Cáp giao tiếp giữa HMI và CPU: Chọn cáp truyền thông RS-485 giao tiếp được giữa HMI với PLC dịng Fx3U. Nhóm chọn cáp GT01-C30R2-6P 3M.
Nguồn tổ ong: Bộ nguồn tổ ong 24VDC 20A được sử dụng để chuyển đổi điện áp từ xoay chiều 220VAC thành nguồn một chiều 24VDC để cung cấp cho các thiết bị điện hoạt động ở điện áp 24VDC. Bộ nguồn tổ ong DC 24V được sử dụng rộng rãi cho các thiết bị điện dân dụng và công nghiệp. Cấp nguồn cho sản phẩm như đèn Led trong ngành quảng cáo, thiết bị ngoại vi, điều khiển tự động. Trong đề tài này, nhóm dùng nguồn tổ ong để cấp nguồn cho cảm biến và màn hình HDMI, driver động cơ step.
Hình 3.23: Nguồn tổ ong 24V
3.4 Phần điện
CHƯƠNG 3:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.
Hình 3.25 Cấu trúc sơ đồ tín hiệu hệ thống
Chức năng của từng khối trong hệ thống như sau:
Khối nguồn: Khối nguồn gồm nguồn 220V cung cấp cho trạm PLC, cụm drive
servo và động cơ servo, nguồn tổ ong 24V cấp nguồn cho các cảm biến, nguồn 5V cấp nguồn cho cụm drive động cơ step.
Khối xử lý trung tâm: PLC MITSUBISHI FX3U nhận các tín hiệu vào từ cảm
biến và khối xử lý ảnh, sau đó xư lý tuần tự các câu lệnh để điều khiển khối động cơ .
Khối động cơ và drive : Gồm 2 động cơ servo HG-KR13 và servo drive tương
thích để điều khiển là MR-J3-10A, 2 động cơ step và 2 drive TB6600 4.5A . Drive MR-J3-10A nhận tín hiệu hồi tiếp về từ encoder của động cơ servo, tín hiệu kích hoạt các cảm biến gửi về khối xử lý trung tâm sau đó nhận lại tín hiệu điều khiển từ khối xử lý trung tâm, xuất tín hiệu điện điều khiển động cơ servo. Drive TB6600 nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm điều khiển động cơ step.
Khối cảm biến: Gồm 3 cảm biến chữ U Omron EE-SX671-WR sử dụng làm vị trí
Khối xử lý ảnh : Gồm Raspberry, camera, màn hình HDMI waveshare 7 inch.
Camera sẽ nhận diện sản phẩm gửi về Raspberry xử lý hình ảnh, sau đó Raspberry sẽ gửi tín hiệu cho PLC thơng qua module truyền thơng
Thiết kế tủ điện: Sau khi đã chọn được các linh kiện, thiết bị cần thiết, nhóm thiết kế tủ điện bằng phần mềm AutoCAD. Bố trí các thiết bị một cách hợp lý, thẩm mỹ, tuân theo các nguyên tắc về khoảng cách trong hướng dẫn sử dụng. Bản thiết kế được thể hiện đầy đủ trong phụ lục.
Mục đích sử dụng tủ điện để bảo quản các thiết bị khỏi bụi bặm, các tác động vật lý có thể xuất hiện ngồi môi trường, ảnh hưởng đến tuổi thọ của mơ hình.
Mặt trước của tủ điện có các đèn báo nút nhấn, bên trong gồm có PLC mitsubishi FX3U, nguồn tổ ong 24V, driver động cơ servo, driver động cơ step, ổ điện, domino, thanh tiếp địa, MCCB và relay trung gian.
CHƯƠNG 3:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.
Hình 3.27: Mặt trong của tủ điện
Xích luồn cáp: Khi hoạt động, trục 2 của mơ hình sẽ di chuyển trên trục 1, vì thế, các dây cáp encoder, cáp nguồn và cáp tín hiệu cảm biến cũng sẽ di chuyển theo. Nhóm dùng xích luồn dây để gom các dây này gọn lại với nhau, tránh vướng víu dẫn đến hư hỏng khi mơ hình hoạt động. Sau khi tính
CHƯƠNG 3:TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ.
toán số lượng và tiết diện các loại dây, nhóm quyết định chọn xích có kích thước 7x15mm cho việc luồn các dây cảm biến có tiết diện nhỏ và 10x20mm cho việc luồn cáp nguồn, cáp encoder và các dây cảm biến.
