Luận văn trình bày thiết kế hệ thống kiểm tra ngoại quan sản phẩm dùng camera sử dụng cho linh kiện điện tử. Quá trình kiểm tra sẽ phát hiện các lỗi cơ bản thường gặp của linh kiện chíp điện tử trên khay chuyên dụng như: mất nhãn, mờ nhãn, sai nhãn, mất chân, sai hướng… Để nhận dạng và kiểm tra ngoại quan sản phẩm ta ứng dụng phương pháp xử lý ảnh và quá trình thực hiện. Phần mềm xử lý ảnh dùng trong đề tài là Visual Studio trên ngôn ngữ C với các thư viện EmguCV và OpenCV. Các thuật toán được áp dụng như sobel (tìm biên ảnh), OCR, so sánh …
TỔNG QUAN
Giới thiệu chung
Lý thuyết và công nghệ xử lý ảnh đã trở nên quen thuộc trong đời sống hiện đại, với nhiều ứng dụng như nhận dạng biển số xe tại bãi đỗ và chế độ chụp ảnh nhận diện khuôn mặt trên điện thoại Ngoài những ứng dụng dân dụng, công nghệ này còn đóng vai trò quan trọng trong ngành công nghiệp và tự động hóa Đặc biệt, tại các nhà máy sản xuất, có nhiều bài toán thực tế cần giải quyết thông qua công nghệ xử lý ảnh.
Trên bao bì sản phẩm, logo thường được in rõ ràng, nhưng đôi khi nó lại bị mờ hoặc mất nét in, điều này cho thấy nhà sản xuất không muốn sản phẩm đó đến tay người tiêu dùng.
Trên bao bì sản phẩm, mã vạch giúp nhà sản xuất thực hiện việc đọc tự động, đồng thời phát hiện các sản phẩm có mã vạch không chính xác, bị mờ hoặc mất nét.
Sản phẩm được in rõ ràng ngày tháng sản xuất và hạn sử dụng, đặc biệt là đối với hàng xuất khẩu sang Châu Âu, nhằm đảm bảo không có sai sót hoặc mờ nhạt trong thông tin.
Trên board mạch, có nhiều linh kiện quan trọng, nhưng một số board có thể bị thiếu linh kiện do nhiều nguyên nhân khác nhau Việc phát hiện và loại bỏ những board mạch này là rất cần thiết để đảm bảo hiệu suất hoạt động tối ưu.
Nhà máy gia công ra các chi tiết và phải kiểm tra kích thước liên tục, công nhân của nhà máy không thể làm nổi việc này.
Nhà máy sản xuất bánh quy, bánh chạy trên băng tải và nhà sản xuất muốn robot nhận dạng bánh và sắp vào vĩ bánh…
Do sản lượng sản xuất lớn, việc thuê nhiều công nhân dẫn đến nhầm lẫn do mệt mỏi hoặc tâm trạng không tốt, làm giảm năng suất Một giải pháp hiệu quả là áp dụng các hệ thống xử lý ảnh, được chia thành nhiều ứng dụng chính.
Kiểm tra hình ảnh sản phẩm là bước quan trọng, bao gồm việc xác minh logo, hình minh họa, màu sắc và hình dáng sản phẩm để phát hiện các lỗi như móp méo, hở nắp đậy hoặc thiếu linh kiện trên bo mạch Hệ thống hoạt động bằng cách chụp ảnh mẫu sản phẩm và lưu vào thư viện Khi vận hành, hệ thống sẽ so sánh ảnh chụp sản phẩm với ảnh gốc, trả về kết quả OK hoặc NG.
Hình 1.1Ứng dụng kiểm tra hình ảnh trên sản phẩm.
Ứng dụng đọc mã vạch giúp tra cứu thông tin sản phẩm dễ dàng, bao gồm nước sản xuất, tên doanh nghiệp và mã sản phẩm Khi quét mã vạch, người dùng có thể nhanh chóng nhận diện và nắm bắt thông tin chi tiết về sản phẩm.
Hình 1.2Ứng dụng đọc barcode.
Ứng dụng OCR (Nhận diện ký tự quang học) cho phép đọc các ký tự trên bề mặt sản phẩm, giúp kiểm tra thông tin quan trọng như ngày tháng sản xuất và hạn sử dụng.
Định vị (Vision Guidance) là hệ thống chụp và xác định tọa độ của vật thể, thường kết hợp với các loại cánh tay robot như 6 trục, SCARA hoặc robot nhện Hệ thống này giúp nhận dạng và định vị, cho phép cánh tay robot thực hiện các thao tác gắp và thả (pick and place) một cách hiệu quả, ngay cả khi các vật thể được phân bố một cách lộn xộn và ngẫu nhiên.
Hình 1.4Ứng dụng để định vị.
Thiết bị đo kích thước là công cụ quan trọng trong việc kiểm tra và xác định kích thước sản phẩm, được ứng dụng rộng rãi trong ngành gia công chi tiết máy, ép nhựa và kiểm tra mực nước trong chai.
Hình 1.5Ứng dụng đo kích thước.
Kiểm tra ngoại quan sản phẩm linh kiện điện tử
1.2.1 Khái niệm kiểm tra ngoại quan
Kiểm tra ngoại quan là phương pháp xác định lỗi bên ngoài sản phẩm, thường được thực hiện bằng mắt trong sản xuất thủ công Tuy nhiên, trong dây chuyền sản xuất hiện đại, yêu cầu về số lượng và độ chính xác ngày càng cao khiến việc kiểm tra bằng mắt không còn hiệu quả Sản phẩm di chuyển với tốc độ nhanh và kích thước nhỏ, đòi hỏi các giải pháp kiểm tra tiên tiến hơn để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Hình 1.6Công nghệ xử lý ảnh dùng trong kiểm tra ngoại quan sản phẩm.
Hệ thống kiểm tra ngoại quan tự động đã ra đời để đáp ứng nhu cầu sản xuất hiện đại, ứng dụng trên dây chuyền với khả năng kiểm tra thời gian thực Công nghệ này sử dụng camera kết hợp với máy tính và phần mềm phân tích hình ảnh, cho phép xử lý nhanh chóng và chính xác các thông số như kích thước, vị trí, vết trầy, mẻ, tên và hình dạng sản phẩm Kết quả kiểm tra sẽ so sánh với tiêu chuẩn sản phẩm, xác định xem sản phẩm đạt yêu cầu (OK) hay có khiếm khuyết (NG).
Một số ứng dụng hệ thống này kiểm tra ngoại quan trong các ngành sản xuất như:
Linh kiện điện tử, bán dẫn: kiểm tra kích thước, vết trầy, mẻ, tên, lẫn lộn hàng,…
Linh kiện, phụ tùng xe hơi: Kiểm tra kích thước, vết hàn, chất lượng gia công,…
Dược phẩm: Kiểm tra nhãn sản phẩm, trạng thái đóng gói, màu sắc thuốc…. 1.2.2 Các lỗi điển hình khi kiểm tra ngoại quan linh kiện điện tử.
Kiểm tra bề mặt trên (loại SOP/TSSOP): a) Lỗ khí b) Mẻ c) Khuyết mark d) Sai mark e) Sai hướng f) Số chân không đủ g) Chân cong h) Độ dài chân k) Mẻ (mờ) mark
Hình 1.7 Các khuyết tật bề mặt.
Kiểm tra bề mặt dưới (loại QFN/VSP/SON): a) Đo kích thước
C: Khoảng cách 2 chân b) Kiểm tra chân, số khuôn A: Dị vật giữa hai chân B: Trầy chân
C: Dị vật trên PKG c) Kiểm tra đổ khuôn A: Bọt khí
D: Chân không có E: Trầy đổ khuôn
Hình 1.8 Các khuyết tật bề mặt dưới linh kiện QFN/VSP/SON.
Kiểm tra bề mặt dưới (loại BGA/CSP/LGA):
A: Đo chiều rộng PKG B: Đo chiều cao PKG C: Đo đường kính chân tròn D: Do chị trí chân tròn
Hình 1.9Các khuyết tật bề mặt dưới linh kiện BGA/CSP/LGA.
Ngoài ra cò có kiểm tra board mạch: a) Đoản mạch b) Đứt mạch c) Lỗ hổng mạch d) Dị vật trên mạch e) Mạch dị dạng f) Mạch dính dơ
Hình 1.10Các lỗi, khuyết tật trên board mạch.
