 1000X
Một vài thông số của camera:
Cảm biến CMOS HD 0.3M (Digital 2M) Lấy nét bằng tay từ 0 ~ 200mm
Độ phân giải Video Capture: 640x480
Tốc độ khung hình: Max. 30f / s Dưới Độ sáng 600 Lux
Nguồn sáng: 8 LED ánh sáng trắng (với điều chỉnh điều khiển trên cáp USB) Tỉ lệ phóng đại: 1000X
Chuẩn giao tiếp: USB2.0 & USB1.1
3.3.3. Board mạch Mach 3
Mạch CNC BOB MACH3 USB sử dụng được với phần mềm điều khiển CNC Mach 3 của hãng ArtSoft USA trên máy tính thơng qua giao tiếp USB với chỉ một vài bước thiết lập đơn giản.
63 Mạch CNC BOB MACH3 USB có khả năng điều khiển 5 động cơ bước cùng lúc qua các ngõ cấp xung-chiều X, Y, Z, A, B, mạch cịn có khả năng nhận các ngõ vào tín hiệu IN1, IN2, IN3, IN4, IN5 và xuất tín hiệu qua các ngõ ra OUT1, OUT2, OUT3, OUT4, các ngõ tín hiệu vào ra này điều được cách ly qua Opto và IC đệm nên rất an toàn cho board mạch, ngồi ra mạch cịn có ngõ ra xuất xung PWM để điều khiển tốc độ Spindle.
Mạch CNC BOB MACH3 USB có giao tiếp USB rất dễ sử dụng với các máy tính hiện nay vì hầu hết khơng có cổng LPT, mạch kết nối với máy tính qua cổng USB, không cần cài Driver (Driver viết lớp HID), chỉ 1 vài bước thiết lập đơn giản là có thể sử dụng.
Lưu ý để xuất xung từ Mạch CNC BOB MACH3 USB sang Driver động cơ bước, cần nối dương chung 5V của mạch BOB với chân dương chung của mạch Driver để 2 board mạch có thể hiểu nhau.
64
3.3.4. Driver động cơ bước
Driver của động cơ bước là bộ phận giúp chuyển đổi xung tín hiệu từ bộ điều khiển trung tâm sang động cơ bước, nhằm vận hành động cơ bước. Trong một số trường hợp, driver động cơ bước còn đảm bảo cho động cơ bước vận hành chính xác vị trí thơng qua một vịng hồi tiếp (driver động cơ bước hồi tiếp vịng kín).
Với hai loại động bước đã chọn như ở bước tính tốn động cơ, nhóm lựa chọn sử dụng hai loại động cơ bước là driver HBS57 (hồi tiếp vịng kín) và driver DM542 (hồi tiếp vịng hở).
Thơng số kỹ thuật DM542:
Điện áp sử dụng: 20 ~ 50VDC Dòng điện ngõ ra tối đa: Max 4.2A
Các tùy chỉnh vi bước: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128; or 1/5, 1/10, 1/20, 1/25, 1/40, 1/50, 1/100, 1/125
Các tùy chỉnh dòng điện: 1.0A, 1.46A, 1.91A, 2.37A, 2.84A, 3.31A, 3.76A, 4.20A
Giảm độ nóng motor bằng cơng nghệ implementation of 3-state current control.
Xung điều khiển: PULSE/DIRECTION & CW/CCW
Tích hợp cơng nghệ tự động căn chỉnh phù hợp với động cơ. Tần số xung tối đa: 300 KHz
Tương thích mức tín hiệu TTL 5VDC và tích hợp Opto cách ly giao tiếp với mạch điều khiển
Automatic idle-current reduction
15 selectable resolutions, up to 25,000 steps/rev Sử dụng cho động cơ 2 Phase và 4 Phase
Bảo vệ Ngắn mạch, Q áp, dịng, nhiệt độ tích hợp Kích thước: 4.65 X 2.97 X 1.30 inches; 10 oz
65 Chứng nhận CE, ROHS
Thông số kỹ thuật driver HBS57:
32 –bit DSP dựa trên thuật toán điều khiển vector kết hợp lợi thế của ổ đĩa servo khơng chổi than bước vịng hở
Bước/ hướng hoặc lệnh đầu vào CW/ CCW Mặc định tần số tối đa 200K, 500 K tùy chọn Điện áp đầu vào 20-50DC
Tải dựa trên tự động điều chỉnh dòng điện từ 0 -8A
Mặc định độ phân giải vi bước 4000 (1/20), cấu hình phần mềm 200- 104000 (tăng 200)
Khơng bị mất bước. Vịng khép kín giữa các ổ đĩa và động cơ thúc đẩy để loại bỏ sự mất bước di chuyển trong hệ thống bước mở lặp Hoạt động trơn tru, động cơ sinh nhiệt ít hơn
Phản ứng nhanh, không chậm trễ và không mất thời gian cài đặt Mô – men xoắn cao khi khởi động và khi ở tốc độ trung bình thấp, độ
cứng cao ở trạng thái dừng
Chi phí thấp hơn nhiều so với các hệ thống servo truyền thống
3.3.5. Cơng tắc hành trình
Cơng tắc hành trình hay cịn gọi cơng tắc giới hạn hành trình là dạng cơng tắc dùng để giới hạn hành trình của các bộ phận chuyển động. Nó có cấu tạo như cơng tắc điện bình thường nhưng có thêm cần tác động để cho các bộ phận chuyển động tác động vào làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm bên trong nó. Cơng tắc hành trình là loại khơng duy trì trạng thái, khi khơng cịn tác động sẽ trở về vị trí ban đầu. Cơng tắc hành trình dùng để đóng cắt mạch dùng ở lưới điện hạ áp. Nó có tác dụng giống như nút ấn động tác ấn bằng tay được thay thế bằng động tác va chạm của các bộ phận cơ khí, làm cho q trình chuyển động cơ khí thành tín hiệu điện.
