TÓM TẮT ĐỀ TÀI Để thực hiện đề tài nhóm đã tìm hiểu các hệ thống in logo thực tế đang được sử dụng và từ đó xác định tính thiết yếu, mục tiêu mà mình cần phải làm cho mô hình của mình. Bằng với những kiến thức đã học trên trường, trên internet và dưới sự hướng dẫn của thầy cô nhóm đã hoàn thành “mô hình in logo động”. Mô hình bao gồm phần cơ khí và phần điện. Phần cơ khí được thiết kế gồm có: • 3 trục X,Y,Z trong đó trục X đỡ trục Y và chuyển động dọc theo băng tải, trục Y đỡ trục Z chuyển động vuông góc với chuyển động của băng tải, trục Z được gắn 2 động cơ. Một động cơ tạo chuyển động cho trục Z, một động cơ được gắn cục in để điều chỉnh góc in. • Băng tải • Động cơ • Các thiết bị như: PLC Mitsubishi Fx3U đóng vai trò là trung tâm điều khiển của hệ thống, camera và raspberry có nhiệm vụ thu thập và xử lý hình ảnh… • Phần điện được thiết kế gồm có tủ điện và hệ thống dây dẫn điện cấp nguồn cho mô hình và dây tín hiệu. Phần mềm : Với phần cứng như trên kết hợp với phần mềm mô hình đã hoàn thành đáp ứng được mục tiêu đề ra là in logo đúng vị trí cần in dù cho sản phẩm có nằm bất kì vị trí nào trên đầu vào băng tải mà không làm gián đoạn chuyển động của băng tải. CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN Trong chương này sẽ trình bày lý do vì sao nhóm thực hiện đề tài này. Đặt ra các mục tiêu phải hoàn thành và trình bày khái quát nội dung đề tài mà mình thực hiện. 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay trên mỗi sản phẩm đều có logo thương hiệu trên bao bì. Trước kia công đoạn này thường được thực hiện bằng tay nhưng sau này hệ thống sản xuất tự động, máy móc ngày càng phát triển, dần thay thế con người trong các khâu sản xuất của một dây truyền trong đó có cả khâu in logo sản phẩm. Khi chúng ta phải in bằng tay, phải tốn 1 nhân công cho việc này một vài vẫn đề được đặt ra là tại sao chúng ta không tự động hóa khâu in logo này, sử dụng máy móc để thay thế con người. Nó đã được tự động hóa, đã thay con người làm việc đó nhưng rồi ta thấy rằng mỗi lần in là băng tải lại dừng. Mỗi lần dừng lại như vậy là mất một khoảng thời gian. Vậy tại sao mình không làm một hệ thống có thể in mà không làm dán đoạn chuyển động băng tải vừa tiết kiệm được nhân công, tiết kiệm thời gian, tăng số lượng sản phẩm. Nếu có một hệ thống in logo như vậy rồi thì liệu nó có hoạt động êm ái không, in có chính xác không, thực sự có tiết kiệm được thời gian không, tốc độ in có nhanh không. Hệ thống đó được thiết kế như thế nào, sử dụng những thiết bị gì để làm việc đó và quan trọng nhất là có hiệu quả như thế nào khi được đưa vào sử dụng. Xuất phát từ nhu cầu trên nhóm đã quyết định thực hiện để tài: “Thiết kế, thi công mô hình in logo động.” 1.2 Mục tiêu đề tài • Thiết kế phần cơ khí và phần điện để mô hình hoạt động tốt. • Xây dựng chương trình xử lý ảnh để mô hình có thể in chính xác vị trí cần in trên sản phẩm dù cho sản phẩm có nằm bất kì trên đầu vào của băng tải. • Không làm gián đoạn chuyển động của băng tải. • Mỗi phút phải in ít nhất 10 sản phẩm (6s1 sản phẩm) 1.3 Nội dung đề tài Đề tài “Thiết kế, thi công mô hình in logo động ” bao gồm các chương sau: • Chương 1: Tổng quan Chương này trình bày đặt vấn đề dẫn nhập, lý do chọn đề tài, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, các giới hạn thông số và bố cục đồ án. • Chương 2: Cơ sở lý thuyết Chương này trình bày về phương pháp xử lý, giới thiệu sơ lược về PLC mitsubishi FX3U, động cơ servo, động cơ step, raspberry. • Chương 3: Tính toán và thiết kế Trình bày yêu cầu thiết kế của hệ thống để từ đó lựa chọn, bố trí thiết bị cho phù hợp với yêu cầu. • Chương 4: Thi công hệ thống Chương này trình bày kết quả thi công phần cứng, mô tả giải thuật, chương trình điều khiển. • Chương 5: Kết quả nhận xét đánh giá Trình bày kết quả và nhận xét đánh giá kết quả đạt được. • Chương 6: Kết luận và hướng phát triển Kết luận chung về ưu điểm và hạn chế của đề tài, khẳng định những kết quả đóng góp đạt được, đề xuất ý kiến để cải thiện khuyết điểm và định hướng phát triển. 1.4 Giới hạn đề tài • Chỉ là mô hình • Hình dạng phôi cố định • Chỉ in trên chất liệu giấy • Xử dụng thư viện OpenCV để xử lý ảnh • Vị trí cần in của phôi là kí tự chữ U màu đỏ, và phôi có kích thước chiều dài nhỏ hơn 20cm. derwsefddf
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Ngày nay, logo thương hiệu là một phần không thể thiếu trên bao bì sản phẩm Trước đây, việc in logo thường được thực hiện bằng tay, nhưng với sự phát triển của công nghệ, quy trình này đã được tự động hóa, giúp thay thế con người trong sản xuất Tuy nhiên, việc in logo vẫn gặp phải vấn đề khi băng tải dừng lại, gây lãng phí thời gian và nhân công Do đó, cần thiết phải phát triển một hệ thống in logo liên tục mà không làm gián đoạn quá trình sản xuất, từ đó tiết kiệm thời gian và tăng năng suất Những câu hỏi về hiệu quả, độ chính xác và tốc độ in của hệ thống này cũng cần được giải đáp Xuất phát từ nhu cầu đó, nhóm đã quyết định thực hiện đề tài: “Thiết kế, thi công mô hình in logo động.”
Mục tiêu đề tài
Thiết kế phần cơ khí và phần điện để mô hình hoạt động tốt
Xây dựng chương trình xử lý ảnh giúp mô hình in chính xác vị trí cần in trên sản phẩm, bất kể sản phẩm đó được đặt ở đâu trên băng tải.
Không làm gián đoạn chuyển động của băng tải.
Nội dung đề tài
Đề tài “ Thiết kế, thi công mô hình in logo động ” bao gồm các chương sau:
Chương này giới thiệu vấn đề nghiên cứu, nêu rõ lý do lựa chọn đề tài, xác định mục tiêu và nội dung nghiên cứu, đồng thời trình bày các giới hạn về thông số cũng như cấu trúc của đồ án.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này trình bày về phương pháp xử lý, giới thiệu sơ lược về PLC mitsubishi FX3U, động cơ servo, động cơ step, raspberry
Chương 3: Tính toán và thiết kế
Trình bày yêu cầu thiết kế của hệ thống để từ đó lựa chọn, bố trí thiết bị cho phù hợp với yêu cầu.
