Máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp

Đồ án tốt nghiệp thiết kế máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

• Tác giả: Trần Danh Thịnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS. Vũ Văn Phong
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2025
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan đề tài máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp

Đồ án máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp là công trình nghiên cứu tốt nghiệp tiêu biểu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh. Đề tài thuộc chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, được hướng dẫn bởi Phó giáo sư, Tiến sĩ Vũ Văn Phong. Hai sinh viên thực hiện gồm Trần Danh Thịnh và Đặng Hữu Tuấn Phong đã nghiên cứu và phát triển hoàn thiện mô hình. Hệ thống ra đời nhằm giải quyết nhu cầu siết vít chính xác trên các bề mặt cong phi cấu trúc trong dây chuyền sản xuất. Thiết kế cơ khí của mô hình có kích thước tổng thể đạt chiều cao 141cm, chiều rộng 60cm và chiều dài 60cm. Cấu trúc khung máy gia công từ nhôm định hình chất lượng cao, mang lại độ cứng vững và độ bền cơ học vượt trội. Hệ thống tích hợp bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-1200 kết hợp giao tiếp mạng Modbus TCP/IP. Thiết bị còn trang bị camera thị giác 3D hiện đại để thu thập dữ liệu hình ảnh độ sâu theo thời gian thực. Sự phối hợp đồng bộ giữa phần cứng cơ khí, điện tử và phần mềm điều khiển giúp mô hình hoạt động bền bỉ, đáp ứng tiêu chuẩn tự động hóa công nghiệp.

1.1. Mục tiêu và phạm vi nghiên cứu của đề tài

Mục tiêu trọng tâm của đề tài là xây dựng hệ thống cơ điện tử tự động hóa hoàn chỉnh. Thiết bị có khả năng cấp vít tự động, định vị chính xác vị trí lỗ ốc và siết chặt theo lực định mức. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các sản phẩm có bề mặt gia công phức tạp, lồi lõm hoặc không đồng phẳng. Nhóm nghiên cứu tiến hành thiết kế toàn bộ kết cấu cơ khí 3D trên phần mềm SolidWorks. Bản vẽ chi tiết đảm bảo tính công nghệ gia công và lắp ráp cơ khí. Bên cạnh đó, hệ thống điều khiển sử dụng PLC S7-1200 để quản lý các trục động cơ và cơ cấu chấp hành khí nén. Thiết kế tổng thể hướng tới tính ổn định và độ tin cậy công nghiệp cao.

1.2. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của công trình

Công trình mang giá trị khoa học sâu sắc khi tích hợp thành công thị giác máy tính vào cơ cấu chấp hành tự động. Việc kết hợp camera độ sâu 3D cùng thuật toán thông minh mở ra hướng tiếp cận mới cho bài toán định vị không gian. Về mặt thực tiễn, máy bắn vít tự động giúp giải phóng sức lao động thủ công trong môi trường làm việc độc hại hoặc lặp lại nhàm chán. Năng suất dây chuyền được tối ưu hóa nhờ chu kỳ siết vít ngắn và độ lặp lại cơ học cao. Lực siết được kiểm soát chặt chẽ, loại bỏ hoàn toàn hiện tượng trờn ren, lệch trục hoặc biến dạng linh kiện lắp ráp. Mô hình tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh là tiền đề quan trọng phục vụ chuyển giao công nghệ cho doanh nghiệp phụ trợ.

II. Thách thức bắn vít tự động trên các bề mặt phức tạp hiện nay

Quá trình bắt vít tự động truyền thống thường chỉ áp dụng hiệu quả trên các mặt phẳng đồng nhất hai chiều. Khi chuyển sang các phôi có bề mặt cong, lồi lõm hoặc gấp khúc, hệ thống cơ khí thông thường bộc lộ nhiều hạn chế nghiêm trọng. Vấn đề cốt lõi nằm ở việc xác định chính xác tọa độ không gian ba chiều và góc nghiêng pháp tuyến tại từng điểm siết vít. Nếu chỉ sử dụng camera 2D thông thường, máy móc không thể đo lường khoảng cách trục Z và độ lệch góc của chi tiết gia công. Sai số quang học cùng nhiễu ánh sáng môi trường khiến việc định vị lỗ ren gặp nhiều sai lệch. Đầu bắn vít dễ va chạm vào bề mặt chi tiết nếu góc nghiêng không được bù trừ kịp thời. Ngoài ra, việc siết ốc sai góc dẫn tới hiện tượng trượt ren, cháy ren và hư hỏng sản phẩm lắp ráp. Các phôi cơ khí phức tạp đòi hỏi quỹ đạo di chuyển linh hoạt và độ chính xác lặp lại tính bằng phần mười milimét. Do đó, việc nghiên cứu một giải pháp tích hợp xử lý ảnh 3D và thuật toán điều khiển chuyên sâu trở thành bài toán công nghệ cấp thiết trong ngành chế tạo.

2.1. Hạn chế của thị giác 2D và cơ cấu cơ khí phẳng

Hệ thống thị giác máy tính 2D truyền thống thu thập ảnh xám hoặc ảnh màu chỉ cung cấp tọa độ X và Y trên mặt phẳng cố định. Phương pháp này hoàn toàn mất thông tin về cao độ và chiều sâu của bề mặt phôi. Khi bề mặt gia công lồi lõm hoặc uốn lượn, camera 2D xuất hiện hiện tượng biến dạng phối cảnh, gây sai lệch lớn về vị trí tâm lỗ vít. Mặt khác, cơ cấu cơ khí 3 trục Descartes tiêu chuẩn không thể xoay đổi góc siết theo pháp tuyến của bề mặt cong. Hạn chế này làm tăng nguy cơ gãy mũi vít hoặc phá hủy bề mặt sản phẩm. Việc thiếu cảm biến phản hồi lực cũng khiến thao tác siết dễ xảy ra hiện tượng quá mô-men xoắn, gây hỏng ren phôi.

2.2. Vấn đề tối ưu hóa lộ trình di chuyển đầu bắn

Trong quy trình lắp ráp công nghiệp, một bề mặt phôi phức tạp thường chứa hàng chục điểm cần bắt vít với cao độ khác nhau. Việc di chuyển ngẫu nhiên hoặc theo thứ tự lập trình cố định làm gia tăng quãng đường di chuyển và lãng phí thời gian thao tác. Đầu bắn vít phải tốn thời gian di chuyển liên tục qua lại giữa các vị trí xa nhau. Điều này gây hao mòn cơ khí và giảm hiệu suất vận hành của dây chuyền. Ngoài ra, việc di chuyển không tối ưu trong không gian ba chiều tiềm ẩn nguy cơ va chạm giữa đầu bắt vít và các gờ nổi trên bề mặt chi tiết. Do đó, việc xây dựng giải pháp quy hoạch quỹ đạo di chuyển ngắn nhất và an toàn nhất là một yêu cầu kỹ thuật then chốt.

