Đồ án: Cánh tay robot gắp và phân loại sản phẩm theo chiều cao

Tổng quan đồ án cánh tay robot gắp và phân loại sản phẩm theo chiều cao tự động. Mô hình ứng dụng PLC, SCADA và cung cấp thiết kế cơ khí chi tiết.

• Tác giả: Nguyễn Thanh Tuyền
• Người hướng dẫn: Ths. Trương Thu Hiền
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Tp. Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điều Khiển Và Tự Động Hóa
• Đề tài: Cánh Tay Robot Gắp Và Phân Loại Sản Phẩm Theo Chiều Cao
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới thiệu về cánh tay robot phân loại sản phẩm theo chiều cao

Cánh tay robot phân loại sản phẩm theo chiều cao là một giải pháp tự động hóa hiện đại trong lĩnh vực sản xuất công nghiệp. Hệ thống này được thiết kế dưới dạng mô hình thu nhỏ sử dụng PLC FX3U 24MT để điều khiển toàn bộ quá trình hoạt động. Công nghệ cánh tay robot khí nén kết hợp với các cảm biến thông minh cho phép phân loại chính xác sản phẩm dựa trên độ cao. Hệ thống vận hành thông qua giám sát SCADA qua cổng truyền thông RS232, cho phép người vận hành nhập số lượng phôi thấp và cao cần phân loại. Đây là một bước tiến lớn trong tự động hóa quy trình sản xuất, giúp tăng hiệu suất và độ chính xác so với phương pháp phân loại thủ công truyền thống.

1.1. Thực trạng tự động hóa trong sản xuất

Các nhà máy hiện đại ngày nay đang chuyển dần sang tự động hóa quá trình sản xuất để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm. Cánh tay robot đã trở thành công cụ không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất. Hệ thống phân loại sản phẩm tự động giúp giảm chi phí lao động, tăng tốc độ xử lý và giảm tỷ lệ lỗi trong quá trình phân loại.

1.2. Các thành phần chính của hệ thống

Hệ thống bao gồm băng tải, cảm biến, cánh tay robot khí nén, cơ cấu vitme và tủ điều khiển. Báng tải đưa phôi qua các cảm biến để nhận tín hiệu phân loại. Cánh tay robot thực hiện gắp và di chuyển sản phẩm từ băng tải đến các khay chứa tương ứng dựa trên chiều cao được phát hiện.

II. Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại

Nguyên lý hoạt động của cánh tay robot phân loại sản phẩm dựa trên quy trình liên tiếp và tự động. Khi sản phẩm được đưa vào băng tải, nó sẽ di chuyển qua các cảm biến quang học hoặc cảm biến cơ học để xác định chiều cao của sản phẩm. Thông tin này được gửi đến PLC (Programmable Logic Controller) để xử lý. Khi sản phẩm đến vị trí của cánh tay robot, băng tải dừng lại và cánh tay robot bắt đầu động tác gắp. Robot sử dụng khí nén để tạo lực gắp, sau đó di chuyển sản phẩm đến cơ cấu vitme. Cơ cấu vitme được điều khiển bởi động cơ bước thông qua Driver TB6560, di chuyển khay chứa đến vị trí chính xác dựa trên thông tin phân loại từ PLC.

2.1. Quy trình gắp sản phẩm

Khi cảm biến phát hiện sản phẩm ở vị trí chính xác, băng tải dừng để cánh tay robot có thể thực hiện động tác gắp. Xylanh khí nén mở rộng hoặc co lại để tạo lực gắp an toàn. Robot di chuyển sản phẩm từ băng tải lên cơ cấu vitme với độ chính xác cao.

2.2. Cơ chế phân loại theo chiều cao

Cảm biến quang học hoặc cảm biến cơ học đo chiều cao sản phẩm và gửi tín hiệu về PLC. PLC xử lí dữ liệu và quyết định sản phẩm nên được di chuyển vào khay chiều cao thấp hay chiều cao cao. Động cơ bước được điều khiển chính xác để di chuyển khay phân loại đến vị trị đúng.