Chương 4: Thi công hệ thống
Chương này trình bày kết quả thi công phần cứng, mô tả giải thuật, chương trình điều khiển.
Chương 5: Kết quả - nhận xét - đánh giá
Trình bày kết quả và nhận xét đánh giá kết quả đạt được.
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển
Kết luận về ưu điểm và hạn chế của đề tài cho thấy những đóng góp quan trọng đã đạt được Đồng thời, cần đề xuất các giải pháp nhằm khắc phục những khuyết điểm hiện có và đưa ra định hướng phát triển trong tương lai.
Giới hạn đề tài
Hình dạng phôi cố định
Chỉ in trên chất liệu giấy
Xử dụng thư viện OpenCV để xử lý ảnh
Vị trí cần in của phôi là kí tự chữ U màu đỏ, và phôi có kích thước chiều dài nhỏ hơn 20cm
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Phương pháp xử lý ảnh
Xử lý ảnh liên quan đến khái niệm ảnh như một tập hợp các điểm ảnh, trong đó mỗi điểm ảnh đại diện cho cường độ sáng hoặc một đặc trưng tại một vị trí cụ thể của đối tượng trong không gian Điểm ảnh được coi là dấu hiệu hoặc cường độ sáng tại một tọa độ nhất định, và ảnh tổng thể là sự kết hợp của các điểm ảnh này.
Mức xám là giá trị màu sắc của các điểm ảnh, đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý hình ảnh Quy trình xử lý ảnh bao gồm nhiều bước khác nhau, và hình dưới đây minh họa các bước cơ bản trong quá trình này.
Quá trình xử lý ảnh bắt đầu bằng bước thu nhận ảnh, quyết định đến chất lượng của phân tích hình ảnh Ảnh đầu vào được thu nhận từ các thiết bị như camera, cảm biến hoặc máy scanner và sau đó được số hóa Việc lựa chọn thiết bị thu nhận phụ thuộc vào đặc tính của đối tượng cần xử lý, với các thông số quan trọng như độ phân giải, chất lượng màu, dung lượng bộ nhớ và tốc độ thu nhận Ảnh có thể được thu qua camera màu hoặc đen trắng, thường là ảnh tương tự từ camera chuẩn CCIR với tần số 1/25, hoặc từ camera đã số hóa như CCD Chất lượng ảnh thu nhận được còn phụ thuộc vào thiết bị và môi trường ánh sáng.
Sau khi thu nhận, ảnh có thể gặp phải tình trạng nhiễu và độ tương phản thấp, do đó cần được đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất lượng Bộ tiền xử lý có chức năng chính là lọc nhiễu và tăng cường độ tương phản, giúp ảnh trở nên rõ nét hơn Trong bước này, ảnh sẽ được cải thiện về độ tương phản, khử nhiễu, khử bóng và khử độ lệch, nhằm nâng cao chất lượng tổng thể, chuẩn bị cho các bước xử lý phức tạp hơn trong quá trình xử lý ảnh Quá trình này thường được thực hiện bằng cách sử dụng các bộ lọc chuyên dụng.
Phân đoạn ảnh là bước quan trọng trong XLA, phân tích ảnh thành các thành phần có tính chất tương đồng dựa trên biên hoặc vùng liên thông, với tiêu chuẩn như màu sắc hoặc mức xám Mục tiêu của phân đoạn ảnh là tạo ra một mô tả tổng quát về các phần tử trong ảnh thô, giúp giảm bớt lượng thông tin khổng lồ mà ảnh chứa Quá trình này bao gồm việc phân vùng ảnh và trích chọn đặc tính chủ yếu, tách ảnh đầu vào thành các vùng để phục vụ cho việc phân tích và nhận dạng Ví dụ, để nhận diện chữ hoặc mã vạch trên phong bì, cần chia các thông tin thành từng từ, chữ, số riêng biệt Đây là giai đoạn phức tạp và dễ gây lỗi, ảnh hưởng lớn đến độ chính xác của kết quả nhận dạng ảnh.
Kết quả phân đoạn ảnh thường dưới dạng dữ liệu điểm ảnh thô, chứa biên hoặc tập hợp điểm ảnh của vùng ảnh Việc chuyển đổi dữ liệu này thành dạng phù hợp cho xử lý máy tính là cần thiết Câu hỏi quan trọng là nên biểu diễn vùng ảnh dưới dạng biên hay vùng hoàn chỉnh Biểu diễn dạng biên phù hợp với ứng dụng chú trọng đặc trưng hình dạng bên ngoài, như góc cạnh và điểm uốn, trong khi biểu diễn dạng vùng thích hợp cho việc khai thác tính chất bên trong như vân ảnh hay cấu trúc xương Lựa chọn cách biểu diễn phù hợp chỉ là một phần trong quá trình chuyển đổi dữ liệu thô, và cần có phương pháp mô tả để làm nổi bật các tính chất quan trọng, thuận tiện cho xử lý sau này.
Nhận dạng và giải thích
Nhận dạng ảnh là quá trình xác định hình ảnh bằng cách so sánh với mẫu chuẩn đã được học trước đó Nội suy là việc phán đoán dựa trên kết quả nhận dạng, chẳng hạn như việc chuyển đổi các chữ số và nét gạch ngang trên phong bì thành mã điện thoại Có nhiều phương pháp phân loại ảnh, trong đó nhận dạng ảnh được chia thành hai loại cơ bản: nhận dạng theo tham số và nhận dạng theo cấu trúc Hiện nay, nhiều ứng dụng của nhận dạng ảnh đang được áp dụng rộng rãi trong khoa học và công nghệ.
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT nghệ là: nhận dạng ký tự (chữ in, chữ viết tay, chữký điện tử), nhận dạng văn bản (Text), nhận dạng vân tay, nhận dạng mã vạch, nhận dạng mặt người…
Ba thuộc tính chính của màu sắc bao gồm màu (Hue), độ bão hòa màu (Saturation) và độ sáng (Intensity) Trong xử lý ảnh, mô hình màu là một chỉ số kỹ thuật của hệ tọa độ màu ba chiều, bao gồm tập hợp các màu nhỏ có thể nhìn thấy trong các hệ màu đặc trưng như RGB và HSV Mục tiêu của các mô hình màu là thiết lập các chỉ số kỹ thuật quy ước cho phép so sánh và phối hợp màu sắc giữa các gam màu khác nhau.
RGB là không gian màu phổ biến trong các thiết bị kỹ thuật số như máy tính, máy ảnh và điện thoại Không gian màu này tương tự cách mà mắt người nhận diện màu sắc, dựa trên ba màu cơ bản: đỏ (R), xanh lục (G) và xanh lam (B) để tạo ra mọi màu sắc khác.
Mô hình màu 24 bit sử dụng 8 bit cho mỗi kênh màu, với giá trị R, G, B nằm trong khoảng 0 - 255, cho phép tạo ra tối đa 16,581,375 màu sắc khác nhau Mỗi điểm ảnh được biểu diễn bằng bộ ba số này, mỗi số thể hiện cường độ của một màu Các thư viện như matplotlib và Pillow đọc ảnh theo định dạng RGB, trong khi OpenCV lại sử dụng định dạng BGR.