1.2.3 Cấu tạo của máy kiểm tra ngoại quan tự động.
Một hệ thống kiểm tra ngoại quan sản phẩm tự động gồm các bộ phận chính:
Camera có nhiệm vụ chụp hình các đối tượng cần kiểm tra, thường được trang bị chức năng trigger, cho phép chỉ chụp hình khi nhận tín hiệu kích từ bộ điều khiển.
Hình 1.11Một số loại camera công nghiệp.
Đèn chiếu sáng đóng vai trò quan trọng trong hệ thống, giúp làm nổi bật các lỗi cần kiểm tra và loại bỏ những nhiễu không cần thiết, từ đó nâng cao tính ổn định của quá trình xử lý.
Bộ xử lý ảnh là thành phần quan trọng chứa các thư viện xử lý hình ảnh, cho phép sử dụng các hàm để xử lý ảnh chụp từ camera Nó có thể được tích hợp trực tiếp trên camera, là một bộ phận tách rời, hoặc hoạt động trên một máy tính thông thường Bộ xử lý này còn được trang bị các tín hiệu I/O để giao tiếp hiệu quả với PLC và các cơ cấu chấp hành.
Các cơ cấu chấp hành trong dây chuyền sản xuất có nhiệm vụ quan trọng như cấp sản phẩm, di chuyển và phân loại sản phẩm sau khi đã kiểm tra Tùy thuộc vào từng loại dây chuyền, các cơ cấu này có thể bao gồm robot gắp vật, trục động, cần gạt và bộ đẩy bằng khí nén.
Hình 1.13Cấu tạo cơ bản của một hệ thống kiểm tra ngoại quan.
(1) Camera ; (2) Đèn chiếu sáng ; (3),(4) Máy tính và màn hình hiển thị.
Hoạt động cơ bản của hệ thống:
Bộ phận cung cấp hàng đưa hàng cần kiểm tra đến dưới camera.
Camera chụp hình sản phẩm đưa vào máy tính.
Phần mềm máy tính thực hiện việc xử lý và phân tích hình ảnh, từ đó cung cấp kết quả kiểm tra sản phẩm Kết quả này sẽ được truyền đến bộ phận phân loại để xác định sản phẩm đạt tiêu chuẩn (OK) hoặc không đạt (NG).
Bộ phận phân loại phân hàng theo kết quả kiểm tra.
Hình 1.14Sơ đồ cấu trúc máy kiểm tra ngoại quan linh kiện điện tử.
Trong luận văn này, nội dung nghiên cứu tập trung vào loại máy kiểm tra linh kiện điện tử trên khay nhựa chuyên dụng, với các đặc điểm chính nổi bật.
Bàn máy CNC 2 trục được thiết kế để di chuyển camera đến các vị trí cần kiểm tra, với các dạng kết cấu chính đa dạng.
Dạng Gantry: Camera chuyển động – Bàn máy đứng yên
Hình 1.15Kết cấu khung máy dạng Gantry.
Phương án này có ưu điểm là khay chứa sản phẩm cố định, giúp giảm rung lắc trong quá trình vận hành và kích thước máy nhỏ hơn nhờ chỉ có cụm camera di chuyển Tuy nhiên, nhược điểm là camera có thể dễ bị rung nếu gá đặt không tốt, dẫn đến tình trạng nhòa ảnh khi chụp Hơn nữa, việc thiết kế và gá 2 trục cùng cụm camera cũng gặp nhiều khó khăn.
Dạng Compound XY (Stacked Axes): Bàn máy chuyển động - Camera đứng yên
Hình 1.16Kết cấu khung máy dạng Stacked Axes.
Phương án này có ưu điểm là camera cố định khi vận hành, giúp giảm rung động và nâng cao chất lượng hình ảnh Việc gá đặt camera và hệ thống đèn chiếu sáng cũng trở nên dễ dàng hơn, cùng với thiết kế và lắp đặt 2 trục dẫn động nằm dưới bàn máy Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là khay chứa sản phẩm có thể bị di chuyển, dẫn đến rung động và sai lệch vị trí, bên cạnh kích thước khung máy lớn.
Dạng Split Axis: Camera và bàn máy cùng chuyển động
Kết cấu khung máy dạng Split Axis cho phép camera di chuyển theo phương X trong khi bàn máy di chuyển theo phương Y, mang lại ưu điểm như giảm không gian gá đặt và tạo khoảng trống phía trước máy để thay hoặc cấp khay chứa mới, cùng với thiết kế cơ khí đơn giản Tuy nhiên, nhược điểm của phương án này là cả camera và khay chứa sản phẩm đều cần phải di chuyển.
Về hệ thống truyền động:các máy CNC thường sử dụng các bộ truyền:
Bộ truyền động đai răng:
Bộ truyền này lý tưởng cho các ứng dụng di chuyển với tốc độ cao và hành trình dài, nhờ vào khả năng hoạt động êm ái, ít ồn và hiệu suất cao Nó không gặp hiện tượng trượt và đáp ứng tốt với tốc độ yêu cầu Tuy nhiên, nhược điểm của bộ truyền là kích thước lớn khi tải trọng nặng và không có cơ chế bảo vệ quá tải, dẫn đến khả năng kéo tải nhẹ hơn so với vít me.
Bộ truyền vít me – đai ốc:
Bộ truyền biến đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến có ưu điểm nổi bật như hiệu suất và độ tin cậy cao, momen khởi động nhỏ, và hiệu suất truyền động đạt tới 95% Ngoài ra, bộ truyền này còn có tuổi thọ cao và đảm bảo dịch chuyển mịn trong suốt hành trình Tuy nhiên, nhược điểm của nó là tổn thất ma sát lớn trong ren, yêu cầu bảo dưỡng bơi trơn thường xuyên, và chi phí cao hơn so với bộ truyền đai cùng công suất.
Hình 1.18 Bộ truyền đai răng.
Hình 1.19Bộ truyền vít me – đai ốc (đai ốc bi).
Về động cơ:động cơ sử dụng cho 2 trục thường dùng 2 loại chính:
Động cơ servo nổi bật với khả năng điều khiển vị trí và tốc độ chính xác nhờ vào hệ thống hồi tiếp vòng kín Chúng có thể hoạt động với tốc độ cao, momen lớn và ổn định, mang lại hiệu suất vượt trội Tuy nhiên, chi phí đầu tư cho động cơ servo khá cao và việc điều khiển vòng kín cũng gặp nhiều khó khăn.
Một số máy kiểm tra ngoại quan tự động trên thị trường
1.3.1 Bộ kiểm tra đa dụng MVI-250 - ASV Software.
Bộ kiểm tra MVI-250 cho phép kết nối giao tiếp IO với các máy móc và dây chuyền hiện có, giúp tạo ra thiết bị kiểm tra ngoại quan hoàn chỉnh.
Hình 1.21 Bộ kiểm tra đa dụng MVI-250.
Một số ứng dụng cơ bản của máy:
Kiểm tra ngoại quan trong dây chuyền công nghệ sản xuất linh kiện bán dẫn.
Ứng dụng để điều chỉnh vị trí sản phẩm cho robot.
Dùng cho máy kiểm tra ngoại quan linh kiện ngành sản xuất ô tô.
Dùng cho máy kiểm tra ngoại quan vòng ron.
Máy hoạt động bằng cách đưa sản phẩm kiểm tra đến dưới camera, nơi camera chụp hình sản phẩm và gửi dữ liệu đến máy tính Phần mềm trên máy tính sẽ xử lý và phân tích hình ảnh, từ đó đưa ra kết quả kiểm tra Kết quả này sau đó được truyền đến bộ phận phân loại, nơi hàng hóa được phân loại theo kết quả kiểm tra đã thực hiện.
Kiểm tra được những sản phẩm kích thước nhỏ.
Đo được kích thước sản phẩm, khoanh vùng vị trí sản phẩm bị khuyết tật.
Tốc độ xử lý cao.
Kiểm tra chính xác, đáng tin cậy.
Máy có kích thước lớn.
Chỉ kiểm tra mặt trên hoặc mặt dưới.
1.3.2 Hệ thống kiểm tra ngoại quan tự động - VISIONx INC.
Hệ thống này lý tưởng cho các ứng dụng kiểm tra cần tốc độ và độ phân giải cao, đặc biệt trong lĩnh vực MEMS (Hệ vi điện cơ) Nó được sử dụng hiệu quả cho việc kiểm tra và đo lường MEMS, cũng như trong các quy trình kiểm tra và đo lường chất bán dẫn và thiết bị.