Mạch động lực:
Hình 3.29: Mạch dộng lực
Chương 4. Thi cơng hệ thống
CHƯƠNG 4. THI CƠNG HỆ THỐNG
Sau khi đã hồn thành các bước tính tốn thiết kế thì nhóm sẽ tiến hành thi cơng hệ thống. Nội dung chương này gồm các bước thi cơng phần cơ khí và phần điện, sau đó xây dựng lưu đồ giải thuật cho hệ thống của mình.
4.1 Phần cứng
4.1.1. Phần cơ khí
Sau khi đặt gia cơng cơ khí các chi tiết đã thiết kế, nhóm tiến hành lắp ráp các chi tiết thành mơ hình hồn chỉnh. Các chi tiết được cố định với nhau bằng vít lục giác để tăng độ chắc chắn và thẩm mỹ.
Bước 1: Lắp động cơ servo vào trục vitme.
Hình 4.1: Kết nối động cơ vào trục vitme
Hình 4.2: Bộ trục X-Y
Bước 3: Gắn động cơ step điều khiển cục in vào trục Z
Chương 4. Thi cơng hệ thống
Hình 4.4: Gắn trục cố định đường chạy trục Z không bị rung lắc
Bước 4: Gắn động cơ step có hộp giảm tốc
Bước 5: Gắn camera và Raspberry với các thiết bị.
Hình 4.6: Gắn Camera
Hình 4.7: Raspberry kết nối các thiết bị
Chương 4. Thi công hệ thống
Hình 4.8: Băng tải
Bước 7: Hồn thành thi cơng phần cơ khí cho mơ hình.
4.1.2. Phần điện
Bước 1: Lắp các thiết bị ta đã chọn và thiết kế ở chương 3 vào trong tủ điện theo
thiết kế. Đi máng điện xung quanh và ở giữa các thiết bị.
Bước 2: Hàn cáp tín hiệu, cáp nguồn, cáp encoder vào các connector theo sơ đồ
chân trong hướng dẫn sử dụng.
Bước 3: Đi dây tủ điện theo bản vẽ đã thiết kế.
Bước 4: Dùng đồng hồ VOM đo thông mạch, đảm bảo đã nối dây theo đúng bản
vẽ, không ngắn mạch.
Bước 5: Luồn các dây cáp tín hiệu, cáp nguồn, cáp encoder vào xích, quấn ruột
gà ở những vị trí lộ dây phía ngồi tủ điện để tăng thẩm mỹ.
Chương 4. Thi cơng hệ thống
Hình 4.10 Tủ điện sau khi đã đi dây xong
Chương 4. Thi công hệ thống
4.2 Mơ tả hoạt động của mơ hình và giải thuật điều khiển
4.2.1. Mơ tả hoạt động
Khi có sản phẩm đi vào trên băng tải camera sẽ thu thập hình ảnh của sản phẩm và tuyền dữ liệu về khối xử lý ảnh. Tại đây khối xử lý ảnh sẽ phân tích tính tốn vị trí của sản phẩm và xác định đúng vi trí cần in và cũng hiện thị hình ảnh của sản phẩm ra ngồi màn hình giám sát. Mỗi loại sản phẩm thì có những vị trí in khác nhau, và sản phẩm cũng khơng nằm theo 1 vị trí cố định mà nằm ở nhiều vị trí khác nhau vì vậy hệ thống cần phải xác định đúng loại và in chính xác lên vị trí cần in. Trong q trình in băng tải khơng dừng lại để in mà sẽ chạy bình thường địi hỏi quá trình in ấn phải đồng bộ với băng tải
Khối xử ảnh sau khi xử lý xong sẽ gửi dữ liệu xuống PLC để điều khiển các trục và in lên sản phẩm
Hình 4.13 Lưu đồ giải thuật
Chương 4. Thi cơng hệ thống
Hình 4.15 Lưu đồ giải thuật(tt)
Xử dụng thư viện mã nguồn mở OpenCV để xử lý ảnh bằng cách gọi các hàm có sẵn trong thư viện với mục đích như sau:
np.rad2deg radian sang độ
cv2.getRotationMatrix2 Xác định tâm góc xoay
cv2.VideoCapture bắt video
cap.read hiển thị ảnh vừa chụp
cv2.inRange tạo khung
Hình 4.16 Chương trình xử lý ảnh 4.2.3. Thiết kế giao diện HMI
GT Designer3 là phầm mềm hỗ trợ cho người lập trình thiết kế giao diện màn hình HMI trên máy tính. Sau đó, thực hiện việc đổ chương trình đã thiết kế từ PC vào HMI để vận hành. Ngồi ra, GT Designer cịn cho phép import dữ liệu có sẵn trên HMI vào máy tính để chỉnh sửa hoặc import từ một project khác.