Không gian màu HSV (còn gọi là HSB) là một cách tự nhiên hơn để mô tả màu sắc, dựa trên 3 số liệu:
S: (Saturation) Độ bão hòa màu
B (hay V): (Bright hay Value) Độ sáng
Hệ thống tọa độ màu sắc được mô tả dưới dạng hình trụ, với phần không gian bên trong được xác định bởi hình chóp sáu cạnh Đỉnh của hình chóp này chứa mối quan hệ giữa các màu sáng, trong đó tất cả màu sắc trên mặt phẳng với V=1 đều là màu sáng Sắc màu (hue) được đo bằng góc quanh trục đứng, với màu đỏ là 0°, màu lục là 120° và màu lam là 240° Các màu bổ sung nằm ở vị trí 180° đối diện với màu tương ứng Giá trị của độ sáng (S) dao động từ 0 tại trục tâm (trục V) đến 1 tại đỉnh của hình chóp, trong khi độ bão hòa được đo tương đối cho từng gam màu trong mô hình màu này.
Mô hình màu hình chóp sáu cạnh có đỉnh tại điểm gốc tọa độ (0,0) với màu đen tại đỉnh có giá trị V=0 Tại các điểm này, giá trị H và S không liên quan Điểm có S=0 và V=1 tương ứng với màu trắng, trong khi các giá trị trung gian của V với S=0 (trên đường thẳng qua tâm) tạo ra các màu xám Khi S=0, giá trị H phụ thuộc vào các quy ước không xác định, nhưng khi S khác 0, giá trị của H sẽ có sự phụ thuộc rõ ràng.
Một màu sắc với giá trị V=1 và S=1 tương tự như màu thuần khiết trong mỹ thuật, được coi là điểm khởi đầu cho các màu pha khác Bằng cách thêm màu trắng, chúng ta có thể giảm S mà không làm thay đổi V, tạo ra sự thay đổi về sắc thái của gam màu Sự chuyển màu được thực hiện bằng cách giữ S=1 và giảm V, dẫn đến sự thay đổi về sắc độ và tông màu nhờ vào việc điều chỉnh cả hai yếu tố S và V.
Nhóm sẽ chuyển đổi màu ảnh sản phẩm từ hệ RGB sang hệ HSV để xử lý ảnh hiệu quả hơn Để thực hiện điều này, chúng tôi sẽ sử dụng OpenCV, thư viện mã nguồn mở hàng đầu trong lĩnh vực Computer Vision và Machine Learning, được ứng dụng rộng rãi.
Giới thiệu chung về PLC
PLC (Bộ điều khiển logic lập trình) là thiết bị điều khiển linh hoạt, cho phép thực hiện các thuật toán điều khiển logic thông qua ngôn ngữ lập trình, được thiết kế để hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp Người dùng có thể lập trình PLC để thực hiện nhiều trình tự sự kiện khác nhau Về cơ bản, PLC bao gồm ba bộ phận chính.
Khối vào bao gồm hai loại ngõ vào chính: ngõ vào số (DI) và ngõ vào tương tự (AI) Ngõ vào DI kết nối với các thiết bị phát tín hiệu nhị phân như công tắc, nút nhấn và cảm biến tiệm cận Ngược lại, ngõ vào AI kết nối với các thiết bị tạo ra tín hiệu liên tục, chẳng hạn như cảm biến áp suất, nhiệt độ và độ ẩm Quá trình chuyển đổi ADC sẽ biến đổi các tín hiệu liên tục từ dạng điện áp hoặc dòng điện thành các giá trị số, sau đó gửi về bộ xử lý để thực hiện các bước xử lý tiếp theo.
Bộ xử lý trung tâm (CPU) là bộ não của PLC, quyết định tốc độ xử lý và khả năng điều khiển của nó CPU thực hiện việc đọc và kiểm tra chương trình lưu trữ trong bộ nhớ, tiếp nhận tín hiệu từ khối vào, sau đó xử lý và xuất tín hiệu đến khối ra.
Khối ra (Output) trong hệ thống PLC bao gồm hai loại ngõ ra chính: ngõ ra số DO (Digital Output) và ngõ ra tương tự AO (Analog Output) Ngõ ra DO được sử dụng để kết nối với các cơ cấu chấp hành điều khiển theo nguyên tắc bật/tắt, như đèn báo, chuông, và rơ le Trong khi đó, ngõ ra AO kết nối với các thiết bị yêu cầu tín hiệu điều khiển liên tục, chẳng hạn như biến tần, van tuyến tính, và bộ gia nhiệt PLC mang lại nhiều ưu điểm vượt trội so với mạch tiếp điểm truyền thống, giúp tối ưu hóa hiệu suất và tính linh hoạt trong điều khiển.
Khả năng điều khiển chương trình linh hoạt Khi cần thay đổi yêu cầu, đối tượng điều khiển chỉ cần thay đổi chương trình thông qua việc lập trình.
PLC cung cấp một số lượng lớn Timer và Counter, đồng thời hỗ trợ nhiều khối hàm chuyên dụng như phát xung tốc độ cao, bộ đếm tốc độ cao và bộ điều khiển PID.
Tiết kiệm thời gian nối dây, mạch điều khiển lúc này đã được thay thế hoàn toàn bằng chương trình PLC.
Cấu trúc module của PLC mang lại tính linh hoạt cao, cho phép người dùng lựa chọn các module cần thiết theo yêu cầu điều khiển hiện tại, từ đó tiết kiệm chi phí Hệ thống này cũng giúp việc mở rộng quy mô điều khiển trở nên đơn giản và tiết kiệm, mà không cần đầu tư vào CPU mới.
Khả năng truyền thông và kết nối với máy tính hoặc các PLC khác là yếu tố quan trọng để đáp ứng nhu cầu điều khiển và giám sát từ xa, đồng thời hỗ trợ việc xây dựng hệ thống SCADA hiệu quả.
Hoạt động với độ tin cậy cao, tuổi thọ cao, chống nhiễu tốt trong môi trường công nghiệp.
Nhược điểm của PLC là giá thành cao, khiến hiệu quả kinh tế không cao đối với các hệ thống đơn giản có thể điều khiển bằng bộ điều khiển tiếp điểm Hơn nữa, việc sử dụng PLC cũng đòi hỏi người mới bắt đầu cần có kiến thức lập trình chuyên môn.
PLC đã trở thành lựa chọn ưu việt, thay thế hệ thống điều khiển tiếp điểm truyền thống trong các nhà máy và dây chuyền công nghệ Sự chuyển đổi này không chỉ nâng cao độ tin cậy và hiệu quả của hệ thống, mà còn giúp tiết kiệm nhân công và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.