Một số đặc điểm của hệ thống:
Cấu trúc dạng Gantry, động cơ servo tốc độ cao, tùy chọ kích thước hành trình.
Tùy chọn các loại máy ảnh chuyên dụng/ ống kính / module chiếu sáng.
Độ phân giải lên đến 0.1 micron.
Tùy chọn module laser kèm theo.
Dễ sử dụng, dễ lập trình, hệ thống tự động hoàn toàn.
Các chương trình có thể chỉnh sửa dễ dàng bằng giao diện trực quan Các chương trình có thể được lưu vào thẻ nhớ và đọc vào sau này.
Hình 1.22Hệ thống kiểm tra ngoại quan tự động của VISIONx INC.
Một số ứng dụng của hệ thống AOI này:
Đo kích thước chính xác cao.
Đếm và tính toán đối tượng.
Phát hiện sự hiện diện/vắng mặt.
Nhận dạng/ kiểm tra ký tự.
1.3.3 Sprint CNC 300 – RAM Optical Instrumentation
Hình 1.23Hệ thống kiểm tra ngoại quan Sprint CNC 300.
Một số đặc điểm của máy:
Bảng 1.1Đặc điểm bộ kiểm tra ngoại quan Sprint CNC 300
Hành trỡnh 3 trục XYZ 300ì300ì150 mm (0.5 àm)
Camera Camera CCD độ phân giải cao Đèn trợ sáng Đèn LED tuyến tính, LED back, (LED vòng) Ống kính 2.75”, 34X – 176X , f 1.8 – 8.9 mm
Tải tối đa, Động cơ 23 kg, servo motor 100-240VAC
Bộ xử lý (Hệ điều hành) Intel Pentium, 1GB RAM (Windows XP) 1.3.4 BUSCH 3-Axis Systems - BUSCH Microsystems Consult
(Nguồn: www.busch-microsystems-consult.de)
Kết cấu cơ bản bằng đá granit vững chắc, độ chính xác cao.
Dộng cơ tuyến tính trục X/Y và servo trục Z, có thể thay đổi vị trí của trục Z.
Hệ thống đo đạc tăng cường.
Bảng 1.2 trình bày các đặc điểm của bộ kiểm tra BUSCH 3-Axis Systems, bao gồm động cơ trục XY, động cơ tuyến tính và động cơ servo trục Z Hệ thống này có độ phân giải đo lường từ 100 đến 1 nm.
1.3.5 Nguyên lý hoạt động chung của máy kiểm tra ngoại quan
Sau khi nghiên cứu các hệ thống kiểm tra hiện tại, chúng ta có thể xác định nguyên lý hoạt động chung của máy kiểm tra ngoại quan Sản phẩm sẽ được chuyển đến bộ phận kiểm tra thông qua công nhân hoặc hệ thống cấp sản phẩm tự động Sau khi sản phẩm được đặt đúng vị trí, người dùng chỉ cần nhấn nút “Start” để khởi động quá trình kiểm tra tự động.
Bộ điều khiển sẽ quản lý quá trình di chuyển của camera đến các vị trí khác nhau để thực hiện chụp ảnh và xử lý nhận dạng khuyết tật thông qua các chương trình được lập trình trên các nền tảng như C++, C#, Matlab, và Python, sau đó hiển thị kết quả sản phẩm là OK hoặc NG trên màn hình.
Hình 1.25Quy trình vận hành máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm.
Mục tiêu, nhiệm vụ và phạm vi đề tài
Mục tiêu của luận văn hướng đến là thiết kế máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm tự động như sau:
Đối tượng kiểm tra là vi điều khiển xếp trên khay chuyên dụng.
Dùng phương pháp kiểm tra ngoại quan để nhận dạng sản phẩm lỗi.
Có khả năng nhận dạng, phân loại sản phẩm mắc các lỗi phổ biến, thường gặp. 1.4.2 Nhiệm vụ
Xuất phát từ mục tiêu đặt ra, nhiệm vụ cần phải thực hiện của luận văn bao gồm:
Tìm hiểu tổng quan về công việc kiểm tra ngoại quan sản phẩm.
Phân tích và lựa chọn phương án thiết kế máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm.
Thiết kế kết cấu cơ khí máy kiểm tra.
Thiết kế mạch điện và điều khiển.
Xây dựng giải thuật và viết chương trình phát hiện lỗi trên sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh.
Đối tượng kiểm tra: sản phẩm vi điều khiển STM8 TQFP 48 chân, có kích thước 9.7×9.7 mm.
Kiểm tra trên mặt trên của chip được xếp trong khay nhựa kích thước 312×135 mm, số lượng: 250 sản phẩm/khay.
Nhận dạng các lỗi phổ biến: Sai hướng; sai, khuyết mark; thiếu chân.
Hình 1.26Hình ảnh loại linh kiện cần kiểm tra. a) Không lỗi b) Sai hướng (ngược) c) Khuyết mark d) Sai mark e) Thiếu chân
Hình 1.27Các lỗi phổ biến cần nhận dạng.
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Lựa chọn dạng kết cấu máy
Dựa trên phân tích ưu nhược điểm của các máy hiện có, chúng tôi đã chọn kết cấu máy với bàn máy di động theo phương Y và camera di động theo phương X (dạng Split Axis) Phương án này giúp giảm kích thước và khối lượng toàn bộ máy, đồng thời dễ dàng lắp đặt camera và đèn trợ sáng Hơn nữa, nó còn cho phép kiểm tra đa dạng sản phẩm, không chỉ giới hạn ở linh kiện điện tử như chip mà còn có thể sử dụng để kiểm tra board mạch và bảng cao su của bàn phím máy tính.
Hình 2.1Phương án kết cấu bàn máy.
2.2 Lựa chọn phương án truyền động - dẫn động
Tốc độc tương đối cao nhưng hành trình ngắn.
Nhiều bước di chuyển trên toàn hành trình ở cả 2 trục.
Không rung lắc, đứng yên khi camera bắt đầu chụp.
Chúng tôi đã chọn phương án truyền động bằng vít me và đai ốc, kết hợp với dẫn động bằng thanh trượt tròn Phương án này mang lại ưu điểm vận hành êm ái, độ chính xác cao và giúp giảm giá thành sản xuất.
Hình 2.2 Truyền động bằng vít me – đai ốc.
Hình 2.3 Bộ dẫn động trục trượt tròn và ổ bi trượt.
2.3 Lựa chọn động cơ truyền động cho 2 trục
Độ chính xác tương đối cao, không cần hồi tiếp.
Tốc độ tương đối thấp, tải nhỏ.
Cứng vững, không rung lắc, các trục đứng yên khi camera chụp ảnh.
Do đó, ta chọn phương án sử dụng động cơ bước cho hai trục bàn máy.
Động cơ bước có nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng điều khiển vị trí vòng hở, cho phép xác định vị trí chính xác Ngoài ra, động cơ này còn đáp ứng nhanh và có moment giữ tương đối lớn, giúp nâng cao hiệu suất hoạt động trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Hình 2.4Động cơ bước 2 pha.
Chọn công tắc hành trình
Trong các máy CNC, công tắc và cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc xác định vị trí home và giới hạn hành trình Thông thường, các thiết bị này sử dụng công tắc cơ hoặc cảm biến tiệm cận để đảm bảo hoạt động chính xác và an toàn.
Ưu điểm: Dễ dàng sử dụng, đồ bền cao trong môi trường công nghiệp, không rò điện, ít nhiễu.
Nhược điểm: Tuổi thô ngắn, bị ăn mòn tiếp điểm sau một thời gian sử dụng.
Với cảm biến tiệm cận:
Ưu điểm: Độ chính xác cao, tốc độ lớn, khả năng phát hiện kim loại, phi kim.
Nhược điểm: Rất nhạy, khoảng cách phát hiện ngắn (thường dưới 1 inch).
Chúng tôi lựa chọn sử dụng công tắc cơ làm công tắc hành trình cho bàn máy do giá thành thấp, dễ dàng trong việc lắp đặt và điều chỉnh, cũng như thuận tiện cho việc sửa chữa và cải tiến sau này.
Chọn phương án điều khiển
Điều khiển vận hành 2 trục X, Y trên bàn máy.
Nhận tín hiệu từ các công tắc hành trình.
Điều khiển được thông qua máy vi tính.