III. Giải pháp máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp bằng ACO

Nhóm tác giả tại Trường ĐH SPKT TP.HCM đã đề xuất giải pháp kỹ thuật tích hợp đồng bộ giữa thị giác máy tính và điều khiển tự động. Hệ thống sử dụng camera thu nhận ảnh độ sâu (Depth Image) kết hợp ảnh màu để tái tạo không gian ba chiều của phôi. Kỹ thuật lọc Gaussian (Gaussian Blur) được ứng dụng nhằm làm mịn ảnh, loại bỏ nhiễu và bảo toàn cạnh viền của lỗ ốc. Phần mềm tính toán tọa độ tâm và khoảng cách Euclidean 3D giữa các điểm siết vít. Điểm đột phá của công trình là việc ứng dụng thuật toán Tối Ưu Hóa Đàn Kiến (ACO) vào lập trình đường đi. Thuật toán mô phỏng hành vi tìm mồi của loài kiến để xác định lộ trình di chuyển ngắn nhất qua toàn bộ các điểm bắn vít. Kết quả tính toán từ thuật toán được máy tính gửi xuống bộ điều khiển lập trình PLC S7-1200 qua giao thức Modbus TCP/IP. Bộ điều khiển phát xung định vị điều khiển các động cơ servo và động cơ bước vận hành chính xác. Giao diện người dùng HMI và GUI trên máy tính cho phép giám sát thông số vận hành trực quan.

3.1. Ứng dụng lọc Gaussian và xử lý ảnh độ sâu 3D

Xử lý ảnh là khâu quyết định độ chính xác định vị của máy bắn vít tự động. Thuật toán tiền xử lý sử dụng bộ lọc Gaussian làm mịn bề mặt ảnh và triệt tiêu nhiễu hạt do cảm biến quang học gây ra. Phương pháp tính toán trọng số theo phân phối chuẩn giúp giữ nguyên độ sắc nét của các đường biên lỗ vít. Sau bước khử nhiễu, hệ thống kết hợp ma trận điểm ảnh xám và ảnh độ sâu để trích xuất tọa độ không gian X, Y, Z. Dữ liệu chiều sâu cho phép cơ cấu tính toán khoảng cách thực tế từ đầu bắn tới phôi mẫu. Nhờ đó, hệ thống chủ động điều chỉnh vị trí trục Z, tránh hiện tượng va đập và bảo đảm góc siết luôn chuẩn xác.

3.2. Thuật toán ACO tối ưu hóa quỹ đạo và điều khiển PLC

Thuật toán Tối Ưu Hóa Đàn Kiến (ACO) giải quyết bài toán người bán hàng trong không gian ba chiều bằng cách tìm đường đi có tổng chiều dài ngắn nhất. Các nghiệm số đường đi được kiểm chứng đối chiếu với phương pháp duyệt toàn bộ trên phần mềm MATLAB. Kết quả mô phỏng khẳng định thuật toán ACO luôn hội tụ về lộ trình tối ưu với thời gian tính toán rất nhanh. Sau khi xác lập lộ trình, máy tính truyền lệnh định vị xuống PLC Siemens S7-1200 qua cổng mạng Modbus TCP/IP. Bộ điều khiển PLC thực hiện phát xung điều khiển các trục truyền động theo trình tự tối ưu đã tính toán. Sự kết hợp này giảm thiểu 30% thời gian chạy không tải và nâng cao tuổi thọ cơ cấu chấp hành.

IV. Đánh giá kết quả máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp

Mô hình máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh đã vận hành thực nghiệm thành công. Hệ thống chứng minh độ ổn định cơ khí cao và khả năng định vị chính xác vượt trội. Quá trình xử lý ảnh và thuật toán tối ưu hóa đường đi ACO hoạt động mượt mà, giúp giảm đáng kể thời gian chu kỳ siết vít. Kết cấu cơ khí kích thước 141x60x60 cm vững chắc, triệt tiêu tối đa hiện tượng rung lắc trong quá trình vận hành liên tục. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển PLC S7-1200 và phần mềm giao diện GUI tạo nên phương thức vận hành thân thiện, an toàn cho công nhân kỹ thuật. Về mặt ứng dụng công nghiệp, thiết bị đáp ứng xuất sắc yêu cầu lắp ráp linh kiện ô tô, cụm đèn xe, vỏ thiết bị điện tử tiêu dùng và các chi tiết cơ khí biên dạng cong. Việc áp dụng hệ thống vào dây chuyền sản xuất thực tế giúp doanh nghiệp cắt giảm chi phí nhân công, loại trừ lỗi hư hỏng sản phẩm và nâng cao năng lực cạnh tranh trong kỷ nguyên sản xuất thông minh.

4.1. Đánh giá độ chính xác và tính ổn định hệ thống

Thực nghiệm đo kiểm cho thấy hệ thống đạt độ chính xác định vị cao trên các mẫu bề mặt lồi lõm phi tuyến. Sai số vị trí bắt vít nằm trong giới hạn cho phép của tiêu chuẩn gia công cơ khí chính xác. Cơ cấu chấp hành siết ốc vận hành nhịp nhàng với lực siết kiểm soát ổn định, không gây trầy xước hay trờn ren ốc. Thuật toán tối ưu hóa lộ trình ACO kết hợp nhịp nhàng cùng bộ điều khiển PLC, đảm bảo chuyển động không bị giật cục hay dừng đột ngột. Giao diện giám sát ghi nhận dữ liệu liên tục, cho phép phát hiện sớm các sự cố kỹ thuật. Toàn bộ chu trình từ lúc nạp phôi, chụp ảnh, tính toán quỹ đạo đến khi siết vít hoàn tất chỉ diễn ra trong vài giây, chứng minh năng lực đáp ứng dây chuyền tốc độ cao.

4.2. Khả năng mở rộng và triển khai sản xuất thực tế

Đồ án mở ra tiềm năng thương mại hóa mạnh mẽ cho các nhà máy gia công phụ trợ và sản xuất thiết bị điện tử. Mô hình dễ dàng tích hợp thêm cánh tay robot công nghiệp 6 bậc tự do nhằm mở rộng không gian làm việc cho các chi tiết cỡ lớn. Kiến trúc phần mềm dạng module linh hoạt, cho phép cập nhật các thuật toán xử lý ảnh học sâu (Deep Learning) để nhận diện đa dạng chủng loại vít khác nhau. Hệ thống kết nối PLC qua Modbus TCP/IP tạo thuận lợi lớn cho việc kết nối vào mạng lưới điều hành sản xuất MES hoặc hệ thống SCADA toàn nhà máy. Đây là nền tảng vững chắc để phát triển các trạm lắp ráp thông minh tự động hóa hoàn toàn trong tương lai.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp 4.0 phát triển mạnh mẽ, tự động hóa các công đoạn trong dây chuyền sản xuất là xu hướng tất yếu nhằm nâng cao năng suất, đảm bảo tính đồng đều của sản phẩm và giảm sự phụ thuộc vào lao động thủ công. Thao tác bắn vít là một trong những nguyên công phổ biến nhưng đòi hỏi độ chính xác và độ lặp lại cao trong ngành công nghiệp điện tử và lắp ráp cơ khí chính xác.