Hình 2.4: Cấu trúc cơ bản của PLC
Động cơ servo
2.3.1 Giới thiệu động cơ servo
Trong kỹ thuật điều khiển, cơ cấu servo là thiết bị tự động sử dụng thông tin phản hồi để điều chỉnh hành động, giúp kiểm soát vị trí, tốc độ và các thông số khác trong hệ thống điều khiển vòng kín Cơ cấu này thường bao gồm bộ mã hóa (encoder) để đảm bảo đầu ra đạt hiệu quả mong muốn Động cơ servo, kết hợp với encoder và được điều khiển bởi drive, đọc tín hiệu hồi tiếp để điều chỉnh tốc độ, mô-men xoắn và vị trí Đặc biệt, động cơ servo có khả năng giữ vị trí hiện tại khi không có tín hiệu điều khiển, và sẽ tự động trở về vị trí ban đầu khi có tác động bên ngoài làm thay đổi vị trí.
Động cơ AC servo, đặc biệt là AC servo đồng bộ, không cần bảo trì và phù hợp với các ứng dụng yêu cầu độ sạch cao Chúng có momen xoắn lớn, thiết kế nhỏ gọn, nhẹ và hiệu suất vượt trội, đặc biệt hiệu quả cho các ứng dụng công suất thấp Tuy nhiên, nhược điểm của động cơ AC servo là hệ thống điều khiển phức tạp hơn so với động cơ DC servo, đòi hỏi phải có phản hồi giữa động cơ và bộ điều khiển servo.
Hình 2.5: Cấu tạo động cơ AC servo đồng bộ
AC Servo có khả năng thực hiện ba loại điều khiển: điều khiển vị trí, điều khiển tốc độ, điều khiển momen
AC Servo có khả năng điều khiển vị trí với độ chính xác lên đến từng micromet, vượt xa khả năng phát hiện của mắt người Chức năng này thường được áp dụng trong các thiết bị vận chuyển đứng trong kho, giúp tối ưu hóa quy trình lưu trữ và vận chuyển hàng hóa.
Điều khiển tốc độ servo có khả năng đáp ứng nhanh với tốc độ đích, giúp giảm thiểu sự chênh lệch tốc độ ngay cả khi tải thay đổi Công nghệ này thường được áp dụng trong các thiết bị như máy xi mạ quay, đóng vai trò quan trọng trong quy trình sản xuất mạch bán dẫn.
Điều khiển momen xoắn: momen xoắn là lực tạo ra sự xoay vòng Servo điều khiển chính xác momen xoắn ngay cả khi tải thay đổi.
Hình 2.6: Một động cơ AC servo của hãng Mitsubishi
Bộ khuếch đại servo
Bộ khuếch đại servo, hay còn gọi là Drive, là thiết bị điện tử chuyên dụng dùng để theo dõi tín hiệu phản hồi từ cơ chế servo và điều chỉnh liên tục độ lệch so với hành vi dự kiến Drive nhận tín hiệu lệnh từ hệ thống điều khiển, khuếch đại tín hiệu và truyền dòng điện đến động cơ servo, tạo ra chuyển động tương ứng với tín hiệu lệnh Tín hiệu lệnh thường đại diện cho vận tốc mong muốn, nhưng cũng có thể là momen hoặc vị trí Cảm biến gắn trên động cơ servo sẽ báo cáo tình trạng thực tế về bộ khuếch đại, cho phép so sánh giữa trạng thái thực tế và trạng thái được chỉ định Từ đó, Drive điều chỉnh tần số, điện áp hoặc độ rộng xung tới động cơ nhằm sửa lỗi cho bất kỳ độ lệch nào từ trạng thái lệnh.
Trong một hệ thống điều khiển được cấu hình chính xác, động cơ servo có thể quay với vận tốc gần như tương ứng với tín hiệu vận tốc nhận được Để tối ưu hóa hiệu suất, các tham số như độ cứng và giảm chấn cần được điều chỉnh phù hợp Việc điều chỉnh những yếu tố này là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động hiệu quả của động cơ servo.
Trang | 12 drive hiện nay có thể tương thích với một loạt các động cơ khác nhau.
Hình 2.7: Một số driver và servo tương ứng trên thị trường
Điều khiển đồng bộ động cơ AC servo
2.5.1 Tổng quan về điều khiển đồng bộ Điều khiển động bộ có nghĩa là điều khiển một hay nhiều động cơ, cơ cấu theo một động cơ, cơ cấu khác theo những quy định, tỷ số nhất định do người điều khiển cài đặt cho phù hợp với các ứng dụng cụ thể Điều khiển đồng bộ có nhiều ưu điểm nổi bật như:
Cải thiện năng suất là một lợi ích quan trọng, vì việc loại bỏ thời gian chờ giữa các hoạt động như điều khiển tuần tự giúp rút ngắn thời gian xử lý, từ đó nâng cao hiệu quả công việc.
Điều khiển an toàn là yếu tố quan trọng trong hệ thống, vì tất cả các trục phụ thuộc được đồng bộ với trục chính Khi trục chính dừng lại, các trục phụ cũng ngừng hoạt động, từ đó giảm thiểu nguy cơ thiệt hại cho thiết bị.
Hình 2.8: Ví dụ mô tả sự so sánh trong việc điều khiển băng chuyền giữa có và không sử dụng điều khiển đồng bộ.
Động cơ step
2.6.1 Giới thiệu động cơ step Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết.
Nói chung động cơ bước là một loại động cơ mà bạn có thể quy định được góc quay của nó.
Một động cơ bước có độ phân giải 1,8 độ/bước cần 200 bước để hoàn thành một vòng quay 360 độ, được gọi là chế độ FULL STEP Việc sử dụng các chế độ quay nhiều xung giúp động cơ hoạt động mượt mà hơn.
2.6.2 Cấu tạo và phân loại
Rotor là một cấu trúc bao gồm các lá nam châm vĩnh cửu được sắp xếp cẩn thận theo từng lớp, với các cặp cực đối xứng Trong khi đó, stato được chế tạo từ sắt từ và được thiết kế với các rãnh để lắp đặt cuộn dây.
Hình 2.10: Cấu tạo động cơ step.
Phân loại : Việc phân loại động cơ Step cũng có thể chia thành nhiều cách.
Cách 1: phân loại động cơ Step theo số pha động cơ.
– Động cơ Step 2 pha tương ứng với góc bước 1.8 độ.
– Động cơ Step 3 pha tương ứng với góc bước là 1.2 độ.
– Và cuối cùng là động cơ Step 5 pha với góc bước là 0.72 độ.
Cách 2: Phân loại động cơ bước theo rotor.
Động cơ có rotor có thể được tác động bằng dây quấn hoặc nam châm vĩnh cữu, trong khi động cơ thay đổi từ trở là loại động cơ mà rotor không bị tác động nhưng vẫn có phần tử cảm ứng.
Cách 3: Phân loại theo cực của động cơ.
2.6.3 Chức năng Động cơ bước hiện nay thường được ứng dụng nhiều trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số là chủ yếu Nó được thực hiện bởi các lệnh được mã hoá dưới dạng số. Ứng dụng trong ngành tự động hoá, đặc biệt là đối với các thiết bị cần có sự chính xác Ví dụ như các loại máy móc công nghiệp phục vụ cho gia công cơ khí như: máy cắt cnc plasma, máy cắt cnc laser …
Ngoài ra trong công nghệ máy tính, động cơ Step được sử dụng cho các loại ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm, máy in…
Driver động cơ Step
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại bộ điều khiển động cơ bước với các tính năng đa dạng phù hợp cho từng ứng dụng cụ thể Một trong những đặc điểm quan trọng nhất của chúng là giao diện đầu vào, với các tùy chọn phổ biến được ưa chuộng.