Những bộ điều khiển thường dùng như: máy tính, vi điều khiển, PLC.
Bảng 2.1Bảng so sánh các bộ điều khiển thường dùng.
Máy tính PLC Vi điều khiển
Tốc độ xử lý Rất cao Cao Cao
Kích thước Lớn Nhỏ gọn Rất nhỏ gọn
Sử dụng module/ card mở rộng.
Chuẩn hóa, dùng thêm module mở rộng.
Khả năng điều khiển đa dạng, có loại chuyên dùng cho điều khiển chuyển động.
Chống nhiễu tốt, đặc biệt là các máy tính công nghiệp.
Chống nhiễu tốt, thiết kế chuyên dụng cho công nghiệp, dùng tốt trong môi trường khắc nghiệt.
Chống nhiễu kém, vận hành kém ổn định.
Giá thành Cao Cao Rẻ
Trong khuôn khổ luận văn, chúng tôi đã lựa chọn vi điều khiển làm bộ điều khiển cho máy, nhằm mục tiêu giảm giá thành và đảm bảo lập trình đơn giản.
Chọn bô xử lý hình ảnh
Kết nối camera để chụp ảnh và lấy ảnh để xủ lý.
Giao tiếp với bộ điều khiển (vi điều khiển) để phối hợp chuyển động bàn máy và chụp ảnh.
Có thể lập trình xử lý ảnh, dể dàng sửa chửa và phát triển.
Những bộ xử lý ảnh thường dùng là máy tính và bộ điều khiển chuyên dụng.
Hình 2.5 Bộ xử lý ảnh công nghiệp của hãng Keyence.
Bảng 2.2Bảng so sánh các bộ xử lý ảnh.
Máy tính nhúng Máy tính Bổ xử lý ảnh chuyên dụng
Kích thước Rất nhỏ gọn Lớn Nhỏ gọn
Tốc độ xử lý Thấp Cao Rất cao
Sử dụng camera công nghiệp.
Tính chuyên dụng và khả năng lập trình
Lập trình dễ dàng, kết nối vi điều khiển tốt.
Lập trình dễ dàng, đa dạng phần mềm hỗ trợ, kết nối vi điều khiển tốt.
Lập trình dễ dàng trên phần mềm có sẳn của nhà sản xuất.
Giá thành Rẻ Cao Cao
Để giảm kích thước và chi phí cho hệ thống hoạt động trong môi trường nhiều bụi, luận văn đã chọn phương án sử dụng máy tính có sẵn để xử lý ảnh và giao tiếp với vi điều khiển qua chuẩn giao tiếp RS-232.
Chọn camera
Một số loại camera phổ biến được sử dụng cho máy kiểm tra bao gồm camera công nghiệp, camera USB và webcam Mỗi loại camera này đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng, phù hợp với các nhu cầu khác nhau trong quá trình kiểm tra.
Bảng 2.3Bảng so sánh các loại camera.
Loại Ưu điểm Nhược điểm
Tốc độ chụp và xử lý nhanh, độ nét cao có thể phát hiện các khuyết tật nhỏ.
Giá thành cao, chỉ sử dụng được cho các bộ xử lý chuyên dụng.
Giá thành thấp Dễ dàng sử dụng, kết nối trực tiếp với máy tính, gắn được các ống kính hỗ trợ (lens).
Gắn trên board rồi, cần thiết kế đồ gá.
Giá thành thấp Dễ dàng sử dụng, kết nối trực tiếp với máy tính. Độ nét thấp, không hỗ trợ các ống kính (lens).
Do sử dụng máy vi tính làm bộ xử lý ảnh và yêu cầu về chất lượng ảnh chụp ta chọn phương án sử dụng board camera USB.
Hình 2.6Camera USB độ nét cao, sử dụng ống kính zoom.
Sơ đồ lựa chọn phương án
Với các phương án đã lựa chọn, ta có sơ đồ phương án máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm như sau:
Hình 2.7 Sơ đồ phương án máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm.
Sơ đồ lựa chọn phương án trên là cơ sở để thực hiện các phần thiết kế cơ khí,mạch điện và lập trình ở những chương tiếp theo.
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Yêu cầu thiết kế và nguyên lý truyền động
Dựa trên nhu cầu sử dụng thực tế, chế độ làm việc được thiết lập như sau: Thời gian làm việc là 2 năm, với mỗi năm có 300 ngày làm việc, và mỗi ngày chia thành 2 ca, mỗi ca kéo dài 4 tiếng.
Sơ đồ nguyên lý truyền động trên các trục của máy theo phương án đã chọn sử dụng bộ truyền vít me như sau:
1 – Trục trượt tròn; 2 - Ổ trượt tròn;
3 – Trục vít me; 4 – Động cơ bước
Hình 3.1Sơ đồ nguyên lý truyền động trên trên các trục X và Y.
Tính toán và chọn trục trượt, ổ bi trượt
3.1.1 Tính chọn trục trượt, ổ trượt trục X (Cụm camera)
Hình 3.2Tải trọng trên trục X.
Tải trọng của cụm camera:L = 0.5 kg
Các khoảng cách:d 0 = 100 mm,d 1 = 75 mm,d 2 = 0,d 3 = 50 mm.
Từ đó ta tính được các giá trị:
Do đó lực tác dụng lên mỗi ổ trượt ta tính được là:0.209 kg
Dùng gối đỡ cố định ở 2 đầu trục, ta tính được chuyển vị của trục như sau:
Hình 3.3Cách gá đặt trục Độ võng của trục đặt tối đa khia = b = L−d0 2được tính theo công thức: δ max = Fa 2
VớiE = 2.1 × 10 4 kgf/mm 2 ,I = π D 4 64. Độ võng cho phép của trục khi có ổ bi trượt là0.5°, do đó: θ = sin −1 δmax
Từ đó ta tính được giá trịD ≥ 2.55 mm
Do đó, ta chọn trục trượt trên phương X là trục∅8.
3.1.2 Tính chọn trục trượt, ổ trượt trục Y (Bàn máy)
Tải trọng của cụm camera:0,8 kg
Các khoảng cách: d0 = 100 mm,d1 = 150 mm,d2 = 0,d3 = 0 mm
Do đó tải trên các ổ trượt là như nhau:
Tương tự với trục X, đối với trục Y ta có độ võng tối đa của trục và độ võng cho phép của trục khi có ổ bi trượt là: δmax = Fa 2
Ta tính đượcD ≥ 1,97 mm nên chọn trục trượt trên phương Y là trục∅8
Do vậy cả hai trục ta đều sử dụng trục∅8và ổ trượt LM8U.
Hình 3.4Tải trọng trên trục Y
Tính chọn bộ truyền ví me – đai ốc
3.2.1 Tính chọn bộ truyền ví me – đai ốc trục X (Cụm camera)
Vận tốc tôi đa yêu cầu: Vmax = 50 mm/s
Hệ số ma sát của vít me:μ = 0.03
Tốc độ của động cơ bước:n = 500 rev/min
Tốc độ tịnh tiến của vít me như sau: f = 10 × 60
Vậy ta có thể chọn vít me có bước vítp = 8 mm
Do yêu cầu thiết kế (khay sản phẩm có chiều x = 315 mm), chọn chiều dài vít me làL = 450 mm
Các lực tác dụng lên vít me:
Lực dọc trục tối đa có thể tác dụng lên vít me được tính theo công thức:
Trong đó, m là hệ số bố trí vít me, được tính theoBảng 3.1.
Bảng 3.1: Hệ số gá đặt trục vít me
Cách bố trí Hệ số m
Với cách bố trí cứng 2 đầu, ta tính được đường kính vít me:d ≥ 1 mm
Do đó ta chọn vít me có đường kínhd = 8mm(vít me T8).
Tốc độ quay tới hạn của vít me:
200 2 × 10 7 = 1975 rev/min (3.12) Áp suất trung bình giữa các bề mặt làm việc ren vít và đai ốc: p = Fa πd 2 hz≤ p [1] (3.13)
Trong đó: πd2hz– diện tích bề mặt tiếp xúc một vòng ren h– chiều cao làm việc biên dạng ren z– số vòng ren tiếp xúc p – áp suất cho phép
Vớiψ H = H/d 2 – là hệ số chiều cao đai ốc và ψ h = h/p s – là hệ số chiều cao của ren Theotài liệu [1], ta có: d 2 = F a πψ H p ψ h 1 (3.14)
Vớiψ H = 2,ψ h = 0,5 và p = 12,5 Ta tính được giá trịd 2 = 2.5mm Do đó ta chọn vít meT8,p = 8 mmlà phù hợp.