III. Thiết kế phần cứng và lựa chọn thiết bị

Thiết kế phần cứng của cánh tay robot phân loại sản phẩm yêu cầu lựa chọn cẩn thận các thành phần cơ khí và thành phần điện. Băng tải được thiết kế để di chuyển sản phẩm một cách ổn định với tốc độ có thể điều chỉnh. Cánh tay robot khí nén sử dụng xylanh pneumatic để tạo lực gắp mạnh mẽ và chính xác. Cơ cấu vitme sử dụng động cơ bước để đảm bảo độ chính xác cao trong việc di chuyển khay phân loại. Tủ kính bảo vệ toàn bộ hệ thống và cho phép giám sát trực quan. PLC FX3U 24MT được chọn làm bộ điều khiển trung tâm vì độ tin cậy cao và khả năng lập trình mạnh mẽ. Các van điện từ, rơle trung gian, công tắc hành trình và nút nhấn được lựa chọn phù hợp với yêu cầu kỹ thuật.

3.1. Lựa chọn động cơ và truyền động

Động cơ cho băng tải được tính toán dựa trên khối lượng sản phẩm và tốc độ mong muốn. Động cơ bước cho cơ cấu vitme đảm bảo độ chính xác cao. Khí nén được cung cấp bởi máy bơm khí chất lượng cao, với ống dẫn khí và van tiết lưu để điều chỉnh áp suất.

3.2. Hệ thống cảm biến và điều khiển

Cảm biến quang học hoặc cảm biến cơ học phát hiện sản phẩm và chiều cao. Công tắc hành trình xác định vị trí của khay phân loại. PLC FX3U 24MT xử lí tất cả tín hiệu từ cảm biến và điều khiển các van điện từ, động cơ và rơle.

IV. Phần mềm điều khiển và ứng dụng thực tế

Phần mềm điều khiển hệ thống cánh tay robot phân loại sản phẩm được thiết kế bằng Gxworks 2 với logic lập trình rõ ràng và hiệu quả. Sơ đồ đấu nối PLC được thiết lập chính xác để kết nối tất cả các thiết bị. Bảng địa chỉ vào ra được xác định rõ ràng để quản lý các tín hiệu. Lưu đồ thuật toán giúp định hình rõ ràng các bước hoạt động. Hệ thống SCADA được thiết kế trên phần mềm EB8000 cho phép giám sát và điều khiển từ xa qua giao diện người dùng thân thiện. Cổng truyền thông RS232 kết nối PLC với máy tính SCADA, cho phép nhập số lượng phôi thấp và cao. Bản vẽ 3D trên Solidworks giúp mô phỏng hoạt động trước khi thi công thực tế. Hệ thống đã được kiểm chứng thành công trong các thử nghiệm công nghiệp.

4.1. Thiết kế giao diện SCADA

SCADA EB8000 cung cấp giao diện trực quan để người dùng nhập dữ liệu và theo dõi hoạt động. Màn hình hiển thị thể hiện trạng thái của cánh tay robot, báng tải, cảm biến và khay phân loại. Cảnh báo lỗi được hiển thị ngay lập tức.

4.2. Ứng dụng và tương lai phát triển

Hệ thống phân loại sản phẩm tự động có thể được ứng dụng trong các nhà máy sản xuất, cơ sở đóng gói, và kho lưu trữ. Hướng phát triển bao gồm tích hợp trí tuệ nhân tạo để nhận dạng sản phẩm tốt hơn, và kết nối Internet of Things để quản lý toàn chuỗi.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG I: GIỚI THIỆU CHUNG 1.1 Thực trạng của quá trình sản xuất. Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kĩ thuật, kĩ thuật điện – điện tử và kĩ thuật điều kiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin… Với những kỹ thuật tiên tiến như: vi xử lí, PLC, vi mạch số,… được ứng dụng vào lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thô sơ, với tốc độ xử lí chậm chạp, ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương trình đã được thiết lập trước. Do vậy, trong quá trình hoạt động ở các nhà máy, công ty xí nghiệp hiện nay đều đã áp dụng tự động hoá vào sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền và sản phẩm của toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng. Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình “Cánh tay Robot gắp và phân loại sản phẩm theo chiều cao”.

Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng cảm biến để xác định chiều cao của sản phẩm. Sau đó, cánh tay xy lanh khí nén sẽ gắp sản phẩm sang khu vực phân loại. Sử dụng động cơ bước và cơ cấu vitme để di chuyển vật đến vị trí cần phân loại. Cuối cùng, dùng xy lanh để đẩy sản phẩm đã phân loại vào khâu kế tiếp.

Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:  Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.  Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã nhanh chóng.  Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa.2 Tổng quan về các hệ thống phân loại sản phẩm. Hệ thống phân loại sản phẩm cũng tuỳ theo yêu cầu công nghệ, cũng dựa trên sản phẩm cũng như khách hàng muốn sử dụng như thế nào để lựa chọn, thiết kế đúng như yêu cầu đặt ra.1 Các hệ thống phân loại sản phẩm đang hiện hành Hiện nay, đã có rất nhiều hệ thống phân loại tự động trên thị trường như: - Hệ thống phân loại tự động theo màu sắc - Hệ thống phân loại tự động theo mã vạch - Hệ thống phân loại tự động theo cân nặng - Hệ thống phân loại tự động theo kích thước - Hệ thống phân loại tự động theo chiều cao - … a, Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiện nay.

Dây chuyền sorting này được sử dụng để phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch, mã QR.1 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch (Nguồn: Internet) 4 Với các thông tin lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết (hub) theo yêu cầu đặt ra như: - Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model… - Với các bưu phẩm, đơn hàng chuyển phát nhanh: phân loại theo ngày lên đơn, cách thức đóng gói, địa điểm giao hàng, hàng chuyển nhanh-tiêu chuẩn… - Với các sản phẩm nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm… Các hộp, thùng hàng được đặt lên băng tải phân loại bởi công nhân hoặc cánh tay robot cộng tác, robot xếp hàng lên pallet từ băng tải cấp hoặc xe tự hành AGV trong các nhà máy thông minh. b, Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng Là hệ thống phân cỡ sản phẩm ứng dụng đa dạng các loại/kiểu sản phẩm theo nguyên tắc kiểm tra khối lượng online (bằng việc đọc tín hiệu analog từ loadcell sau đó qua bộ xử lí để kiểm tra và phân loại) sau đó phân ra từng cỡ trọng lượng theo yêu cầu.2 Dây chuyền phân loại nông sản: cam, táo (Nguồn: Internet) 5 c, Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại sản phẩm như cà chua, ớt, cafe, hạt nhựa màu, gạo …và các sản phẩm có yêu cầu cao về việc đồng nhất màu. Dây chuyền hoạt động dựa trên cơ chế kiểm tra sản phẩm của camera giúp loại bỏ các sản phẩm có màu sắc khác biệt … Hình 1.3 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc (Nguồn: Internet) d, Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước Là hệ thống phân loại tự động cho sản phẩm hàng hóa, trái cây và rau quả trên cơ sở kích thước bao gồm bộ phận cấp, phân loại, thả và thu hồi sản phẩm. Máy phân loại sản phẩm theo kích thước điều khiển tự động, độ chính xác cao, hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều loại sản phẩm khác nhau.4 Dây chuyền phân loại sản phẩm theo kích thước (Nguồn: Internet) 1.2 Hệ thống phân loại theo chiều cao Hiện nay, đất nước ta đang trong quá trình phát triển và hội nhập, chính vì thế các mặt hàng được sản xuất ra không những đạt tiêu chuẩn về chất lượng, mà còn đòi hỏi phải có độ chính xác cao về hình dạng, kích thước, trọng lượng… Cho nên từ đó các khu công nghiệp được hình thành với nhiều dây chuyền thiết bị máy móc hiện đại phù hợp với nhu cầu sản xuất, để tạo ra năng suất cao hơn trong 6 quá trình sản xuất.

Một trong những thiết bị, máy móc hiện đại đó phải kể đến hệ thống phân loại sản phẩm. Các phôi sau khi qua các công đoạn cắt, tiện, … sẽ được di chuyển đến khu vực thi công lắp, ráp hay các công đoạn khác. Thì với hàng loạt số phôi lẫn lộn kích thước, chúng ta sẽ mất thêm rất nhiều nhân công, thời gian để thực hiện phân loại các phôi này ra các kích thước tương ứng. Cho nên từ đó các khu công nghiệp được hình thành với nhiều dây chuyền thiết bị máy móc hiện đại phù hợp với nhu cầu sản xuất, để tạo ra năng suất cao hơn trong quá trình sản xuất.