Bằng cách gửi một xung vào chân Step, bộ điều khiển điều chỉnh đầu ra để động cơ thực hiện một bước Hướng của bước này được xác định bởi mức logic trên chân Direction.
- Pha / Cho phép (enable) – Đối với mỗi pha cuộn dây stato, pha xác định hướng dòng điện và kích hoạt cho phép (enable) nếu pha được cấp điện.
- PWM – Trực tiếp điều khiển các tín hiệu cực cổng của FET bằng xung vuông.
Một tính năng quan trọng của bộ điều khiển động cơ bước là khả năng điều chỉnh điện áp trên cuộn dây hoặc dòng điện chạy qua cuộn dây.
- Với điều khiển điện áp, bộ điều khiển chỉ điều chỉnh điện áp trên cuộn dây.
Mô-men xoắn được phát triển và tốc độ thực hiện các bước chỉ phụ thuộc vào đặc tính của động cơ và tải.
Bộ điều khiển dòng điện tiên tiến giúp điều chỉnh chính xác dòng điện chạy qua cuộn dây hoạt động, từ đó kiểm soát tốt hơn mô-men xoắn được tạo ra và cải thiện hành vi động của toàn bộ hệ thống.
Màn hình HMI
HMI (Giao diện Người-Máy) là thiết bị kết nối giữa người điều hành và máy móc, cho phép giao tiếp thông qua màn hình giao diện HMI đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống SCADA hiện đại, nằm ở cấp điều khiển và giám sát Những ưu điểm của HMI bao gồm khả năng cải thiện hiệu suất làm việc và tăng cường sự tương tác giữa con người và máy móc.
Tính đầy đủ, kịp thời, chính xác của thông tin
Tính mềm dẻo, dễ thay đổi, bổ sung thông tin cần thiết
Tính đơn giản của hệ thống, dễ vận hành, mở rộng, sửa chữa.
Có khả năng kết nối mạnh, kết nối nhiều loại thiết bị và nhiều loại giao thức.
Khả năng lưu trữ cao.
Màn hình HMI là thiết bị thiết yếu để kiểm soát nhiều thông số quan trọng và phức tạp cùng lúc, giúp việc điều khiển trở nên dễ dàng, trực quan và chính xác.
Hình 2.12: Một màn hình HMI của hãng MITSUBISHI
Giao thức truyền thông
Ngành công nghiệp tự động hóa đang phát triển mạnh mẽ với việc áp dụng rộng rãi các giao thức truyền thông như CAN, Modbus RTU, Modbus TCP, Profibus DP, Profibus PA và Hart.
RS485 được xem là phiên bản nâng cấp của RS422, với khả năng kết nối và truyền dữ liệu lên đến 32 cặp thu phát cùng lúc Tốc độ truyền dữ liệu của RS485 cũng tương tự như RS422, phụ thuộc vào khoảng cách truyền Cụ thể, tại chiều dài 40 feet (12m), tốc độ tối đa đạt 10 Mbits/s; tại 400 feet (122m), tốc độ giảm xuống còn 1 Mbits/s; và tại 4000 feet (1219m), tốc độ chỉ còn 100 kbits/s.
Giới thiệu Raspberry
Raspberry Pi là một máy tính rất nhỏ gọn, kích thước hai cạnh như bằng khoảng một cái thẻ ATM và chạy hệ điều hành Linux
Bộ xử lý SoC Broadcom BCM2835 của Raspberry Pi tích hợp CPU, GPU, RAM, khe cắm thẻ microSD, Wi-Fi, Bluetooth và 4 cổng USB 2.0 Raspberry Pi đã trải qua 4 thế hệ: Pi 1, Pi 2, Pi 3 và Pi 4, với mỗi thế hệ thường có Model A và Model B Model A là phiên bản tiết kiệm hơn, thường có dung lượng RAM và số lượng cổng như USB và Ethernet ít hơn Pi Zero là một phiên bản nhỏ gọn và giá rẻ hơn của thế hệ đầu tiên (Pi 1).
Giới thiệu camera
Trong những năm gần đây, camera công nghiệp đã trở nên phổ biến và được ứng dụng rộng rãi trong các nhà máy sản xuất Thiết bị này hỗ trợ và thay thế nhân công trong việc xử lý và phát hiện sản phẩm lỗi một cách nhanh chóng và hiệu quả.
Camera công nghiệp là thiết bị quan trọng trong các nhà máy và xí nghiệp, được sử dụng để giám sát quy trình sản xuất tự động Chúng phục vụ nhiều mục đích như giám sát sản xuất, phân loại và đo lường sản phẩm, kiểm tra tự động, điều hướng robot và quét mã vạch mà không cần tiếp xúc Ứng dụng của camera công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến, giúp nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình sản xuất.
Việc ứng dụng camera trong sản xuất công nghiệp ngày càng trở nên phổ biến tại các nhà máy, giúp xử lý hình ảnh và cải thiện giao tiếp trong quy trình sản xuất.
- Nhận diện, kiểm tra ngoại dạng sản phẩm :
Sau khi lắp ráp hoặc gia công, sản phẩm sẽ được camera nhận diện và kiểm tra ngoại dạng trước khi chuyển sang các công đoạn sản xuất tiếp theo.
Việc kiểm tra lỗi sản phẩm truyền thống thường được thực hiện thủ công, dẫn đến tốn thời gian và công sức, đồng thời độ chính xác không cao Sử dụng camera công nghiệp giúp phát hiện lỗi sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác, thay thế con người trong quy trình kiểm tra.
- Đo lường, kiểm tra kích thước sản phẩm không cần tiếp xúc :
Các phép đo lường sản phẩm truyền thống thường sử dụng các dụng cụ cơ học được điều chỉnh một cách cẩn thận Để đảm bảo kết quả đo đạt độ chính xác cao, nhân công thực hiện cần phải có kỹ thuật chuyên môn vững vàng.
Việc sản xuất quy mô lớn với nhiều sản phẩm kích thước nhỏ tạo ra thách thức trong việc đo lường, khiến quá trình này trở nên tốn kém và mất thời gian Camera công nghiệp là giải pháp tối ưu, cho phép đo kích thước sản phẩm từ xa với độ chính xác cao và tốc độ nhanh Thiết bị này có khả năng đo các khoảng cách, góc, diện tích và độ khớp của sản phẩm Ứng dụng camera trong sản xuất công nghiệp giúp doanh nghiệp tiết kiệm chi phí nhân công và giảm thiểu sai sót so với phương pháp đo lường truyền thống.
- Kiểm tra ký tự quan học :
Camera hỗ trợ kiểm tra các ký tự quang học trên bao bì sản phẩm, bao gồm ngày tháng và mã sản phẩm Bằng cách sử dụng các mẫu phông chữ có sẵn hoặc lấy mẫu trực tiếp, việc xác minh chất lượng in và các mã quang học trở nên dễ dàng và đơn giản hơn.