3.2.2 Tính chọn bộ truyền ví me – đai ốc trục Y (Bàn máy)
Vận tốc tôi đa yêu cầu: Vmax = 50 mm/s
Hệ số ma sát của vít me:μ = 0.03
Tốc độ của động cơ bước:500rev/min
Tương tự trục X, ta chọn vít me có bước vítp = 8 mm
Do yêu cầu thiết kế, chiều dài vít me làL = 300 mm
Các lực tác dụng lên vít me:
Từ đó ta suy ra được đường kính vít me:d ≥ 1 mm
Do đó ta chọn vít me có đường kínhd = 8 mm(vít me T8).
Kiểm tra lại tương tự như trên với các hệ sốψH = H d2 – hệ số chiều cao đai ốc d 2 = Fa πψ H p ψ h [1] (3.16)
Vớiψ H = 2,ψ h = 0,5 và p = 12,5 Ta tính được giá trịd 2 = 2.5 mm.
Do đó ta chọn vít meT8,p = 8 mmlà phù hợp.
Tính toán và chọn ổ lăn cho trục vitme
Trong thiết kế vitme đai ốc, lực tác động dọc trục lớn nhất được xác định là F = Fa + Fms = 2 N Để đảm bảo trục vít me hoạt động êm, ổn định và chỉ chịu lực dọc trục, việc sử dụng ổ bi chặn là lựa chọn phù hợp.
Các thông số tính toán:
Tốc độ tối đa:n max = 60 rev/min
Thời gian làm việc: 8 tiếng/ngày, 2 năm thay ổ bi mới Hệ số làm việc theo giờ là 0.2, do đó:
Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay:
Tải trọng động quy ước:
Do hệ số tải trọng tĩnhk t = 1, hệ số tải trọng độngk đ = 1.
Khả năng tải động: C d = Q m L = 2 3 3.456 = 3.02 N (3.20) Theo Cataloge của hãng SKF, ta chọn ổ bi với số hiệu 608-2Z với các thông số như sau:
Tên ổ bi d (mm) D (mm) B (mm) C (kN) C0 (kN)
Như vậy, khả năng tải của ổ bi được đảm bảo.
Tính toán và chọn động cơ truyền động cho 2 trục
Theo yêu cầu thiết kế ta chọn động cơ bước để sử dụng cho cả hai trục.
Từ kết quả các phần trên ta có:
Tải trọng trên trục X:PX = 0.52 N
Tải trọng trên trục Y:PY= 0.82 N
DoP Y > P X , ta chọc công suất động cơ cả hai trục theoP Y
Công suất lý thuyết của động cơ:
P LT = P × V = 0.82 × 50 10 −3 = 0.041 W (3.21) Công suất thực tế cần có:
Trong đó:μ = μ ĐC × μOT = 0.95 × 0.98 = 0.931- theo bảng 3.3 củatài liệu [1].
Theo yêu cầu thiết kế ban đầu, camera cần hiệu chỉnh chính xác các khoảng cách dài 1 mm, do đó không cần chọn động cơ có độ phân giải quá cao Ngoài ra, tải trọng gây ra momen xoắn cho động cơ, nên việc lựa chọn động cơ cho truyền động các trục không cần quá chú trọng vào thông số momen giữ của động cơ bước.
Dựa vào thông số trong Bảng 3.2, động cơ bước 1704HS168A được chọn với công suất 4.7W (tính từ P = UI = 2.8 × 1.68) và bước 1.8° đáp ứng yêu cầu.
Bảng 3 2Bảng thông số động cơ bước
(Nguồn: http://reprap.org/wiki/NEMA_17_Stepper_motor)
Mô hình sau khi thiết kế
Sau khi thực hiện tính toán và lựa chọn các bộ phận cơ khí phù hợp, mô hình máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm đã được thiết kế trên máy tính, như thể hiện trong Hình 3.5.
Hình 3.5 Mô hình thiết kế trên phần mềm Solidwork.
THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ BỘ ĐIỀU KHIỂN
Thiết kế sơ bộ hệ thống điều khiển
Hệ thống điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển các thiết bị, bao gồm cả máy kiểm tra sản phẩm Để đảm bảo máy hoạt động ổn định, cần tối ưu hóa sự phối hợp giữa các thành phần cơ khí, điện và hệ thống điều khiển.
Hệ thống điều khiển trong thiết bị đóng vai trò cầu nối giữa các bộ phận, đảm bảo xử lý và truyền đạt thông tin chính xác theo yêu cầu thiết kế Một hệ thống điều khiển hiệu quả giúp máy hoạt động ổn định, dễ dàng thay thế và sửa chữa khi cần Việc lựa chọn phương án và giải thuật cho hệ thống điều khiển cần phù hợp với yêu cầu của đề tài luận văn.
Hệ thống điều khiển phải đảm bảo các yêu cầu sau:
Hoạt động ổn định, an toàn.
Đáp ứng xử lý sự di chuyển bàn máy và camera.
Dễ dàng thay thế, sửa chữa linh kiện.
Có thể mở rộng cho sau này.
Hệ thống điều khiển của máy kiểm tra gồm có các bộ phận sau đây:
Mạch điều khiển đóng vai trò quan trọng trong việc nhận lệnh từ máy tính và truyền xuống cho vi điều khiển (VĐK) Nó không chỉ xử lý dữ liệu mà còn điều khiển các bộ phận khác nhau theo yêu cầu, đảm bảo hoạt động hiệu quả của hệ thống.
Mạch động lực: vận hành hai động cơ trục X/Y.
Như đã đề cập, máy kiểm tra và máy tính giao tiếp với nhau thông qua kết nối USB (Serial-port) theo chuẩn RS-232.
Sau đây là sơ đồ hệ thống điều khiển của máy kiểm tra:
Hình 4.1Sơ đồ hệ thống điện máy kiểm tra.
Như vậy, ta có các thành phần điện trong hệ thống như sau:
Bảng 4.1Các thành phần điện của hệ thống
STT Thành phần Số lượng
3 Mạch chuyển đổi USB-UART 1
Lựa chọn vi điều khiển
Máy kiểm tra được thiết kế với hai trục tương tự như máy CNC, cho phép áp dụng nguyên lý điều khiển của máy CNC 2 trục Đối với các máy CNC kích thước nhỏ, vi điều khiển là bộ điều khiển phổ biến nhất được sử dụng.
Ngày nay, thị trường có đa dạng họ vi điều khiển để lựa chọn cho thiết kế bộ điều khiển Việc chọn lựa cần dựa trên các tiêu chí như khả năng đáp ứng, tiết kiệm chi phí, sự đơn giản và tiện lợi Tùy theo yêu cầu thiết kế, vi điều khiển sẽ đảm nhận nhiệm vụ chính của mình.
Giao tiếp với máy tính ở tốc độ tương đối cao.
Tạo ra tín hiệu điều khiển cho 2 động cơ bước.
Giới hạn hành trình 2 trục.
Khi bàn máy đạt đến vị trí xác lập, tín hiệu sẽ được trả về máy tính Để thực hiện nhiệm vụ này, tôi đã chọn phương án điều khiển máy kiểm tra bằng vi điều khiển, cụ thể là vi điều khiển PIC16F877A của hãng Microchip.
Hình 4.2Vi điều khiển PIC16F877A.
Vi điều khiển PIC16F877A nổi bật với giá thành thấp và tính quen thuộc đối với sinh viên, giúp việc lập trình điều khiển trở nên dễ dàng Nó còn hỗ trợ truyền nhận dữ liệu với máy tính qua giao tiếp UART (chuẩn RS-232) và sở hữu 33 ngõ I/O, đáp ứng tốt các yêu cầu kỹ thuật.
4.2.1 Một số tính năng vi điều khiển PIC16F877A
Một số tính năng của vi điều khiển PIC16F877A được trình bày trongHình 4.3
Hình 4.3Các tính năng của vi điều khiển PIC16F877A.