Theo nhóm tác giả, các hệ thống bắn vít truyền thống hiện nay chủ yếu được thiết kế để thao tác trên các bề mặt phẳng với vị trí lỗ vít cố định. Khi áp dụng vào dây chuyền có phôi thay đổi hoặc các chi tiết có bề mặt phức tạp, gồ ghề, hệ thống truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế:

• Khó khăn trong việc định vị chính xác tọa độ lỗ vít trong không gian ba chiều.
• Bắt buộc phải căn chỉnh thủ công các thông số vị trí mỗi khi thay đổi bộ khuôn sản phẩm mới.
• Chưa đạt được mức độ tự động hóa hoàn toàn do vẫn phụ thuộc vào sự can thiệp của người vận hành trong khâu hiệu chỉnh.

Nhằm giải quyết các nhược điểm trên, đề tài "Máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp" được thực hiện với mục tiêu thiết kế, chế tạo và thử nghiệm một mô hình máy bắn vít tự động tích hợp công nghệ thị giác máy tính (computer vision) và giải thuật tối ưu hóa đường đi.

Hệ thống được xác định thực hiện 6 nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể:

1. Nghiên cứu nguyên lý hoạt động của hệ thống bắn vít tự động ứng dụng xử lý ảnh và điều khiển bằng PLC.
2. Thiết kế mô hình cơ khí không gian 3 chiều bằng phần mềm SolidWorks.
3. Lập trình điều khiển trung tâm bằng PLC Siemens S7-1200 và thiết lập truyền thông với máy tính thông qua giao thức Modbus TCP/IP.
4. Thiết kế giao diện giám sát HMI và xây dựng phần mềm giao diện đồ họa người dùng (GUI) phục vụ xử lý ảnh để định vị tọa độ lỗ vít.
5. Tích hợp phần cứng cơ khí, điện, điều khiển và vận hành hệ thống trên các mẫu khuôn có bề mặt phức tạp.
6. Đánh giá hiệu quả thực nghiệm của hệ thống về độ chính xác vị trí, độ ổn định và thời gian chu kỳ thao tác.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đề tài:

• Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử bắn vít 3 trục XYZ, tích hợp camera 3D thu nhận độ sâu và thuật toán tối ưu hóa đường đi.
• Phạm vi không gian: Khung máy có kích thước 50 × 47 × 71 cm, giới hạn thao tác trong hành trình di chuyển của hệ trục vít me; thử nghiệm trên các mẫu khuôn được chế tạo sẵn với bề mặt gồ ghề, cố định bằng cơ cấu kẹp trên bàn máy.
• Phạm vi thời gian: Đồ án được triển khai thực hiện từ tháng 02/2025 đến tháng 06/2025 tại Bộ môn Tự động - Điều khiển, Khoa Điện – Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp kiến thức liên ngành giữa kỹ thuật điều khiển tự động, kỹ thuật truyền động điện tử, thị giác máy tính và giải thuật tối ưu hóa toán học:

• Hệ thống điều khiển khả trình (PLC): Sử dụng dòng PLC Simatic S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC của Siemens, hoạt động theo chu kỳ quét (scan cycle) đọc tín hiệu vào - xử lý chương trình - xuất tín hiệu ra. Ngôn ngữ lập trình chính là Ladder (LAD) được cấu hình trên nền tảng TIA Portal V17.
• Truyền động động cơ bước: Động cơ bước 2 pha NEMA 17 điều khiển qua mạch công suất TB6600, áp dụng phương pháp điều khiển vòng hở (open loop) bằng tín hiệu phát xung (PUL) và hướng quay (DIR), kết hợp vi bước để đạt độ phân giải dịch chuyển cao.
• Giao thức truyền thông công nghiệp: Ứng dụng Modbus TCP/IP chạy trên nền Ethernet (băng thông tối đa 10 Mbps) theo mô hình Client - Server (Master - Slave) nhằm trao đổi dữ liệu vị trí và lệnh điều khiển giữa máy tính xử lý ảnh và PLC.
• Thị giác máy tính và hiệu chuẩn camera: Ứng dụng ảnh số đơn kênh (Grayscale) và ảnh độ sâu (Depth Image). Kỹ thuật lọc không gian Gaussian Blur 2 chiều được áp dụng để làm mịn và khử nhiễu. Thuật toán biến đổi HoughCircles (cv2.HoughCircles trong thư viện OpenCV) được sử dụng để phát hiện tâm các lỗ vít hình tròn. Quá trình hiệu chuẩn camera sử dụng mẫu bàn cờ caro (checkerboard) 6×9 nhằm xác định ma trận nội tại K (tiêu cự $f_x, f_y$, tâm quang học $c_x, c_y$), ma trận xoay $R$ và vector tịnh tiến $t$, cho phép chuyển đổi tọa độ điểm chiếu 2D $(u, v)$ sang tọa độ thực 3D $(X_w, Y_w, Z_w)$.
• Thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (Ant Colony Optimization - ACO): Áp dụng mô hình thuật toán metaheuristic do Dorigo và cộng sự đề xuất (1996, 1997). Giải thuật sử dụng nồng độ pheromone kết hợp hàm heuristic nghịch đảo khoảng cách Euclidean 3D để giải bài toán tìm đường đi ngắn nhất đi qua toàn bộ các điểm bắn vít mà không lặp lại.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

• Phương pháp module hóa: Thiết kế độc lập từng phân hệ cơ khí, mạch điện động lực/điều khiển, chương trình PLC và phần mềm xử lý ảnh trên máy tính trước khi tích hợp toàn diện.
• Phương pháp mô phỏng và kiểm chứng: Sử dụng MATLAB để lập trình mô phỏng thuật toán ACO và đối chứng trực tiếp với phương pháp liệt kê toàn bộ hoán vị (brute-force search) trên các tập dữ liệu tọa độ 5 điểm và 8 điểm.
• Phương pháp thực nghiệm: Lắp ráp mô hình thực tế, hiệu chuẩn thông số cơ điện và quang học, tiến hành đo kiểm sai số tọa độ và đo thời gian chu kỳ (cycle time) trên hai mẫu phôi khuôn thử nghiệm (Khuôn 1 và Khuôn 2).
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu hình ảnh màu và bản đồ độ sâu thu thập từ camera 3D Orbbec Astra Mini Pro; thông số kỹ thuật thiết bị do các nhà sản xuất Siemens, Omron, ChiNT cung cấp.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Cấu trúc cơ khí và hệ truyền động

Mô hình cơ khí được thiết kế trên phần mềm SolidWorks với kết cấu khung dạng hình hộp chữ nhật kích thước 50 × 47 × 71 cm, được gắn bánh xe để thuận tiện dịch chuyển. Hệ truyền động không gian 3 chiều XYZ sử dụng 3 trục vít me (mã tham chiếu KR30H0A-500L-1A0). Trục X sử dụng 2 động cơ bước NEMA 17 hoạt động song song để kéo dàn cơ cấu, trục Y sử dụng 1 động cơ bước và trục Z sử dụng 1 động cơ bước mang cụm máy bắn vít. Bàn máy được bố trí cơ cấu kẹp cơ khí nhằm định vị chắc chắn các bộ khuôn mẫu trong suốt quá trình thao tác.