Camera kiểm tra mã vạch sản phẩm có khả năng đạt tốc độ lên đến 90.000 mã/giờ Chức năng của camera này là kiểm tra và đánh giá chất lượng in mã vạch trên bề mặt bao bì sản phẩm Việc kiểm tra mã vạch không chỉ xác định tính chính xác của mã in mà còn đảm bảo rằng mã vạch được in rõ ràng, sắc nét và đúng vị trí theo tiêu chuẩn.
Camera đọc tốc độ cao với thời gian xử lý hình ảnh dưới 10ms, cho phép quét mã vạch nhanh chóng Với khả năng quét lên đến 90.000 sản phẩm mỗi giờ, camera này có thể xử lý mã vạch ở nhiều góc độ, ngay cả khi sản phẩm bị xoay hoặc ở vị trí không cố định, đồng thời hoạt động hiệu quả trong môi trường ánh sáng thay đổi liên tục.
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
Yêu cầu thiết kế
Gồm 2 phần chính là phần cơ khí và phần điện
Mô hình được thiết kế, thi công đáp ứng được những tiêu chí sau đây:
In đúng vị trí cần in
Không làm gián đoạn chuyển động băng tải
Tốc độ 6 giây trên 1 sản phẩm
Cơ khí
Hệ tọa độ Oxy được hình thành bởi hai trục vuông góc, trong đó trục 1 nằm trên và trục 2 nằm dưới Hệ thống này chuyển đổi chuyển động quay của động cơ servo thành chuyển động tuyến tính thông qua việc sử dụng vitme bi.
Sau khi nghiên cứu và so sánh các loại vitme từ nhiều thương hiệu, nhóm đã quyết định chọn hai bàn trượt vitme MISUMI LX30 với hành trình 512 mm, bước ren 10 mm và rãnh bi đơn để làm hai trục cho mô hình.
Hình 3.1: Bản vẽ 2D của bàn trượt vitme MISUMI LX30 [4]
Sau khi lựa chọn vitme bi, cần thiết kế khớp nối giữa hai trục để đảm bảo sự chắc chắn và vuông góc, đồng thời chịu được quán tính khi trục dưới hỗ trợ trục trên hoạt động ở tốc độ cao Tiếp theo, cần thiết kế chi tiết mô phỏng điểm mục tiêu điều khiển gắn liền với trục vitme phía trên.
Sau đó, nhóm thiết kế hai chân gắn vào hai đầu của trục 1 để kết nối với mặt đế.
3.2.2 Trục thứ 3 gắn động cơ step
Trục này được thiết kế để gắn hai động cơ step, trong đó một động cơ có hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:5 điều khiển chuyển động lên xuống của trục, và động cơ còn lại được kết hợp với con dấu để in lên sản phẩm Chất liệu của trục là nhựa và được sản xuất bằng công nghệ in 3D.
Hình 3.3: Giá đỡ trục thứ 3
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. Để tạo ra chuyển động lên xuống cho trục thứ 3 nhóm đã sử dụng cây vitme và đai ốc
Hình 3.4: Vitme và đai ốc. Đế đựng động cơ có gắn con dấu được gắn dọc theo cây vitme và gắn vào trục thứ 3
Hình 3.5: Trục thứ 3 3.2.3 Băng tải
Băng tải có kích thước 60x20x12 cm được chạy bằng động cơ DC 24V có hộp số để cải thiện tốc độ của băng tải
Vị trí của băng tải sẽ được đặt song song với trục X.
PLC MITSUBISHI FX3U 48MT/ES:
Hình 3.7: PLC MITSUBISHI FX3U 48MT/ES Điện áp nguồn cấp : 100 – 240 VAC
Số ngõ vào/ngõ ra :24 DI/24 DO
Bộ nhớ chương trình: 64000 bước
Kết nối truyền thông: RS422, hỗ trợ mở rộng RS232, RS485, USB, Etherne, CC-link
Bộ đếm tốc độ cao 8 ngõ vào max 100 Khz, lên tới 200 Khz hoặc 1 Mhz với module chức năng [5]
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.
Hình 3.8: Sơ đồ chân plc mitsubishi FX3U 48MT
Nhóm đã chọn động cơ servo HG-KR với quán tính thấp để kết nối với hai trục vitme, phù hợp cho bàn X-Y Động cơ này được lựa chọn dựa trên các thông số về khối lượng, hành trình và bước ren của trục vitme Kèm theo động cơ là driver servo MR-J3-10A, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động.
Động cơ servo HG-KR13 và HG-KP13 có quán tính và công suất thấp, phù hợp với drive dòng MR-J3 Chúng nổi bật với tốc độ cao, mô men lớn và độ phân giải encoder cao, thường được ứng dụng trong các lĩnh vực như: truyền động băng tải, robot, máy bắn chip, máy cưa, bàn X-Y, máy xử lý thực phẩm, và hệ thống sản xuất bán dẫn Điện áp cung cấp cho động cơ này là 200VAC.
Tốc độ định mức: 3000 vòng/phút
Tốc độ tối đa: 6000 vòng/phút
Momen quán tính: 0,777 (x10 -4 kg.m 2 ) Độ phân giải encoder: 4194304 xung/vòng Hình 3.9: Động cơ servo HG-KP13
Bảng 3.1 : Thông số kỹ thuật động cơ HG-KP13
Hình 3.10: Đặc tính tốc độ và momen của động cơ [6]
Hình 3.11: Kích thước, cấu tạo bên ngoài động cơ HG-KP13 [6]
Drive servo MR-J3-10A Đặc điểm Hình ảnh Điện áp ra định mức: 3 pha 170 V AC
Nguồn ngõ vào mạch chính Điện áp: 3 pha hoặc 1 pha 200 ~ 230VAC
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.
Nguồn vào mạch điều khiển Điện áp: 1 pha 200 V AC đến
240 V AC Tần số: 50Hz hoặc 60Hz Dòng định mức: 0,2 A Công suất tiêu thụ: 30W Nguồn cấp cho giao diện Điện áp: 24V DC Dòng điện: 0,3 A
Phương pháp điều khiển: Điều khiển chế xung
PWM, phương pháp điều khiển dòng điện.
Bảng 3.2: Thông số kỹ thuật drive servo MR-J3-10A [7]
Động cơ step và driver động cơ step
Động cơ bước (Step Motor) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, đặc biệt trong điều khiển chuyển động kỹ thuật số thông qua các lệnh mã hóa số Chúng đóng vai trò quan trọng trong ngành tự động hóa, đặc biệt cho các thiết bị yêu cầu độ chính xác cao như máy cắt plasma CNC và máy cắt CNC laser Ngoài ra, động cơ bước còn được ứng dụng trong công nghệ máy tính, sử dụng cho ổ đĩa cứng, ổ đĩa mềm và máy in Để đáp ứng yêu cầu của đề tài, nhóm đã chọn động cơ bước kết hợp với hộp số giảm tốc tỉ lệ 1:5, với điện áp cung cấp là 5 VDC.