Màn hình hiển thị trên GS2110-wtbd được tạo ra trên máy tính nhờ phần mềm chuyên dụng GT Designer3.
Chương 4. Thi công hệ thống
Khởi động phần mềm GT Designer3-> New hoặc bấm tổ hợp phím Ctrl + N để tạo project mới, xuất hiện hộp thoại New Project Wizard.
Trong hộp thoại New Project Wizard ta chọn Series, GOT Type, Model, …cho phù họp với HMI mà mình sử dụng sau đó bấm Next.
Hình 4.17 Hộp thoại New Project Wizard
Sau đó sẽ xuất hiện hộp thoại New Project Wizard(Confirmation) để ta kiểm tra lại thơng tin về màn hình HMI mà ta chọn, sau khi kiểm tra chính xác ta nhấn Next.
Sau đó hộp thoại New Project Wizard sẽ nhảy đến dòng Communication, trong hộp thoại này ta tiến hành chọn hãng và dòng PLC để điều khiển sau khi chọn xong ta nhấn Next để tiếp tục bước tiếp theo.
Hình 4.18 Hộp thoại New Project Wizard (Communication)
Tiếp theo trong hộp thoại New Project Wizard (Communication/(I/F)) ta chọn kiểu kết nối giữa HMI và PLC cho phù hợp.
Chương 4. Thi cơng hệ thống
Hình 4.19 Hộp thoại New Project Wizard (Communication/(I/F))
Sau khi chọn kiểu kết nối xong ta nhấn Next cho các bước tiếp theo cho đến khi xuất hiện trang cuối của hộp thoại New Project Wizard (như hình bên dưới) ta tiến hành kiểm tra lại hết các thơng tin, sau khi kiểm tra đã chính xác ta nhấn vào Finish để kết thúc q trình tạo Project mới và sau đó ta tiến hành thiết kế màn hình HMI theo như ý muốn.
Hình 4.20 Cửa sổ cuối hộp thoại New Project Wizard
Sau đây là màn hình HMI mà nhóm đã thiết kế, với u cầu thể hiện đầy đủ thông tin cần giám sát, giao diện trực quan, dễ giám sát, cảnh báo các trường hợp vận hành lỗi của hệ thống. HMI nhóm thiết kế bao gồm các trang sau:
Màn hình setup
Màn hình giới thiệu bao gồm các thơng số vị trí của các trục và gốc tọa độ Home để giám sát hệ thống.
Chương 4. Thi cơng hệ thống
Hình 4.21 Màn hình setup
Màn hình Giám sát và vận hành
Màn hình Manual
Hình 4.23 Màn hình Manual
Chương 4. Thi cơng hệ thống
CHƯƠNG 5. KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Nội dung chương này trình bày kết quả đạt được sau khi hồn thành việc thi cơng mơ hình và tiến hành chạy thực nghiệm. Nhóm đưa ra hình ảnh kết quả của hệ thống và bảng thống kê qua đó thấy được tỉ lệ chính xác của hệ thống.
5.1 Kết quả
Sau thời gian tìm hiểu, nghiên cứu các tài liệu chuyên ngành, cẩm nang hướng dẫn từ nhà sản xuất bằng tiếng việt cũng như tiếng anh, tìm hiểu thêm qua mạng internet, tổng hợp các kiến thức đã được học suốt 4 năm cũng như được sự giúp đỡ tận tình của giáo viên hướng dẫn, nhóm chúng em đã cơ bản hoàn thành được đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, thi cơng, mơ hình in logo động” và đạt được kết quả như sau:
5.1.1. Mơ hình
Phần cứng: hệ thống vận hành ổn định khơng có lỗi xảy ra trên phần cứng khi vận hành
Hình 5.2: Tủ điện
- Phần mềm : hệ xác định vị trí cũng như góc lệch cần in
Hình 5.3: Tọa độ vị trí vật trên băng tải qua màn hình HDMI
Hình 5.4: Xác định tọa độ ví trí của vật trên HMI
Phần điều khiển: Nhóm thực hiện điều khiển được:
Chạy Manual, vận hành tự động được hệ thống.
Xử lý ảnh nhận đúng được tọa độ, ví trí cũng như góc lệch của phơi trên băng tải.
Đồng bộ trục X theo băng tải, Tính tốn in đúng vị trí khi băng tải hoạt động.