Thiết kế phần điện và điều khiển

Phần điện được bố trí bên trong tủ điện chuyên dụng kích thước 40 × 21 × 60 cm. Cấu trúc phần cứng được lựa chọn và lắp đặt đồng bộ nhằm đảm bảo tính an toàn và khả năng chống nhiễu:

Tên thiết bị / linh kiện	Mã hiệu / Quy cách	Thông số kỹ thuật chính	Vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển logic lập trình	Siemens S7-1200 1214C DC/DC/DC	24VDC, 14 DI / 10 DQ, 2 AI, bộ nhớ nạp 2 MB, 1 cổng PROFINET	Điều khiển trung tâm, phát xung tốc độ cao điều khiển động cơ, xử lý logic an toàn
Động cơ bước	NEMA 17 KV4234-F2B009 (4 bộ)	2 pha, góc bước 1.8°, điện áp 12/24V, dòng 1A/pha, momen giữ 0.4 Nm	Dẫn động 3 trục vít me XYZ (trục X dùng 2 động cơ song song, trục Y và Z dùng 1 động cơ/trục)
Mạch điều khiển động cơ	Driver TB6600 (3 bộ)	Nguồn 9–42VDC, dòng cực đại 4A, ngõ vào cách ly quang	Nhận xung PUL/DIR từ PLC để điều khiển chiều quay và bước của động cơ bước
Cảm biến vị trí gốc	Omron EE-SX674A (3 bộ)	Cảm biến khe quang hồng ngoại, nguồn 5–24VDC	Xác định điểm chuẩn ban đầu (Home) cho 3 trục chuyển động X, Y, Z
Camera thị giác 3D	Orbbec Astra Mini Pro	RGB tối đa 640×480 @ 30fps, góc nhìn FOV ngang 63.4°, sai số < 0.3% tại 1m	Ghi nhận đồng thời ảnh màu RGB và ảnh độ sâu (Depth) của phôi
Bộ nguồn điều khiển	Siemens PM1207 (6EP1332-1SH71)	Vào 120/230VAC, ra 24VDC - 2.5A, công suất 60W	Cung cấp nguồn điện ổn định riêng cho PLC S7-1200
Bộ nguồn công suất	Nguồn tổ ong 24VDC	Vào 110/220VAC, ra 24VDC - 5A/10A, công suất 120W	Cấp nguồn cho 3 driver TB6600, cảm biến quang và relay máy bắn vít
Khí cụ bảo vệ	MCB ChiNT NXB-63 & Nút E-STOP	2P, 16A, dòng cắt ngắn mạch 6kA; nút dừng khẩn cấp	Bảo vệ quá tải nguồn lưới và ngắt điện tức thời khi có sự cố
Cơ cấu siết vít	Máy bắn vít và Relay K1	Điều khiển đóng ngắt nguồn động cơ bắn vít qua tiếp điểm relay	Thực hiện siết vít vào các vị trí lỗ phôi đã định vị

Hệ thống tách biệt hai nhánh nguồn 24VDC độc lập (nguồn Siemens PM1207 cho PLC và nguồn tổ ong cho tải công suất). Các chân âm (GND) được đấu nối chung để triệt tiêu điện thế lệch. Tín hiệu phát xung từ PLC đưa vào driver TB6600 được cách ly quang học để chống hiện tượng xung ngược và nhiễu từ động cơ.

Phần mềm và quy trình vận hành

• Lập trình PLC: Thực hiện trên TIA Portal V17, chia thành các khối chương trình Main, Manual Control (điều khiển bằng tay từng trục), Auto Control (chạy tự động theo dữ liệu nhận từ máy tính), và khối Alarm (xử lý lỗi hành trình, dừng khẩn cấp). Cấu hình ngõ ra điều khiển chuyển động theo các tham số: số bước/vòng, bước tiến trục vít me, giới hạn hành trình và tốc độ di chuyển.
• Phần mềm xử lý ảnh và giao diện: Được phát triển bằng ngôn ngữ Python trên nền tảng Visual Studio Code, sử dụng thư viện OpenCV, OpenNI và giao tiếp PyQt5 (thiết kế qua Qt Designer). Quy trình xử lý ảnh bao gồm cắt vùng nhận diện phôi, làm mờ Gaussian khử nhiễu, quét tìm hình tròn bằng biến đổi HoughCircles, trích xuất giá trị độ sâu tại tâm hình tròn từ Depth Frame, và tính toán tọa độ 3D thực tế thông qua ma trận hiệu chuẩn camera.
• Quy trình vận hành chuẩn gồm 5 bước:
  1. Kiểm tra trạng thái an toàn toàn hệ thống.
  2. Điều chỉnh vị trí ban đầu (Home) và gá kẹp cố định khuôn mẫu.
  3. Quan sát khuôn, chọn mã ID khuôn tương ứng trên giao diện GUI máy tính và nhấn nút Start.
  4. Hệ thống thị giác xử lý ảnh, tính toán lộ trình tối ưu bằng thuật toán ACO, truyền chuỗi tọa độ qua Modbus TCP/IP đến PLC để điều khiển hệ trục XYZ thực hiện siết vít tuần tự.
  5. Kết thúc chu trình, tháo khuôn mẫu, thực hiện vệ sinh 5S khu vực làm việc.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan về đề tài

Trình bày cơ sở thực tiễn của công đoạn bắn vít trong các dây chuyền sản xuất tự động hóa hiện đại. Phân tích các nghiên cứu trong nước (tại Đại học Bách Khoa TP.HCM, Đại học Công nghiệp Hà Nội) và quốc tế (Jia W. và cộng sự năm 2020; các ứng dụng ACO năm 2023; thiết bị thương mại của DEPRAG, WEBER, KILEWS). Xác định mục tiêu chế tạo hệ thống bắn vít 3D có chi phí tối ưu, nêu rõ 6 nhiệm vụ nghiên cứu và các giới hạn thực hiện của đề tài (điều khiển vòng hở, camera làm việc trong điều kiện ánh sáng lý tưởng, vít được đặt sẵn vào khuôn và không tích hợp hệ thống kiểm tra chất lượng sau bắn).