Một trong những thiết bị, máy móc hiện đại đó phải kể đến hệ thống phân loại sản phẩm. Chính vì vậy, nhóm đã quyết định lựa chọn đề tài cánh tay gắp và phân loại sản phẩm theo chiều cao. Mô hình này sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cấu tạo cũng như nguyên lý hoạt động của các dây chuyền thiết bị được dùng trong hệ thống phân loại, đồng thời ứng dụng PLC vào việc điều khiển hệ thống trong thực tế.5 Phân loại sản phẩm theo chiều cao (Nguồn: Internet) Ứng dụng: Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụng để phân loại các sản phẩm có chiều cao khác nhau với độ chính xác cao. Hệ thống được ứng dụng rất nhiều trong các ngành công nghiệp như: - Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất gạch, ngói.

- Ứng dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm như bánh kẹo. - Ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất linh kiện, thiết bị chuyên dụng. - Ứng dụng trong công nghiệp sản xuất bia, nước giải khát. - Ứng dụng trong dây chuyền sản xuất son môi.3 Xác định mục tiêu và giới hạn của đề tài.

 Xác định mục tiêu đề tài - Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu, chế tạo mô hình phân loại theo chiều cao cho nhà xưởng CNC, các phôi tiện có kích thước cao thấp khác nhau hoặc phân loại chiều cao các gói hàng trong dây chuyền chuyển phát nhanh. - Mô hình phân loại tự động theo chiều cao hoạt động ổn định, dễ dàng sử dụng, bảo trì, sửa chữa. - Dựa trên các cơ sở hệ thống có thể tính toán, thiết kế và thi công mô hình. - Có thể dễ dàng điều chỉnh số lượng cần phân loại theo mong muốn.

- Ứng dụng được trên nhiều lĩnh vực, đặc biệt là ngành công nghiệp.  Giới hạn của đề tài Hệ thống phâm loại sản phẩm theo chiều cao là đề tài đã được nghiên cứu và phát triển. Hiện nay các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi một đồ án tốt nghiệp nên đề tài chỉ được giới hạn giải quyết một số vấn đề sau: - Đối tượng nghiên cứu: + Bộ điều khiển trung tâm: PLC FX3U.

+ Phần mềm lập trình PLC, SCADA: GX works 2, EB8000. + Các cơ cấu chấp hành: động cơ DC có giảm tốc, bộ truyền băng tải, cảm biến quang, công tắc hành trình, động cơ bước, xy lanh khí nén (kẹp, đẩy, xoay). + Bộ chuyển đổi nguồn 24VDC. + Nguồn cấp điện cho hệ thống 220VAC.

- Phạm vi nghiên cứu: + Đấu nối phần cứng và kiểm tra I/O. + Thiết kế cơ khí và hệ thống điều khiển. + Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển. + Lập trình trên PLC điều khiển mô hình phân loại.

+ Giám sát và điều khiển thông qua mạng truyền thông RS232.4 Mô tả khái quát hệ thống dự kiến để đạt được mục tiêu.1 Các vấn đề đặt ra Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo mô hình: Cánh tay gắp và phân loại sản phẩm theo chiều cao hoạt động được, chạy ổn định. Các phôi CNC có các kích thước cao thấp khác nhau. Nên chúng em quyết định lựa chọn thông số kích thước phôi của một xưởng gia công CNC (TinCNC – địa chỉ đường số 22, Phước Long B, Tp. Với phôi thấp có kích thước trung bình khoảng dài 30 mm, rộng 30mm, cao 36 mm và phôi cao có kích thước trung bình khoảng dài 30 mm, rộng 30 mm, cao 40mm.

Để thiết kế mô hình hoạt động: chúng ta cần thiết kế cơ khí, đấu nối thiết bị điện và lập trình điều khiển PLC. Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết.  Các vấn đề cần được giải quyết đó là: - Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn các vấn đề: mô hình có tính thẩm mĩ, chắc chắn, chi phí ổn.