5.1.2. Kết quả thực nghiệm.
Kết quả khi in sản phẩm nằm ở ác vị trí khác nhau trên băng tải ( chiều góc quay ngược chiều kim đồng hồ )
Sản phẩm nằm ở góc 47 độ
Sản phẩm nằm ở góc 220 độ
Sản phẩm nằm ở góc 136 độ
Sản phẩm nằm ở góc 6 độ
Hình 5.5: Sản phẩm đã in
Bảng thống kê qua nhiều lần chạy ( vị trí góc lệch được lấy khách quan và giao động trong khoảng ± 5 độ vì lúc đặt sản phẩm là tương đối )
Góc lệch sản phẩm (10 lần in) In đúng vị trí In sai vị trí Tỉ lệ (%) Hình ảnh 45 độ 8 2 80
90 độ 9 1 90
315 độ 9 1 90
Bảng 5.1 : Bảng thống kê kết quả
5.2 Nhận xét, đánh giá
Sau khi thực nghiệm mơ hình, nhóm rút ra được các ưu, nhược điểm sau:
5.2.1. Về phần cứng
Ưu điểm:
Mơ hình có phần khung chắc chắn, có tính bền vững cao.
Các sai số xuất phát từ cơ học được giảm đến mức thấp nhất. Sai số được xác định một cách tương đối bằng mắt thường, encoder.
Dây cáp, dây tín hiệu được đi gọn gàng.
Các thiết bị điều khiển được đặt trong tủ điện nên hạn chế các tác nhân từ môi trường ảnh hưởng đến tuổi thọ mơ hình.
Nhược điểm:
Băng tải là động cơ DC 24V nên cịn sai số, qn tính khơng cố định.
Trục vitme khơng có che đậy, cần phải bảo trì định kỳ.
Trục Z chưa được tuyệt đối đồng tâm dẫn đến sai số.
Ưu điểm:
Thực hiện tốt, tương đối ổn định các yêu cầu điều khiển đặt ra.
Nhược điểm:
Khó xác định được sai số chính xác khi hệ thống vận hành với tốc độ cao.
CHƯƠNG 6. KẾT LUẬN, HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Chương này sẽ trình bày kết luận những gì nhóm đã làm được sau khi thực hiện đề tài. Từ đó đưa ra hướng phát triển nhằm khắc phục những hạn chế và nâng cao yêu cầu điều khiển hơn nữa.
6.1 Kết luận.
Sau khi thi cơng mơ hình in logo động và chạy thực nghiệm nhóm đạt được mục tiêu đặt ra ban đầu.
Phần cơ khí : các trục X,Y,Z liên kết với nhau chắc chắn không xảy ra lỗi trong quá trình hoạt động. Đồng bộ được chuyển động của các trục với băng tải, không làm gián đoạn chuyển động của tải trong quá trình in.
Phần điện: các thiết bị điện được bố trí hợp lý trong tủ điện, đi dây gọn gàng, không mất thẩm mỹ, dây dẫn điện được chọn phù hợp không xảy ra sự cố, dây tín hiệu đảm bảo tốc độ truyền nhận dữ liệu. Các nút nhấn được bố trí hợp lý kết hợp với đèn báo làm dễ dàng trong việc vận hành.
Phần mềm: đã xây dựng được chương trình xử lý ảnh và truyền nhận dữ liệu dữ liệu với PLC một cách chính xác.
Sau khi chạy thực nghiệm nhiều lần nhóm có lập bảng thống kê kết quả trình bày ở chương 5. Độ chính xác in trên sản phẩm và góc xoay tương đối chính xác ( khoảng 90%).
Tốc độ in giữa các sản phẩm là 6 giây.
6.2 Hướng phát triển
6.2.1. Khắc phục hạn chế
Mơ hình có thể tối ưu hơn nữa bằng cách khắc phục băng tải ổn định. Tìm cách xác định sai số bằng phần mềm.
Nâng cao độ chính xác
6.2.2. Nâng cao yêu cầu điều khiển
Tốc độ in giữa các phơi nhanh hơn, độ chính xác cao hơn ( Có thể thay động cơ step thành servo,…) Đếm số lượng sản phẩm…
Phát triển thành các hệ thống in áo quần áo, sản phẩm, giấy tờ,..
[1] https://kipalog.com/posts/Cac-he-mau-trong-xu-ly-anh
[2] https://topdev.vn/blog/opencv-la-gi-hoc-computer-vision-khong-kho/
[3] https://ictvietnam.vn/raspberry-pi-4-dong-san-pham-gia-re-se-thong-tri-thi-truong-