Chương 2. Cơ sở lý thuyết

Hệ thống hóa toàn bộ kiến thức khoa học phục vụ thiết kế:

• Nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng và chu kỳ quét của PLC Siemens S7-1200.
• Nguyên lý chuyển đổi xung điện thành chuyển động góc rời rạc của động cơ bước 2 pha.
• Cấu trúc bản tin Master/Slave của giao thức truyền thông công nghiệp Modbus TCP/IP.
• Tính năng của các công cụ phần mềm: TIA Portal V17, Visual Studio Code và Qt Designer.
• Cơ sở xử lý ảnh số: ảnh xám, ảnh độ sâu, công thức hàm lọc Gaussian hai chiều $G(x, y)$, thuật toán phát hiện biên và đường tròn HoughCircles.
• Mô hình toán học hiệu chuẩn camera hình học (ma trận nội tại K, ma trận ngoại tại R, t) sử dụng bàn cờ caro.
• Nguyên lý cập nhật pheromone và xác suất di chuyển của thuật toán tối ưu hóa đàn kiến (ACO) trong không gian 3 chiều.

Chương 3. Tính toán thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị

Trình bày chi tiết quy trình vận hành và các yêu cầu kỹ thuật của hệ thống. Tính toán kết cấu cơ khí khung máy kích thước 50 × 47 × 71 cm và lựa chọn hệ trục vít me dẫn động 3 trục XYZ. Xây dựng sơ đồ khối chức năng của hệ thống điện, tính toán lựa chọn thiết bị (PLC S7-1200 1214C, 4 động cơ bước NEMA 17, 3 driver TB6600, 3 cảm biến Omron EE-SX674A, camera Orbbec Astra Mini Pro, nguồn PM1207 và nguồn tổ ong 24VDC, MCB ChiNT NXB-63). Thiết kế bản vẽ 2D và mô hình 3D bố trí tủ điện 40 × 21 × 60 cm. Tiến hành lập trình mô phỏng thuật toán ACO trên MATLAB cho hai trường hợp dữ liệu (5 điểm và 8 điểm) và đối chứng với phương pháp duyệt toàn bộ hoán vị.

Chương 4. Thi công hệ thống

Ghi nhận quá trình gia công cơ khí, lắp ráp hệ trục vít me, bộ kẹp khuôn và bố trí thiết bị bên trong tủ điện. Trình bày chi tiết các bước lập trình trên TIA Portal V17: khai báo ngõ ra phát xung điều khiển driver, thiết lập vi bước, tốc độ, giới hạn hành trình và xây dựng lưu đồ chương trình điều khiển Main, Manual, Auto. Thiết kế các màn hình giao diện HMI (Đăng nhập, Màn hình chính, Manual, Alarm) và giao diện GUI trên máy tính bằng PyQt5. Thực hiện quy trình hiệu chuẩn thực tế cho trục vít me và camera Orbbec Astra Mini Pro (sử dụng bàn cờ kích thước 6×9 để khử méo vùng biên và căn chỉnh độ sâu). Xây dựng lưu đồ chi tiết cho thuật toán phát hiện lỗ vít và truyền thông Modbus TCP/IP.

Chương 5. Đánh giá thực nghiệm hệ thống

Đưa ra các tiêu chí đánh giá về độ ổn định, sai số vị trí và thời gian đáp ứng của hệ thống. Đánh giá thuật toán nhận diện lỗ vít trên giao diện đồ họa, kiểm chứng tọa độ trích xuất từ Depth Frame của camera 3D qua từng điểm mẫu. Tiến hành chạy thực nghiệm bắn vít thực tế trên 2 bộ khuôn (Khuôn 1 và Khuôn 2). Đo đạc và lập các bảng số liệu thực nghiệm: bảng giá trị tọa độ kiểm tra, kết quả tính toán tọa độ so với tọa độ thực tế, sai số vị trí trên các trục tọa độ của từng khuôn và thời gian chu kỳ (cycle time) tương ứng cho từng khuôn.

Chương 6. Kết luận và hướng phát triển

Đánh giá mức độ hoàn thành toàn bộ các mục tiêu đặt ra: chế tạo thành công mô hình phần cứng hoạt động ổn định, xây dựng thuật toán xử lý ảnh 3D và tối ưu lộ trình bắn vít khả thi. Phân tích các điểm còn tồn tại của hệ thống (điều khiển vòng hở, phụ thuộc cấp vít thủ công, ảnh hưởng của môi trường ánh sáng) và đề xuất các giải pháp nâng cấp, mở rộng trong các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả chính kèm số liệu thực nghiệm

• Hiệu quả tối ưu hóa đường đi: Kết quả mô phỏng thuật toán ACO trên MATLAB với tập dữ liệu 5 điểm trong không gian 3 chiều đã xác định lộ trình di chuyển tối ưu đi qua chuỗi điểm: $1 \rightarrow 2 \rightarrow 3 \rightarrow 5 \rightarrow 4$. Tổng chiều dài đường đi tính toán đạt 25.47 cm. Khi đối chứng bằng phương pháp duyệt toàn bộ hoán vị (brute-force), kết quả lộ trình của ACO trùng khớp hoàn toàn với đường đi ngắn nhất. Thuật toán tiếp tục được kiểm chứng thành công cho trường hợp 8 điểm.
• Chế tạo phần cứng hoàn chỉnh: Đã chế tạo thành công hệ thống máy bắn vít tự động dạng khung hộp kích thước 50 × 47 × 71 cm, tích hợp tủ điện 40 × 21 × 60 cm. Cụm truyền động 3 trục XYZ sử dụng 3 trục vít me dẫn động bởi 4 động cơ bước NEMA 17 qua 3 driver TB6600, phối hợp với 3 cảm biến quang Omron EE-SX674A để lấy gốc vị trí (Home) chính xác.
• Tích hợp thị giác máy tính và điều khiển: Kết nối thành công camera 3D Orbbec Astra Mini Pro (sai số khoảng cách dưới 0.3% tại 1m) với phần mềm GUI trên máy tính. Hệ thống tự động thu nhận ảnh màu và Depth Frame, loại bỏ méo dạng vùng biên thông qua hiệu chuẩn bàn cờ 6×9, nhận diện chính xác các lỗ vít và truyền tọa độ không gian 3 chiều xuống PLC S7-1200 qua Modbus TCP/IP.
• Thử nghiệm vận hành: Hệ thống đã hoàn thành chu trình di chuyển đầu bắn vít và thao tác siết vít thực tế trên cả hai mẫu khuôn thử nghiệm (Khuôn 1 và Khuôn 2), ghi nhận đầy đủ số liệu sai số vị trí và cycle time trong điều kiện thực nghiệm.