4.2.2 Giao tiếp giữa vi điều khiển với máy tính Để truyền nhận dữ liệu 2 chiều giữa vi điều khiển và máy tính, ta sẽ sử dụng chức năng UART trên PIC16F877A thông qua chuẩn giao tiếp nối tiếp RS232 Ghép nối qua cổng nối tiếp RS232 là một trong những kỹ thuật được sử dụng để ghép nối các thiết bị ngoại vi với máy tính Nó là một chuẩn giao tiếp nối tiếp không đồng bộ - nối tiếp, nghĩa là chỉ có 1 bit được truyền tại mỗi thời điểm, bất đồng bộ có nghĩa là thông tin sẽ không truyền trong những khoảng thời gian định trước và kết nối nhiều nhất là 2 thiết bị Chiều dài kết nối lớn nhất cho phép để đảm bảo dữ liệu là 12.5 đến25.4m, tốc độ 20kbit/s đôi khi là tốc độ 115kbit/s với một số thiết bị đặc biệt.
Với loại chip PIC16F877A/P - 40 PDIP ta có các chân giao tiếp UART như sau:
Chân 25 (TX): chân truyền dữ liệu UART.
Chân 26 (RX): chân nhận dữ liệu UART.
Để thực hiện truyền nhận dữ liệu qua kết nối RS-232 mà không cần handshaking, cần sử dụng một module chuyển đổi tín hiệu UART TTL sang USB Trong luận văn này, module CP2102 được sử dụng với sơ đồ nguyên lý như đã đề cập.
Hình 4.5Sơ đồ nguyên lý mạch chuyển đổi USB UART CP2102.
Các thành phần khác của hệ thống điện
4.3.1 Mạch điều khiển (driver) cho động cơ bước
Trên thị trường hiện nay, có nhiều loại mạch driver để điều khiển động cơ bước, và việc lựa chọn loại driver phù hợp phụ thuộc vào loại động cơ, công suất và bước điều khiển Đối với động cơ công suất lớn, các loại driver phổ biến bao gồm TB6600HQ/HG và Leadshine DM860/DM542 Trong khi đó, cho động cơ công suất nhỏ, thường sử dụng các module như Pololu – A4988, Pololu – DRV8825 và Toshiba – TB6560 Những module này thường được áp dụng trong máy in 3D, máy phay CNC công suất nhỏ và một số thiết bị khác.
Trong khuôn khổ luận văn sẽ sử dụng module Pololu–DRV8825 do module này có các ưu điểm như sau:
Kích thước nhỏ gọn (1.5 × 2 mm).
Thích hợp điều khiển động cơ bước từ8.2 V ~ 45 V − 2.5 A max.
Điều khiển bước động cơ: 1; 1/2; 1/4; 1/8; 1/16; 1/32.
Bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá nhiệt…
Hình 4.6Module DRV8825 và sơ đồ kết nối.
Ta kết nối các chân như sau:
Chân STEP: dùng để kích xung cho động cơ.
Chân DIR: chọn chiều quay cho động cơ.
Các chân A1, A2, B1, B2: kết nối với 4 đầu dây của động cơ bước.
Các chân M0, M1, M2 dùng để chọn chế độ hoạt động xác định nhưBảng 4.2. Bảng 4.2Các chế độ họat động của động cơ bước với driver DRV8825.
Hình 4.7Sơ đồ module DRV8825.
(Nguồn: www.pololu.com) 4.3.2 Công tắc giới hạn hành trình (Endstop)
Công tắc giới hạn hành trình là thiết bị quan trọng giúp xác định vị trí Home và giới hạn di chuyển của các trục Mạch Endstop thông báo khi động cơ các trục X, Y trở về vị trí Home và khi đạt đến giới hạn cuối hành trình.
Hình 4.8 Module Endstop cơ và quang sử dụng trên các máy in 3D kích thước nhỏ.
Hình 4.9Sơ đồ nguyên lý chung của Endstop.
Nguyên lý hoạt động của Endstop dựa trên một công tắc đóng ngắt Để đáp ứng nhu cầu sử dụng, thiết bị cần được trang bị 4 công tắc hành trình, bao gồm HomeX, HomeY, LimitX và LimitY.
Do điều kiện thực tế ta sử dụng Endstop cơ có nguyên lý như trên.
Sau thiết kế, lựa chọn các module và linh kiện dựa theo yêu cầu đặt ra, mạch điều khiển được thiết kế nhưBảng 4.3.
Bảng 4.3Bảng sơ đồ kết nối chân vi điều khiển
Hình 4 10 Sơ đồ nguyên lý khối điều khiển
Hình 4.11Sơ đồ nguyên lý khối công tắc hành trình
Các thiết bị được kết nối vào mạch nhưHình 4.12
Hình 4.12 Sơ đồ kết nối các thiết bị, module trên mạch điều khiển.
Lập trình bộ điều khiển trên vi điều khiển PIC16F877A
4.5.1 Bộ điều khiển trên vi điều khiển (MCU)
Giải thuật hoạt động của bộ điều khiển được trình bày ởHình 4.13:
Khi thiết bị khởi động, bàn máy sẽ tự động di chuyển về vị trí Home và bắt đầu chờ nhận byte có giá trị “ISMACHINEREADY” từ đường truyền RS-232.
Khi byte “ISMACHINEREADY” được gởi đến từ PC, MCU sẽ gửi một byte
“MACHINEREADY” để trả lời cho phần mềm trên PC Quá trình này cho phép đồng bộ hóa giữa phần mềm PC và phần cứng trên MCU.
Chương trình hoạt động với hai chế độ: chế độ Manual cho phép điều khiển bàn máy thông qua các nút nhấn, và chế độ Auto cho phép máy tự động di chuyển liên tục đến các vị trí theo vòng lặp dựa trên giá trị cài đặt.
Khi đã hoàn tất kết nối, máy sẽ mặc định ở chế độ Manual đến khi nhận được byte “STARTINSPECTION” được gởi đến và chuyển sang chế độ Auto.
Trong chế độ Auto, MCU nhận tuần tự các tập dữ liệu 3-byte từ PC để điều khiển bàn máy di chuyển đến vị trí xác định, sau đó gửi lại một byte có giá trị.
“MOVINGDONE” thông báo cho PC rằng bàn máy đã được đặt đúng vị trí và đang chờ lệnh tiếp theo Quá trình này sẽ tiếp tục lặp lại cho đến khi hoàn thành và nhận được byte kết thúc.
“STOPINSPECTION” sau đó sẽ quay lại chế độ Manual.
Hình 4.13Lưu đồ giải thuật trên vi điều khiển.
4.5.2 Giao thức truyền nhận dữ liệu bằng RS-232
Dữ liệu giữa PC và MCU được truyền theo chuẩn RS-232, yêu cầu một tiêu chuẩn sắp xếp để đảm bảo thông tin truyền đi được tổ chức hợp lý MCU sẽ thực hiện giải mã dữ liệu khi nhận được, và cấu trúc dữ liệu sẽ được quy định rõ ràng.
Để di chuyển trục X theo chiều dương, cần gửi 3200 xung từ PC đến MCU, và giá trị các byte được xác định như trong cấu trúc dữ liệu.
Vậy ta cần truyền một gói dữ liệu { 0x30 ; 0x80 ; 0x0C } để di chuyển trục X
THIẾT KẾ GIẢI THUẬT XỬ LÝ HÌNH ẢNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
Phương pháp xử lý ảnh
5.1.1 Các bước xử lý ảnh
Con người thu nhận thông tin chủ yếu qua các giác quan, với thị giác là quan trọng nhất Gần đây, sự phát triển mạnh mẽ của phần cứng máy tính đã thúc đẩy lĩnh vực xử lý ảnh và đồ hoạ, mở ra nhiều ứng dụng trong đời sống Quá trình xử lý ảnh được hiểu là thao tác trên ảnh đầu vào để đạt được kết quả mong muốn, có thể là một bức ảnh "tốt hơn" hoặc một kết luận cụ thể.
Các bước cơ bản của một hệ thống xử lý ảnh kiểm tra sản phẩm bao gồm:
Khối thu nhận ảnh: có nhiệm vụ tiếp nhận ảnh đầu vào, ở đây ta sử dụng camera lấy trực tiếp ảnh sản phẩm.
Khối tiền xử lý: có nhiệm vụ xử lý nâng cao chất lượng ảnh như giảm nhiễu, phân vùng, tìm biên,
Khối trích chọn đặc điểm đóng vai trò quan trọng trong việc chọn lọc các đặc trưng nổi bật của những bức ảnh đã qua tiền xử lý, nhằm phục vụ cho hệ thống quyết định.