Kích thước mặt: 42*42 mm chiều dài thân: 48mm
Tốc độ tối đa: 6000 vòng/phút
Bảng 3.3: Thông số kỹ thuật động cơ step
Để điều khiển động cơ step, cần sử dụng driver điều khiển với hiệu năng cao và giá thành hợp lý Driver này có nhiều chế độ điều khiển và khả năng bảo vệ tự động, cùng với dải điện áp rộng, đảm bảo hoạt động ổn định Điện áp cung cấp cho driver động cơ step là 5 VDC.
Hình 3.14: Driver động cơ step
Kích thước mặt: 42*42 mm chiều dài thân: 48mm
Tốc độ tối đa: 6000 vòng/phút
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật driver động cơ step
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ. Động cơ DC 24V được sử dụng kéo băng tải Động cơ được trang bị thêm hộp số để cải thiện tốc độ băng tải.
Cảm biến quang chữ U là lựa chọn lý tưởng cho các trục vitme nhờ vào sự đa dạng về kiểu dáng và loại hình Bàn vitme được thiết kế với các lỗ vít sẵn có, thuận tiện cho việc gắn cảm biến Sau khi nghiên cứu, nhóm đã quyết định sử dụng cảm biến Omron EE-SX671-WR cho mô hình của mình.
Cảm biến Omron EE-SX671-WR được thiết kế với 4 chân, bao gồm 2 chân nguồn “+” và “-“ để cấp điện 24V Chân OUT sẽ xuất tín hiệu khi cảm biến bị tác động Ngoài ra, chân L có thể kết nối với chân “+” để lựa chọn giữa chế độ Light-ON hoặc Dark-ON.
Khoảng cách tác động: 5mm
Hình 3.16: Cảm biến Omron EE-
SX671-WR Điện áp cung cấp: 5 đến 24 V DC
Dòng tiêu thụ tối đa: 35mA
Dòng ngõ ra: 5 đến 24 V DC , tối đa 100 mA với ngõ ra NPN, tối đa 50 mA với ngõ ra PNP
Tần số phản hồi: 1kHz min.
Bảng 3.5: Thông số kỹ thuật cảm biến Omron EE-SX671-WR [8]
Việc giám sát các thông số vận hành là rất quan trọng để điều khiển hiệu quả, vì vậy cần một màn hình HMI có kích thước phù hợp để tối ưu hóa quy trình vận hành một cách trực quan Màn hình HMI cần được trang bị cổng truyền thông RS-485 để đảm bảo khả năng giao tiếp với PLC Nhóm đã chọn màn hình HDMI WAVESHARE 7 inch cho dự án của mình Dưới đây là các thông số kỹ thuật của màn hình.
Hình 3.17: Màn hình HDMI WAVESHARE 7INCH [9]
Hỗ trợ các PC nhỏ phổ biến như Raspberry
PI, BB Black, Banana Pi,
Giắc âm thanh 3,5mm, đầu nối loa, hỗ trợ đầu ra âm thanh HDMI, hỗ trợ đầu vào
Kích thước hiển thị: 222x132,5 mm
Bảng 3.6: Thông số kỹ thuật màn hình HDMI WAVESHARE 7INCH [9]
Raspberry Pi sẽ tiếp nhận và xử lý hình ảnh từ camera, sau đó thực hiện các yêu cầu theo đề tài và gửi dữ liệu về cho PLC Sau khi nghiên cứu và tham khảo, nhóm đã quyết định chọn Raspberry Pi cho dự án này.
Raspberry Pi 4 giữ nguyên kích thước nhỏ gọn như các phiên bản trước, nhưng bo mạch đã được thiết kế lại hoàn toàn, khiến cho vỏ case của các phiên bản cũ không còn phù hợp Ngoài ra, người dùng cần lưu ý sử dụng nguồn 5V trở lên cho bo mạch Raspberry Pi 4.
Nguồn điện : DC 5V chuẩn USB-C
Hỗ trợ 2 cổng ra màn hình chuẩn Micro
HDMI với độ phân giải lên tới 4K
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.
Chuẩn 40 chân GPIO, tương thích với các phiên bản trước
2 cổng USB 3.0 và 2 cổng USB 2.0
Khe cắm Micro-SD cho hệ điều hành và lưu trữ.
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật Raspberry [10]
Camera sẽ thu thập hình ảnh sản phẩm và gửi về hình ảnh bộ xử lý là Raspberry.
Trên thị trường hiện nay, có đa dạng loại camera công nghiệp đáp ứng nhu cầu xử lý ảnh và tích hợp nhiều chức năng Sau khi nghiên cứu và tham khảo, nhóm đã quyết định chọn camera Logi cho đề tài của mình, với đặc điểm nổi bật là độ phân giải tối đa lên đến 720p và khả năng quay video ở 30fps.
Loại tiêu cự: tiêu cự cố định
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật camera logi [11]
Phần điện
Hình 3.24: Cấu trúc sơ đồ nguồn hệ thống
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN 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 bao gồm nguồn 220V cung cấp năng lượng cho trạm PLC, cụm drive servo và động cơ servo Ngoài ra, khối nguồn còn có nguồn tổ ong 24V để cấp điện cho các cảm biến và nguồn 5V cho cụm drive động cơ step.
Khối xử lý trung tâm của PLC MITSUBISHI FX3U tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và khối xử lý ảnh, sau đó thực hiện xử lý tuần tự các lệnh để điều khiển động cơ một cách hiệu quả.
Khối động cơ và drive bao gồm 2 động cơ servo HG-KR13 và servo drive MR-J3-10A, cùng với 2 động cơ step và 2 drive TB6600 4.5A Drive MR-J3-10A nhận tín hiệu hồi tiếp từ encoder của động cơ servo, kích hoạt cảm biến gửi tín hiệu về khối xử lý trung tâm, sau đó nhận tín hiệu điều khiển và xuất tín hiệu điện để điều khiển động cơ servo Đồng thời, drive TB6600 nhận tín hiệu từ khối xử lý trung tâm để điều khiển động cơ step.
Khối cảm biến: Gồm 3 cảm biến chữ U Omron EE-SX671-WR sử dụng làm vị trí
HOME cho trục X,Y,Z Các cảm biến được kết nối với PLC.
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 thông qua module truyền thông
Thiết kế tủ điện là bước quan trọng sau khi lựa chọn linh kiện và thiết bị cần thiết Nhóm thiết kế sử dụng phần mềm AutoCAD để bố trí các thiết bị một cách hợp lý và thẩm mỹ, đồng thời tuân thủ các nguyên tắc về khoảng cách theo hướng dẫn sử dụng Bản thiết kế chi tiết được trình bày trong phụ lục.
Tủ điện được sử dụng với mục đích bảo vệ các thiết bị khỏi bụi bẩn và các tác động vật lý từ môi trường, giúp tăng cường tuổi thọ của thiết bị.
Tủ điện được trang bị các đèn báo và nút nhấn ở mặt trước, bên trong có các thiết bị như 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 TOÁN VÀ THIẾT KẾ.