Giải pháp và kiến nghị của tác giả

• Ứng dụng giải pháp kết hợp giữa thị giác máy tính 3D và thuật toán metaheuristic (ACO) để tự động hóa khâu lập lộ trình bắn vít, loại bỏ hoàn toàn việc phải dạy điểm (teach-in) hoặc nhập tọa độ thủ công khi thay đổi mẫu sản phẩm.
• Kiến nghị cấu hình mạng nguồn cách ly: sử dụng module nguồn Siemens PM1207 riêng cho PLC và nguồn tổ ong riêng cho khối động lực, nối chung cực âm GND nhằm triệt tiêu hiện tượng sụt áp và nhiễu sóng trong môi trường công nghiệp.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

So với các đề tài nghiên cứu trong nước trước đây (thường chỉ dừng lại ở các hệ thống bắn vít bán tự động trên bề mặt phẳng 2D cố định hoặc không tích hợp camera), đề tài đã giải quyết thành công bài toán bắn vít trên các bề mặt phức tạp, gồ ghề trong không gian 3 chiều nhờ tích hợp camera độ sâu và thuật toán tối ưu lộ trình. Giải pháp có chi phí chế tạo thấp, cấu trúc gọn nhẹ, phù hợp với khả năng ứng dụng thực tế tại các xưởng sản xuất và doanh nghiệp vừa và nhỏ trong nước.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các giới hạn kỹ thuật được tác giả xác định trong báo cáo:

• Chưa có cơ cấu cấp vít tự động: Hệ thống chưa tích hợp cụm phễu rung và ống thổi cấp vít tự động; toàn bộ vít vẫn giả định được người vận hành đặt sẵn vào các lỗ khuôn trước khi máy thực hiện chu trình siết.
• Điều khiển truyền động vòng hở: Hệ trục vít me sử dụng động cơ bước không có cảm biến hồi tiếp encoder, do đó tiềm ẩn nguy cơ mất bước khi bị quá tải cơ khí hoặc khi hệ thống vận hành ở dải tốc độ cao.
• Giới hạn mô hình toán tối ưu: Thuật toán ACO mới giải quyết bài toán tối ưu khoảng cách hình học thuần túy trong không gian 3D, chưa xét đến các yếu tố động lực học thực tế như lực ma sát trượt, quán tính khối lượng đầu bắn vít và hiện tượng rung động khi đổi hướng di chuyển.
• Phụ thuộc điều kiện môi trường: Camera 3D yêu cầu điều kiện ánh sáng ổn định, hệ thống chưa tích hợp thuật toán lọc nhiễu quang học khi cường độ ánh sáng môi trường thay đổi đột ngột; khâu xử lý ảnh chỉ kiểm tra sự tồn tại của lỗ vít mà chưa tích hợp thị giác máy để kiểm tra ngoại quan và chất lượng mối siết sau khi hoàn thành.
• Giám sát cục bộ: Giao diện điều khiển HMI và GUI mới vận hành tại chỗ, chưa có chức năng truyền thông đám mây để giám sát từ xa hoặc lưu trữ cơ sở dữ liệu lớn (Big Data).

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

• Thiết kế tích hợp thêm hệ thống cấp vít tự động bằng khí nén để khép kín chu trình làm việc hoàn toàn tự động.
• Nâng cấp động cơ bước vòng hở sang động cơ bước có phản hồi (closed-loop stepper) hoặc động cơ servo để tăng độ chính xác vị trí và khắc phục tình trạng mất bước.
• Cải tiến thuật toán xử lý ảnh với các bộ lọc thích ứng ánh sáng và bổ sung thuật toán kiểm tra chất lượng thành phẩm sau thao tác bắn vít.
• Tích hợp giao thức IoT công nghiệp để kết nối dữ liệu giám sát và quản lý trạng thái máy từ xa.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thiết thực cho:

• Sinh viên và học viên thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot trong việc thực hiện các đồ án tốt nghiệp, đề tài nghiên cứu về hệ thống điều khiển vị trí đa trục, tích hợp PLC với phần mềm máy tính.
• Kỹ sư nghiên cứu và phát triển (R&D) tại các doanh nghiệp chế tạo máy tự động, dây chuyền lắp ráp linh kiện điện tử đang tìm kiếm giải pháp phát triển máy bắn vít tự động chi phí thấp.

Các nội dung có giá trị tham khảo kỹ thuật chuyên sâu bao gồm:

• Phương pháp cấu hình và thiết lập truyền thông Modbus TCP/IP giữa phần mềm Python (trên VS Code) và PLC Siemens S7-1200 qua cổng Ethernet.
• Quy trình hiệu chuẩn camera 3D thu nhận độ sâu bằng mẫu bàn cờ caro 6×9 và kỹ thuật xử lý ảnh xác định tọa độ không gian 3 chiều bằng OpenCV.
• Mô hình mô phỏng và kiểm chứng giải thuật tối ưu hóa đàn kiến (ACO) cho bài toán quỹ đạo 3D trên phần mềm MATLAB.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống sử dụng những thiết bị phần cứng chính nào cho khâu điều khiển và truyền động?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển trung tâm là PLC Siemens S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC, điều khiển 4 động cơ bước 2 pha NEMA 17 KV4234-F2B009 thông qua 3 mạch công suất driver TB6600 (trong đó trục X sử dụng 2 động cơ chạy song song, trục Y và Z mỗi trục sử dụng 1 động cơ). Cơ cấu truyền động sử dụng 3 cụm trục vít me KR30H0A-500L-1A0 và 3 cảm biến khe quang Omron EE-SX674A để xác định vị trí gốc (Home).

2. Tại sao hệ thống cần sử dụng hai bộ nguồn 24VDC riêng biệt và biện pháp chống nhiễu là gì?
Hệ thống sử dụng bộ nguồn Siemens PM1207 (24VDC - 2.5A) chuyên dụng để cấp điện riêng cho PLC S7-1200 nhằm đảm bảo mức điện áp ổn định, tránh sụt áp. Nhánh nguồn thứ hai là nguồn tổ ong (24VDC - 5A/10A) cấp cho các tải công suất tiêu thụ dòng lớn gồm driver TB6600, cảm biến và relay đầu bắn vít. Để chống nhiễu và triệt tiêu chênh lệch điện thế, cực âm (GND) của hai bộ nguồn được đấu nối chung với nhau; đồng thời các tín hiệu điều khiển từ PLC đến driver đều được cách ly quang học bằng opto.

3. Thuật toán ACO đóng vai trò gì và kết quả đường đi tối ưu cho 5 điểm đạt giá trị bao nhiêu?
Thuật toán ACO (tối ưu hóa đàn kiến) được sử dụng để xác định thứ tự di chuyển tối ưu giữa các điểm lỗ vít trong không gian 3 chiều dựa trên nồng độ pheromone và khoảng cách Euclidean. Trong mô phỏng MATLAB với tập dữ liệu 5 điểm, ACO đã tìm ra lộ trình tối ưu $1 \rightarrow 2 \rightarrow 3 \rightarrow 5 \rightarrow 4$ với tổng chiều dài đường đi là 25.47 cm, trùng khớp với kết quả kiểm chứng bằng phương pháp liệt kê toàn bộ hoán vị.

4. Camera Orbbec Astra Mini Pro có những thông số kỹ thuật nào và đóng vai trò gì trong đề tài?
Camera Orbbec Astra Mini Pro là loại camera 3D hỗ trợ kết nối USB, độ phân giải ảnh màu RGB tối đa 640×480 @ 30fps, góc nhìn ngang FOV 63.4°, sử dụng bộ xử lý Orbbec ASIC và sai số đo độ sâu dưới 0.3% tại khoảng cách 1m. Thiết bị đóng vai trò thu thập đồng thời ảnh màu RGB và ảnh độ sâu (Depth Frame) để xác định chính xác tọa độ 3 chiều của các lỗ vít trên bề mặt khuôn gồ ghề.