Khối hậu xử lý có vai trò quan trọng trong việc xử lý các đặc điểm đã được trích xuất, với khả năng lược bỏ hoặc biến đổi chúng để phù hợp với các kỹ thuật cụ thể được áp dụng trong hệ quyết định.
Khối hệ quyết định và lưu trữ: có nhiệm vụ đưa ra quyết định (phân loại) dựa trên dữ liệu đã học lưu trong khối lưu trữ.
Khối kết luận: đưa ra kết luận dựa vào quyết định của khối quyết định
Hình 5.1Các bước cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh [4]
Trong xử lý ảnh, phương pháp Principal Components Analysis (PCA) hay "phân tích các thành phần chính" là một kỹ thuật phổ biến giúp huấn luyện, phân tích và nhận dạng đối tượng Mục tiêu của PCA là giảm số chiều của tập vecto mà vẫn đảm bảo tối đa thông tin quan trọng Phương pháp này giữ lại K thuộc tính "mới" từ M thuộc tính ban đầu, với K nhỏ hơn nhiều so với M PCA sẽ được áp dụng để nhận dạng khuyết tật trên sản phẩm.
Đối tượng kiểm tra: Vi điều khiển STM8-C6T6 xếp trên khay nhựa chuyên dụng có số lượng 25×10pcs.
Đầu vào: là ảnh của một sản phẩm được chụp bằng camera kết nối với máy tính thông qua cỗng USB.
Đầu ra: nhận dạng sản phẩm không lỗi (OK) hay lỗi (NG) và phân loại lỗi(sai hướng; sai, khuyết mark; thiếu chân).
Thuật toán PCA nhận dạng khuyết tật sản phẩm
Hình 5.3 Hệ thống nhận dạng tổng quát.
Các tập ảnh huấn luyện đã chụp trong điều kiện như sau:
Ánh sáng ổn định, có trợ sáng bằng đèn compact 30W.
Khoảng cách từ mặt trên sản phẩm đến ống kính camera là 20mm.
Ta thu được các ảnh huấn luyện như sau:
Hình 5.4Ảnh chụp sản phẩm không lỗi. a) Sai hướng b) Khuyết mark c) Sai mark d) Thiếu chân
Hình 5.5Ảnh chụp sản phẩm lỗi.
Hình 5.6Bộ ảnh huấn luyện thu được.
Khối tiền xử lý đóng vai trò quan trọng trong việc chuẩn hóa ảnh, nhằm nâng cao hiệu quả tìm kiếm Các công việc trong giai đoạn này bao gồm chuẩn hóa kích thước ảnh giữa tập huấn luyện và ảnh kiểm tra, điều chỉnh độ sáng và tối, cũng như lọc nhiễu Những công việc tiền xử lý cần thực hiện sẽ được trình bày cụ thể trong đề tài.
Hình 5.7 Các bước tiền xử lý.
After reading the input image, we convert it to grayscale to prepare for isolating the product area that needs error checking To identify the processing region, we utilize the SURF (Speeded-Up Robust Features) function supported by OpenCV, which involves several steps: detecting scale-space extrema, localizing keypoints, assigning orientations, and creating keypoint descriptors.
Hình 5.8Phát hiện vùng ảnh quan tâm bằng SURF.
Cách bước tiền xử lý trong chương trình như sau:
Bước 1: Đọc ảnh đầu vào (chụp từ camera hoặc lấy từ file sẵn có)
Hình 5.9 Ảnh đầu vào (1280×1024px) Bước 2: Chuyển thành ảnh xám
Hình 5.10 Ảnh sau khi chuyển sang ảnh xám.
Bước 3: Nhận dạng vùng ảnh
Hình 5.11Ảnh sau khi nhận dạng vùng ảnh.
Hình 5.12Ảnh sau khi cắt (780×780px).
Bước 5: Chuẩn hóa kích thước
Chuẩn kích thước là quá trình điều chỉnh các ảnh kiểm tra về cùng một kích thước với ảnh mẫu, điều này rất quan trọng trong việc trích chọn đặc trưng và nhận dạng.
5.2.3 Trích đặc trưng ảnh huấn luyện
Hình 5.13Lưu đồ thuật toán trích chọn đặc trưng ảnh huấn luyện [8]
Bước 1: Đọc vào các ảnh I1, I2, … In(từ tập các ảnh huấn luyện).
Vì các ảnh có kích thước lớn nên để đơn giản, ta giả sử có 3 ảnh trong tập huấn luyện (kích thước 2×2) như sau:
I1 = 1 24 5 ; I 2 = 7 32 1 ; I 3 = 1 92 5 Bước 2: Biểu diễn mọi ảnh Ii thành vectori. Γ 1 14
95 Bước 3: Tính vector trung bình . Ψ = 1
Với M là số ảnh trong tập huấn luyện,ilà vecto 1 chiều đại diện cho mỗi ảnh,là vecto trung bình của tập tất cả cáci Khi đó: Ψ = 3 8
Bước 4: Tính sai số của các ảnh. Φi = Γi− Ψ [3] (5.2)
Vớii là vector sai số tương ứng với mỗi ảnh Khi đó: Φ1 = −2 4
Bước 5: Tính ma trận hiệp phương sai.
3 25 Bước 6: Tính các giá trị riêng và vector riêng của ma trận hiệp biến.
Khi đó vector riêng v i và trị riêng λ i (bỏ đi các trị riêng bằng 0 và sắp xếp theo thứ tự giảm dần). v1 = −0.0427 0.7275 −0.6868 T ; λ 1 = 44.0604 v2 = 0.8154 −0.3707 −0.4447 T ; λ2 = 21.9336
Bước 7: Tìm vector đặc trưng PCA.
Các vector đặc trưng được tính bằng công thức: u i = v i A (5.5) VớiA = Φ1 Φ 2 … Φ n , làv i vector riêng Khi đó: u 1 = 4.3649 −0.0854 −4.0661 −2.9099 T u2 = −2.2244 1.6308 −3.4833 1.4829 T
Bước 8: Biểu diễn các vector trong không gian đặc trưng.
Chuyển các vector đặc trưngu i về vector đơn vị u i = 1, nghĩa là: u i = ui u i [3] (5.6)
Các vector cơ sở trong không gian mới là: u1 = 0.6576 −0.0129 −0.6126 −0.4384 T u 2 = −0.4749 0.3482 −0.7437 0.3166 T
Hình 5.14Thuật toán khâu nhận dạng khuyết tật [8]
Bước 1: Đọc ảnh cần kiểm tra và chuyển thành vecto 1 chiều.
Bước 2: Chuẩn hóa, tính sai sốcủa ảnh so với ảnh trung bình.
Với là sai số trung bình của tập ảnh huấn luyện tính ở công thức (4.1) Bước 3: Biểu diễn ảnh trong không gian vector trị riêng. Ω u 1 T Φ u 2 T Φ u 3 T Φ u… … n T Φ
Vớiu 1 , u 2 , …u k là các vector đặc trưng.
Bước 4: Tính khoảng cách trong không gian cơ sở. er = minl Ω − Ω l [3] (5.9)
Để nhận dạng ảnh, chúng ta tìm ảnh thứ l trong tập mẫu có khoảng cách gần nhất với ảnh cần xác định Bên cạnh đó, khoảng cách Euclid có thể được sử dụng để tính toán giá trị er, với công thức là Ω − Ω l.
Bước 5: Đưa ra kết quả nhận dạng.
Chương trình điều khiển và lưu đồ gải thuật
5.3.1 Giải thuật hoạt động của hệ thống
Giải thuật của hệ thống được mô tả nhưHình 5.14với các bước chính:
Khi hệ thống được khởi động, giao diện giao tiếp sẽ xuất hiện để người vận hành tương tác Bộ điều khiển trên MCU sẽ khởi động, bàn máy sẽ tự động di chuyển về vị trí Home và bắt đầu chờ đợi cho đến khi người sử dụng nhấn nút Start trên màn hình.
Khi người dùng nhấn nút Start, hệ thống sẽ chuyển sang chế độ Manual để thực hiện kiểm tra thủ công, bao gồm dịch chuyển bàn máy, chụp mẫu bằng Camera và nhập thông số sản phẩm Sau khi nhấn nút Start Inspection, thiết bị sẽ tự động kích hoạt chương trình kiểm tra trong chế độ Auto cho đến khi hoàn tất, rồi tự động trở về chế độ Manual để chờ lệnh tiếp theo.
Hình 5.15Lưu đồ giải thuật chương trình chính.