66 Dựa trên các tiêu chí về cơng năng, kích thước và giá thành, nhóm lựa chọn loại cơng tắc hành trình có mã KW11-N KW12 5a.
Hình 3.27: Cơng tắc hành trình KW11-N KW12 5a 3.3.6. Nguồn nuôi 3.3.6. Nguồn nuôi
Phần lớn các thiết bị trong hệ thống đều hoạt động với hiệu điện thế DC, do vậy cần một bộ chuyển đổi từ AC sang DC nhằm đảm bảo cung cấp đúng và đủ năng lượng cho hệ động hoạt động. Nguồn tổ ong được lựa chọn vì tính năng của nó đáp ứng được những yêu cầu kỹ thuật đã đặt ra cũng như tính sẵn có của nó. Dựa theo hiệu điện thế và công suất định mức của các thiết bị trong hệ thống, nhóm lựa chọn nguồn tổ ong 24VDC 240W.
67
3.3.7. Sơ đồ nguyên lý
68
3.4. Thiết kế thuật toán xử lý ảnh và điều khiển 3.4.1. Phân tích các đặc tính của ảnh 3.4.1. Phân tích các đặc tính của ảnh
Để có thể xây dựng thuật tốn cho q trình xử lý ảnh, nhóm đã tiến hành thu thập các mẫu ảnh ở nhiều thời điểm khác nhau nhằm tìm ra những đặc trưng riêng của đối tượng cần nhận diện (gọi tắt là đối tượng) – đường hàn.
Dựa trên những mẫu thu thập được, nhóm có các nhận định như sau:
- Độ tương phản: Do đặc tính phản xạ ánh sáng của bề mặt kim loại, nên khi dùng một nguồn sáng chiếu vng góc với bề mặt kim loại, ảnh thu nhận được có độ tương phản khá tốt giữa đối tượng và nền – bề mặt kim loại. Hình 3.24 bên dưới mơ tả vị trí đặt của camera, nguồn sáng và mẫu. Đây là một yếu tố khá quan trọng để ta có thể thu hẹp các điều kiện nhằm tìm ra vị trí của đối tượng trong khơng gian ảnh.
69
Hình 3.30: Ảnh mơ tả về độ tương phản
- Hình dạng của đối tượng: Hình dáng thực tế của đường hàn khơng có một quy luật cố định, có thể là một đường thẳng hoặc cũng có thể là một đường cong. Nhưng tại mỗi thời điểm, do vùng ảnh thu được có kích thước nhỏ, hình dạng của đối tượng là một đoạn thẳng dài khoảng 1cm trên ảnh. Điều này cũng giống như việc ta xấp xỉ đường cong thành nhiều đoạn thẳng nhỏ.
70
3.4.2. Xây dựng giải thuật cho xử lý ảnh
71 Sau khi hệ thống bắt đầu hoạt động, mẫu được chụp trực tiếp từ camera và lưu vào bộ nhớ hệ thống và xử lý ngay sau đó. Ở hệ thống này, ảnh được lưu trữ dưới dạng ảnh màu RGB với kích thước 640x480. Đồng thời với việc lưu trữ ảnh, hệ thống còn ghi nhận lại thời điểm ảnh được chụp, điều này có ý nghĩa rất quan trọng cho việc tái tạo lại biên dạng sau này. Tiếp đến, ảnh sẽ trải qua tiếp các quá trình xử lý:
Tiền xử lý ảnh: Đây là quá trình gồm các thao tác chuyển đổi ảnh xám, làm
mịn ảnh, tăng độ tương phản nhằm tăng chất lượng ảnh cho quá trình nhận dạng được nhanh và chính xác hơn.
Hình 3.32: Giải thuật tiền xử lý ảnh
Lấy khung xương (Skeletonization): Quá trình này tập trung vào việc tái tạo
72
Hình 3.33: Giải thuật lấy khung xương
Xác định đường hàn: Phân tích hình dạng để nhận biết chính xác đường hàn
73
Hình 3.34: Giải thuật xác định đường hàn
Xác định vị trí điểm lấy mẫu trên đường hàn: Q trình này nhằm trích xuất tọa độ các điểm trên đường hàn, từ đó ta có sẽ tái tạo lại quỹ đạo của đường hàn phục vụ cho mục đích điều khiển đầu hàn.
74
Hình 3.35: Giải thuật xác định vị trí lấy mẫu
Tính tốn vị trí của điểm trong khơng gian thực: Tọa độ của điểm trích
xuất được trong không gian ảnh sẽ được chuyển về tọa độ trong không gian thực (không gian làm việc của máy).
75
Hình 3.36: Giải thuật xác định vị trí đường hàn
Tạo lệnh G-Code và lưu trữ: Dựa trên tọa độ tính tốn được, một lệnh G- Code tương ứng sẽ được tạo ra. Tất cả các lệnh G-Code được tạo ra trong suốt quá trình xử lý ảnh (mỗi lần thực thi chương trình) sẽ được lưu trữ vào một tập tin (riêng) trên máy tính để tiện cho việc kiểm tra và lưu trữ.
3.4.3. Giải pháp điều khiển hệ thống
Mach 3 là một phần mềm của hãng Airsoft USA, giúp biến một máy vi tính cơ bản thành một bộ điều khiển máy CNC. Mach 3 cung cấp nhiều tiện ích cần có cho một bộ điều khiển CNC hoàn chỉnh.
Mach 3 hoạt động trên hầu hết các máy vi tính cá nhân sử dụng hệ điều hành