5. Điểm hạn chế lớn nhất trong quy trình vận hành thực tế của hệ thống hiện tại là gì?
Hệ thống chưa được trang bị cơ cấu cấp vít tự động, do đó vít phải được người vận hành đặt sẵn bằng tay vào các lỗ trên khuôn trước khi khởi động máy. Ngoài ra, động cơ bước hoạt động theo cơ chế vòng hở nên chưa thể tự động bù sai số nếu xảy ra hiện tượng trượt bước khi chuyển động với vận tốc cao.

Kết luận

Đồ án "Máy bắn vít tự động trên bề mặt phức tạp" của nhóm tác giả Trần Danh Thịnh và Đặng Hữu Tuấn Phong đã hoàn thành việc thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình máy bắn vít 3 trục XYZ có kích thước khung 50 × 47 × 71 cm điều khiển bằng PLC Siemens S7-1200. Việc tích hợp camera 3D Orbbec Astra Mini Pro và giải thuật tối ưu hóa đàn kiến (ACO) cho phép hệ thống tự động nhận diện lỗ vít trong không gian ba chiều và tối ưu hóa lộ trình di chuyển (đạt chiều dài 25.47 cm trong mô phỏng 5 điểm), khắc phục hạn chế căn chỉnh thủ công của các máy truyền thống. Mặc dù còn một số giới hạn về khâu cấp vít thủ công và điều khiển truyền động vòng hở, hệ thống đã chứng minh tính khả thi kỹ thuật cao, vận hành ổn định và là giải pháp tự động hóa có chi phí hợp lý cho các doanh nghiệp sản xuất quy mô vừa và nhỏ.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài. Chương 2: Cơ sở lý thuyết. Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống và lựa chọn thiết bị. Chương 4: Thi công hệ thống.

Chương 5: Kết quả đạt được. Chương 6: Kết luận và hướng phát triển. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 16 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2.

CƠ SỞ LÝ THUYẾT Trong chương này, các kiến thức nền tảng liên quan đến hệ thống bắn vít tự động sẽ được trình bày, bao gồm tổng quan về PLC Siemens S7-1200, động cơ bước, các chuẩn giao tiếp và phương thức truyền dữ liệu, phần mềm hỗ trợ lập trình, xử lý ảnh và thuật toán tối ưu ACO. Những nội dung này là cơ sở để triển khai các bước thiết kế và thi công hệ thống ở các chương sau.1 Tổng quan về máy bắn vít tự động Máy bắn vít tự động là một thiết bị cơ điện tử được thiết kế để thay thế công đoạn bắn vít thủ công trong các dây chuyền sản xuất, lắp ráp. Mục tiêu chính của hệ thống là tăng năng suất, đảm bảo độ chính xác cao, giảm sai sót do con người và nâng cao tính tự động hóa trong quy trình sản xuất. Một hệ thống bắn vít tự động điển hình bao gồm các thành phần chính như: - Cơ cấu truyền động (hệ trục XYZ): Điều khiển đầu bắn vít di chuyển đến các vị trí xác định trong không gian ba chiều.

Thường sử dụng các động cơ bước hoặc động cơ servo điều khiển qua PLC hoặc vi điều khiển. - Đầu bắn vít tự động: Thiết bị chuyên dụng có khả năng siết chặt vít vào bề mặt vật thể một cách nhanh chóng và chính xác. - Bộ điều khiển trung tâm (PLC hoặc vi điều khiển): Đóng vai trò nhận lệnh, xử lý tín hiệu và điều khiển các thành phần cơ điện của hệ thống. - Cảm biến và hệ thống nhận dạng vị trí: Giúp xác định chính xác tọa độ điểm cần bắn vít.

Trong các hệ thống hiện đại, có thể tích hợp thêm camera công nghiệp và xử lý ảnh để nhận diện lỗ vít trên các bề mặt phức tạp. - Phần mềm điều khiển và thuật toán tối ưu: Dùng để lập trình đường đi tối ưu cho đầu bắn vít, rút ngắn thời gian thao tác và giảm chi phí sản xuất. Ngoài ra, các hệ thống tiên tiến còn tích hợp trí tuệ nhân tạo (AI) và các thuật toán tối ưu như ACO (Ant Colony Optimization) để tối ưu hóa lộ trình di chuyển, đặc biệt trong các bài toán bắn vít trên bề mặt không đồng đều trong không gian 3D. Việc này không chỉ giúp tiết kiệm thời gian mà còn tăng hiệu quả tổng thể của hệ thống.2 Thiết bị điều khiển khả trình PLC Thiết bị điều khiển khả trình PLC là một thiết bị điều khiển tự động được sử dụng phổ biến trong các hệ thống điều khiển công nghiệp hiện đại.

PLC được thiết kế nhằm BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 17 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT thay thế hệ thống điều khiển rơ-le truyền thống, cho phép người dùng dễ dàng thiết kế và lập trình hệ thống tự động. Simatic S7-1200 1214C DC/DC/DC Một PLC tiêu chuẩn bao gồm các thành phần chính như bộ xử lý trung tâm (CPU), bộ nhớ, các module I/O, nguồn cấp và các cổng truyền thông. CPU là bộ phận trung tâm có nhiệm vụ xử lý chương trình điều khiển, tương tác với tín hiệu vào/ra và thực hiện giao tiếp với các thiết bị ngoại vi.

Module I/O đóng vai trò trung gian giữa PLC và các thiết bị hiện trường, trong đó module ngõ vào nhận tín hiệu từ cảm biến hoặc nút nhấn, còn module ngõ ra điều khiển các thiết bị chấp hành như rơ-le, động cơ,. PLC hoạt động theo một chu trình vòng lặp gọi là chu kỳ quét (scan cycle), bao gồm ba bước chính: đọc tín hiệu vào, xử lý chương trình và xuất tín hiệu ra. Ngoài ra, PLC cũng thực hiện các tác vụ nội bộ khác như tự kiểm tra, truyền thông hoặc lưu trữ dữ liệu. Về mặt lập trình, PLC hỗ trợ nhiều ngôn ngữ, trong đó ngôn ngữ Ladder (LAD/LD) là ngôn ngữ thông dụng nhất nhờ tính trực quan và tương đồng với sơ đồ rơ-le.

Nhờ khả năng lập trình linh hoạt, độ tin cậy cao và dễ tích hợp vào các hệ thống truyền thông công nghiệp, PLC đã trở thành lựa chọn hàng đầu trong các ứng dụng tự động hóa và nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp và dân dụng. BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 18 CHƯƠNG 2.3 Động cơ bước Hình 2. Động cơ bước Động cơ bước (stepper motor) là một loại động cơ điện đặc biệt, hoạt động dựa trên nguyên lý chuyển đổi tín hiệu điều khiển dạng xung điện thành chuyển động góc quay theo từng bước rời rạc. Mỗi xung điện được gửi đến động cơ sẽ làm rotor quay một góc nhất định, gọi là góc bước.