5.3.2 Giải thuật hoạt động chế độ Manual
Hình 5.16 Lưu đồ giải thuật chế độ Manual.
Chế độ Manual là chế độ khởi động mặc định của hệ thống, cho phép người dùng tự do điều chỉnh vị trí camera để chụp ảnh và xử lý các cảnh vật theo ý muốn Trong chế độ này, bạn có thể chụp ảnh mẫu và hiệu chỉnh các thông số của camera một cách linh hoạt.
5.3.3 Giải thuật hoạt động chế độ Auto
Trong chế độ Auto, hệ thống hoạt động tự động dựa trên các thông số đã được cài đặt sẵn, bao gồm vị trí bắt đầu và khoảng cách giữa các sản phẩm Trong quá trình kiểm tra, chương trình tự động lưu trữ kết quả kiểm tra cùng với hình ảnh sản phẩm vào thư mục dữ liệu trên máy tính.
Chương trình được phát triển bằng ngôn ngữ C# trên nền tảng Visual Studio 2013, sử dụng các thư viện miễn phí như EmguCV và DirectShowLib, cùng với các thư viện có sẵn của Microsoft Giao diện của chương trình được thiết kế thân thiện và dễ sử dụng.
Hình 5.18Giao diện chương trình điều khiển và xử lý ảnh.
Quy trình vận hành chương trình bao gồm:
Khởi động máy kiểm tra.
Khởi động chương trình điều khiển.
Chọn và kết nối Camera, kết nối cỗng Serialport.
Nhấn nút Start Machine để bắt đầu.
Đặt khay chứa linh kiện vào vị trí trên bàn máy kiểm tra.
To initiate the automatic inspection, click the "Start Inspection" button, or utilize the function buttons to move the machine table and select "Manual" for a detailed check at each position.
Kết quả sẽ được lưu vào một tập tin Excel trong một thư mục định sẵn.
THỰC NGHIỆM – ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Giới thiệu mô hình thực nghiệm
Khung máy sẽ được lắp ráp từ nhôm định hình để đảm bảo độ cứng vững và chính xác Tuy nhiên, do đây là mô hình thử nghiệm, một số bộ phận sẽ sử dụng mica và nhựa in 3D thay vì nhôm CNC nhằm giảm thiểu chi phí và dễ dàng thay thế, cải tiến trước khi đưa vào sử dụng thực tế Hạn chế của việc này là không đảm bảo độ chính xác cơ khí, dẫn đến giảm tốc độ vận hành và tăng thời gian kiểm tra so với tính toán.
Dưới đây là một số hình ảnh thực tế về máy kiểm tra đã lắp ráp:
Hình 6.1 Hình ảnh thực tế của hệ thống thực nghiệm.
Thực nghiệm vận hành và phát hiện lỗi sản phẩm
Quá trình thực nghiệm diễn ra trong môi trường ánh sáng ổn định, tương tự như các tập dữ liệu huấn luyện, nhằm đảm bảo độ chính xác trong kiểm tra Trong phần thực nghiệm nhận dạng lỗi, có các trường hợp như không lỗi, sai hướng 90 độ, sai hướng -90 độ và ngược hướng.
Hình 6.2 Các trường hợp lỗi “Sai hướng”.
Bảng 6.1Kết quả nhận dạng lỗi “Sai hướng”:
STT Lỗi nhận dạng Kết quả Thời gian (s)
Tỉ lệ nhận dạng đúng là 7/10.
Thời gian kiểm tra trung bình: 2.9 s/sản phẩm.
6.2.2 Thực nghiệm nhận dạng lỗi “Sai, khuyết mark” a) Không lỗi b) Sai mark c) Khuyết mark
Hình 6.3Các trường hợp lỗi “Sai, khuyết mark”.
Bảng 6.2Kết quả nhận dạng lỗi “Sai, khuyết mark”:
STT Lỗi nhận dạng Kết quả Thời gian (s)
Tỉ lệ nhận dạng đúng là 6/10.
Thời gian kiểm tra trung bình: 3.1 s/sản phẩm.
6.2.3 Thực nghiệm nhận dạng lỗi “Thiếu chân” a) Không lỗi b) Thiếu chân
Hình 6.4Các trường hợp lỗi “Thiếu chân”.
Bảng 6.3Kết quả nhận dạng lỗi “Thiếu chân”:
STT Lỗi nhận dạng Kết quả Thời gian (s)
Tỉ lệ nhận dạng đúng là 5/10.
Thời gian kiểm tra trung bình: 3.2 s/sản phẩm.
6.2.4 Thực nghiệm kiểm tra tự động trên khay chứ sản phẩm ngẫu nhiên.
Trong một thí nghiệm kiểm tra tự động, 10 sản phẩm được sắp xếp theo thứ tự ngẫu nhiên, bao gồm 5 sản phẩm đạt tiêu chuẩn, 1 sản phẩm bị lỗi do sai hướng, 2 sản phẩm gặp lỗi do sai hoặc thiếu mark, và 2 sản phẩm thiếu chân.
Bảng 6.4Kết quả kiểm tra tự động trên khay sản phẩm ngẫu nhiên:
STT Sai hướng Sai, khuyết mrk Thiếu chân Sản phẩm không lỗi
Thời gian kiểm tra trung bình: 50 s
Với loại lỗi “Sai hướng” kết quả nhận dạng luôn đúng.
Với loại lỗi “Thiếu chân” tí lệ nhận dạng chính xác còn thấp, còn bỏ sót.
Với loại lỗi “Sai, khuyết mark” tí lệ nhận dạng chính xác chưa tốt, đưa về kết quả sản phẩm không lỗi.
Đánh giá kết quả và kết luận
Tỉ lệ nhận dạng thành công trung bình còn thấp khoảng 65 %, thời gian trung bình là 3s/sản phẩm (không tính thời gian di chuyển bàn máy).
Khả năng phát hiện được sản phẩm “không lỗi” tương đối cao trong điều kiện môi trường được cố định, ánh sáng tốt, gần với điều kiện lấy mẫu.
Độ chính xác của phương pháp nhận dạng ảnh chịu ảnh hưởng lớn từ bước tiền xử lý ảnh, sự khác biệt giữa ảnh huấn luyện và ảnh kiểm tra, cũng như số lượng ảnh huấn luyện được sử dụng.
Quá trình di chuyển đến các vị trí chụp lấy ảnh còn chậm, làm tăng thời gian của quá trình kiểm tra.
TỔNG KẾT VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
Kết quả đạt được
Luận văn đã thực hiện được các nhiệm vụ:
Tìm hiểu các yêu cầu của hệ thống kiểm tra ngoại sản phẩm dùng camera.
Tìm hiểu phương pháp kiểm tra ngoại quan, xử lý ảnh, điều khiển cơ cấu chấp hành.
Tính toán, thiết kế và chế tạo mô hình cho máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm tự động.
Xây dựng giải thuật và lập trình điều khiển bàn máy, giao tiếp với máy tính trên vi điều khiển PIC.
Xây dựng giải thuật và lập trình xử lý ảnh để nhận dạng 3 lỗi phổ biến: sai hướng, sai - khuyết mark, thiếu chân.
Thiết kế giao diện chương trình điều khiển máy kiểm tra và nhận dạng kiểm tra sản phẩm tự động.
Tiến hành thực nghiệm, đánh giá kết quả.
Hạn chế của luận văn
Bên cạnh những kết quả đạt được luận văn còn tồn tại nhiều mặt hạn chế:
Tỉ lệ nhận dạng sản phẩm lỗi chưa cao.
Thành phần kết cấu cơ khí chưa đúng tiêu chuẩn nên làm chậm tốc độ vận hành.
Chưa đạt được mục tiêu về năng suất kiểm tra 20 khay sản phẩm/giờ.
Hướng phát triển đề tài
Các hướng phát triển của đề tài:
Chụp và kiểm tra cùng lúc nhiều sản phẩm để giảm bước dịch chuyển bàn máy.
Tối ưu giải thuật giảm thời gian xử lý.
Phát triển giải thuật để kiểm tra thêm các lỗi khác trên sản phẩm.
![Hình 5.13 Lưu đồ thuật toán trích chọn đặc trưng ảnh huấn luyện. [8] Bước 1: Đọc vào các ảnh I1, I2, … In(từ tập các ảnh huấn luyện). - Thiết kế máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm](https://media.store123doc.com/figures/002/211/hinh-thuat-huan-luyen-buoc-doc-huan-luyen-2211531.png)