Hình 3.26: Mặt trước tủ điện
Hình 3.27: Mặt trong của tủ điện
Xích luồn cáp là thiết bị quan trọng trong mô hình hoạt động, giúp di chuyển đồng thời với trục 2 trên trục 1 Việc sử dụng xích luồn dây giúp gom gọn các dây cáp encoder, cáp nguồn và cáp tín hiệu cảm biến, từ đó giảm thiểu tình trạng vướng víu và hư hỏng trong quá trình hoạt động của mô hình.
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN 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.
CHƯƠNG 3:TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ.
THI CÔNG HỆ THỐNG
Phần cứng
Sau khi hoàn tất gia công cơ khí các chi tiết thiết kế, nhóm tiến hành lắp ráp chúng thành mô hình hoàn chỉnh Các chi tiết được kết nối với nhau bằng vít lục giác, giúp tăng cường độ chắc chắn và tính thẩm mỹ của sản phẩm.
Bước 1: Lắp động cơ servo vào trục vitme.
Hình 4.1: Kết nối động cơ vào trục vitme
Bước 2: Lắp 2 trục vitme với nhau, gắn chi tiết giữ trục Z và gắn trục dưới với đế
Bước 3: Gắn động cơ step điều khiển cục in vào trục Z
Hình 4.3: Động cơ step gắn trục in
Chương 4 Thi công 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
Hình 4.5: Động cơ step có hộp giảm tốc gắn vào trục
Bước 5: Gắn camera và Raspberry với các thiết bị
Hình 4.7: Raspberry kết nối các thiết bị
Chương 4 Thi công hệ thống
Bước 7: Hoàn thành thi công phần cơ khí cho mô hình.
Hình 4.9: Hoàn thành thi công phần cơ khí cho mô hình
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 ngoài tủ điện để tăng thẩm mỹ.
Bước 6: Đóng điện và kiểm tra lại 1 lần nữa
Chương 4 Thi công hệ thống
Hình 4.10 Tủ điện sau khi đã đi dây xong
Hình 4.11 Tủ điện sau khi đã đi dây xong
Hình 4.12 Tủ điện sau khi đã đi dây xong
Chương 4 Thi công hệ thống
Mô tả hoạt động của mô hình và giải thuật điều khiển
Khi sản phẩm di chuyển trên băng tải, camera sẽ thu thập hình ảnh và truyền dữ liệu đến khối xử lý ảnh Tại đây, khối xử lý ảnh phân tích vị trí của sản phẩm, xác định chính xác vị trí cần in, và hiển thị hình ảnh sản phẩm trên màn hình giám sát Mỗi loại sản phẩm có vị trí in khác nhau và không nằm cố định, do đó hệ thống cần nhận diện đúng loại sản phẩm và in chính xác Trong quá trình in, băng tải không dừng lại mà vẫn hoạt động liên tục, yêu cầu quá trình in ấn phải đồng bộ với tốc độ 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
Hình 4.14 Lưu đồ giải thuật(tt)
Chương 4 Thi công 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
cap.read hiển thị ảnh vừa chụp
cv2.dilate phát hiện chữ u…
Hình 4.16 Chương trình xử lý ảnh 4.2.3 Thiết kế giao diện HMI
GT Designer3 là phần mềm hỗ trợ lập trình viên trong việc thiết kế giao diện màn hình HMI trên máy tính Phần mềm này cho phép người dùng chuyển chương trình đã thiết kế từ PC vào HMI để thực hiện vận hành Bên cạnh đó, GT Designer còn cung cấp tính năng nhập dữ liệu có sẵn từ HMI vào máy tính để chỉnh sửa, hoặc nhập từ một dự án khác, giúp tối ưu hóa quy trình làm việc.
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 khi xuất hiện hộp thoại New Project Wizard (Confirmation), người dùng cần kiểm tra thông tin về màn hình HMI đã chọn và nhấn Next nếu mọi thứ chính xác Tiếp theo, hộp thoại sẽ chuyển đến phần Communication, nơi người dùng chọn hãng và dòng PLC để điều khiển, sau khi hoàn tất, nhấn Next để tiếp tục.
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 công hệ thống
Hình 4.19 Hộp thoại New Project Wizard (Communication/(I/F))
Sau khi chọn kiểu kết nối, nhấn Next để tiếp tục cho đến khi xuất hiện trang cuối của hộp thoại New Project Wizard Tại đây, kiểm tra lại tất cả thông tin, và khi đã chính xác, nhấn Finish để hoàn tất quá trình tạo Project mới Sau đó, tiến hành thiết kế màn hình HMI theo ý muốn.
Hình 4.20 Cửa sổ cuối hộp thoại New Project Wizard
Nhóm đã thiết kế màn hình HMI đáp ứng đầy đủ yêu cầu giám sát thông tin, với giao diện trực quan và dễ dàng theo dõi Màn hình còn có chức năng cảnh báo các trường hợp vận hành lỗi của hệ thống HMI bao gồm nhiều trang khác nhau để phục vụ cho công tác giám sát hiệu quả.
Màn hình giới thiệu bao gồm các thông số vị trí của các trục và gốc tọa độ Home để giám sát hệ thống.
Chương 4 Thi công hệ thống
Màn hình Giám sát và vận hành
Hình 4.22 Trang giám sát và vận hành
Màn hình hiển thị tọa độ phôi
Chương 4 Thi công hệ thống
Hình 4.23 Vị trí của phôi trên băng tải.
KẾT QUẢ THỰC HIỆN
Kết quả
Sau quá trình tìm hiểu và nghiên cứu tài liệu chuyên ngành, cẩm nang từ nhà sản xuất bằng tiếng Việt và tiếng Anh, cùng với việc khai thác thông tin trên internet, nhóm chúng em đã tổng hợp kiến thức từ 4 năm học và nhận được sự hỗ trợ tận tình từ giáo viên hướng dẫn Chúng em đã hoàn thành đồ án tốt nghiệp với đề tài “Thiết kế, thi công, mô hình in logo động” và đạt được kết quả khả quan.
Phần cứng: hệ thống vận hành ổn định không có lỗi xảy ra trên phần cứng khi vận hành
- Phần mềm : hệ xác định vị trí cũng như góc lệch cần in
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN.
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 phôi trên băng tải.
Đồng bộ trục X theo băng tải, Tính toán in đúng vị trí khi băng tải hoạt động.
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
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN.
Sản phẩm nằm ở góc 220 độ
Sản phẩm nằm ở góc 183 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 )
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN.
Bảng 5.1 : Bảng thống kê kết quả
Nhận xét, đánh giá
Sau khi thực nghiệm mô hình, nhóm rút ra được các ưu, nhược điểm sau:
5.2.1 Về phần cứng Ưu điểm:
Mô 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 mô hình.
Băng tải là động cơ DC 24V nên còn sai số, quán tính không cố định.
Trục vitme không có che đậy, cần phải bảo trì định kỳ.
Trục Z chưa được tuyệt đối đồng tâm dẫn đến sai số.
5.2.2 Về phần mềm: Ưu điểm:
Thực hiện tốt, tương đối ổn định các yêu cầu điều khiển đặt ra.
Khó xác định được sai số chính xác khi hệ thống vận hành với tốc độ cao.
CHƯƠNG 5: KẾT QUẢ THỰC HIỆN.