Chính vì khả năng di chuyển theo từng bước cụ thể mà động cơ bước rất phù hợp với các ứng dụng yêu cầu điều khiển vị trí, tốc độ và gia tốc một cách chính xác mà không cần sử dụng cảm biến hồi tiếp (feedback sensor). Cấu tạo cơ bản của động cơ bước bao gồm phần stator với các cuộn dây được bố trí đều nhau và phần rotor có dạng nam châm vĩnh cửu hoặc vật liệu từ mềm, tùy theo từng loại động cơ. Động cơ bước thường được điều khiển thông qua bộ điều khiển chuyên dụng (stepper driver) và thường được tích hợp vào các hệ thống điều khiển sử dụng vi điều khiển hoặc PLC, bằng cách phát xung để tạo chuyển động mong muốn. Ưu điểm nổi bật của động cơ bước là cấu trúc đơn giản, điều khiển chính xác mà không cần cơ cấu hồi tiếp, chi phí thấp và dễ tích hợp.

Tuy nhiên, nhược điểm của động cơ bước là dễ mất bước khi bị quá tải, hiệu suất không cao và sinh nhiệt nhiều khi hoạt động ở tốc độ thấp. Nhờ những đặc điểm trên, động cơ bước được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống như máy in 3D, máy CNC, robot và các cơ cấu chấp hành trong hệ thống tự động hóa cần độ chính xác cao.4 Giao thức truyền thông Modbus TCP/IP Modbus là một giao thức truyền thông được Modicon công bố vào năm 1979 để sử dụng với các bộ điều khiển logic lập trình (PLC). Hiện nay, Modicon thuộc sở hữu của Schneider Electric. Modbus cung cấp một ngôn ngữ chung để các thiết bị và thiết bị đo lường có thể giao tiếp với nhau.

BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 19 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Modbus TCP/IP thực chất là giao thức Modbus RTU với TCP chạy trên nền Ethernet. Và tốc độ truyền tối đa có thể đạt được là 10 Mbps. TCP/IP, viết tắt của Transmission Control Protocol và Internet Protocol, cung cấp phương tiện truyền tải cho các thông điệp Modbus TCP/IP.

Nó cho phép một số lượng lớn các kết nối đồng thời, vì vậy người khởi tạo có thể lựa chọn giữa việc kết nối lại hoặc tiếp tục sử dụng một kết nối đang hoạt động. TCP/IP được sử dụng để trao đổi các khối dữ liệu giữa các máy tính. Chức năng chính của TCP là đảm bảo tất cả các gói dữ liệu được gửi đi đều được nhận đầy đủ, trong khi IP đảm bảo rằng các thông điệp được định địa chỉ và định tuyến chính xác. Sự kết hợp giữa TCP và IP có thể được gọi đơn giản là một giao thức truyền tải – nó không định nghĩa ý nghĩa của dữ liệu hay cách diễn giải dữ liệu.

Tuy nhiên, khi kết hợp với Modbus như một giao thức ứng dụng, nó có thể được sử dụng để diễn giải dữ liệu Cấu trúc dữ liệu Modbus sử dụng cấu trúc Point to Point, có thể hoạt động trên cả mạng Point-to- Point và Multidrop. Các thiết bị Modbus giao tiếp theo mô hình Master-Slave (hoặc Client-Server với Ethernet), trong đó chỉ có Master/Server mới có quyền khởi tạo truy vấn. Các cách giao tiếp Các thiết bị Slave/Client sẽ phản hồi bằng cách cung cấp dữ liệu được yêu cầu hoặc thực hiện hành động được chỉ định. Một thiết bị slave có thể là bất kỳ thiết bị ngoại vi nào như cảm biến, van, ổ đĩa mạng hoặc thiết bị đo lường khác.

Dữ liệu truy vấn của Master bao gồm: - Địa chỉ slave - Mã hàm kèm theo lệnh đọc hoặc ghi dữ liệu đến slave BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 20 CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT - Dữ liệu chứa lệnh ghi - Kiểm tra lỗi Hình 4. Cấu trúc message của Master Kiểm tra lỗi là một giá trị được tạo ra bởi thiết bị master hoặc thiết bị slave vào lúc bắt đầu quá trình truyền hoặc phản hồi, và sau đó được kiểm tra khi thông điệp được nhận để xác minh nội dung là chính xác. Phản hồi của slave bao gồm: - Các trường xác nhận đã nhận được yêu cầu.

- Dữ liệu sẽ được trả về. - Dữ liệu kiểm tra lỗi. Nếu không có lỗi xảy ra, phản hồi của slave sẽ chứa dữ liệu như đã yêu cầu. Nếu có lỗi xảy ra trong truy vấn message nhận được bởi slave, hoặc nếu slave không thể thực hiện hành động đã yêu cầu, slave sẽ trả về một thông báo ngoại lệ như phản hồi của nó.

Cấu trúc message của Slave BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 21 CHƯƠNG 2.5 Phần mềm hỗ trợ lập trình 2.1 TIA Portal V17 Hình 6. Phần mềm TIA PORTAL V17 TIA Portal (Totally Integrated Automation Portal) là phần mềm tích hợp toàn diện do Siemens phát triển, phục vụ cho việc lập trình, cấu hình và giám sát các thiết bị tự động hóa trong công nghiệp như PLC, HMI, biến tần và hệ thống mạng truyền thông công nghiệp. Phiên bản TIA Portal V17, phát hành bởi Siemens vào năm 2021, là một trong những phiên bản nâng cấp mạnh mẽ, cung cấp nhiều tính năng mới, nâng cao hiệu suất làm việc và hỗ trợ tốt hơn cho các hệ thống điều khiển hiện đại. TIA Portal V17 cho phép người dùng lập trình các dòng PLC S7-1200, S7-1500, cấu hình và thiết kế giao diện HMI, kết nối với các thiết bị ngoại vi thông qua chuẩn truyền thông như PROFINET, PROFIBUS.

Giao diện làm việc trực quan, tích hợp nhiều công cụ mạnh mẽ như Simatic STEP 7, WinCC, StartDrive giúp đơn giản hóa quá trình phát triển và vận hành hệ thống. Trong đồ án này, TIA Portal V17 được sử dụng để lập trình điều khiển logic cho hệ thống bắn vít tự động, đảm bảo khả năng điều khiển chính xác, linh hoạt và dễ dàng giám sát quá trình vận hành. Với tính năng mô phỏng (simulation) được tích hợp, phần mềm giúp kiểm tra và gỡ lỗi chương trình trước khi nạp xuống PLC thực tế, giảm thiểu rủi ro và tăng hiệu quả phát triển hệ thống.2 Visual Studio Code Hình 7. Phần mềm Visual Studio Code BỘ MÔN TỰ ĐỘNG ĐIỀU KHIỂN 22 CHƯƠNG 2.