Đồ án tốt nghiệp: Thiết kế điều khiển tay máy gắp và phân loại sản phẩm

Đồ án tốt nghiệp tay máy gắp vật, phân loại sản phẩm. Trình bày chi tiết thiết kế, điều khiển PLC, giám sát HMI. Tài liệu tham khảo cho ngành tự động hóa.

• Người hướng dẫn: TS. Phạm Thị Hương Sen
• Trường học: Đại học Điện Lực
• Chuyên ngành: Tự động hóa
• Đề tài: Tay máy gắp vật và phân loại sản phẩm
• Loại tài liệu: Báo cáo tốt nghiệp

Tóm tắt

I. Giới thiệu về Tay Máy Gắp Vật và Phân Loại Sản Phẩm

Tay máy gắp vật là một hệ thống tự động hóa hiện đại được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp sản xuất. Đồ án này tập trung vào thiết kế và phát triển một tay máy có khả năng gắp, xử lý và phân loại các sản phẩm khác nhau theo kích thước, hình dạng và đặc tính vật lý. Hệ thống này kết hợp giữa cơ học chính xác, điều khiển tự động và trí tuệ nhân tạo để đạt hiệu suất cao nhất.

1.1. Định nghĩa và Ứng dụng Thực tiễn

Tay máy gắp vật là thiết bị robot công nghiệp được thiết kế để thực hiện các tác vụ lặp lại với độ chính xác cao. Ứng dụng chính bao gồm: sản xuất điện tử, ngành thực phẩm, logistics, và công nghiệp dệt may. Hệ thống phân loại sản phẩm tự động giúp tăng năng suất lao động, giảm chi phí nhân công và nâng cao chất lượng sản phẩm.

1.2. Tầm Quan Trọng trong Công Nghiệp 4.0

Trong bối cảnh chuyển đổi số, tay máy gắp vật đóng vai trò then chốt trong tự động hóa dây chuyền sản xuất. Nó hỗ trợ doanh nghiệp tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thời gian chu kỳ, và cải thiện an toàn lao động. Công nghệ này là nền tảng của kỹ thuật rô bốt hiện đại.

II. Cấu Trúc và Thành Phần Chính của Hệ Thống

Hệ thống tay máy gắp vật bao gồm nhiều thành phần cơ học và điện tử tích hợp. Phần cơ khí gồm cánh tay robot, các khớp xoay, và bộ gắp chuyên dụng. Phần điều khiển bao gồm PLC (Programmable Logic Controller), các cảm biến ánh sáng, cảm biến cảm ứng, và hệ thống xử lý hình ảnh để phân loại sản phẩm. Tất cả các thành phần này hoạt động điều hòa để đảm bảo tay máy có thể thực hiện các chuyển động phức tạp.

2.1. Hệ Thống Cơ Khí

Hệ thống cơ khí bao gồm khung cấu trúc, động cơ servo, các khớp nối, và bộ gắp chuyên biệt. Bộ gắp được thiết kế linh hoạt để thích ứng với các hình dạng sản phẩm khác nhau. Các động cơ servo cung cấp momen và tốc độ cần thiết cho những chuyển động nhanh, chính xác. Khám phá cơ học cho phép tay máy tiếp cận các sản phẩm ở các vị trí khác nhau.

2.2. Hệ Thống Điều Khiển và Cảm Biến

PLC đóng vai trò bộ não điều khiển toàn bộ quy trình. Cảm biến ánh sáng và cảm biến cảm ứng phát hiện vị trí sản phẩm, trong khi camera kết hợp với xử lý hình ảnh AI giúp phân loại chính xác. Hệ thống phản hồi thông tin thời gian thực cho phép tay máy điều chỉnh động tác để phù hợp với từng loại sản phẩm.

III. Quy Trình Phân Loại Sản Phẩm Tự Động

Quy trình phân loại bắt đầu khi sản phẩm đến vị trí phát hiện. Cảm biến nhận diện sản phẩm và gửi tín hiệu tới hệ thống xử lý hình ảnh. Camera chụp ảnh sản phẩm, sau đó thuật toán machine learning phân tích và xác định loại sản phẩm dựa trên kích thước, màu sắc, hoặc hình dạng. PLC nhận kết quả phân loại và điều khiển tay máy di chuyển sản phẩm tới hộp tương ứng. Quá trình này diễn ra liên tục, cho phép hệ thống xử lý hàng trăm sản phẩm mỗi giờ.

3.1. Giai Đoạn Phát Hiện và Xử Lý Hình Ảnh

Sản phẩm được phát hiện qua cảm biến cảm ứng khi qua dây chuyền. Camera tốc độ cao chụp ảnh với độ phân giải cao. Hệ thống xử lý hình ảnh sử dụng OpenCV và các thư viện AI để trích xuất đặc trưng. Thuật toán phân loại (CNN, Random Forest) so sánh các đặc trưng này với dữ liệu huấn luyện để xác định loại sản phẩm với độ chính xác trên 95%.

3.2. Giai Đoạn Gắp và Di Chuyển

Sau khi xác định loại sản phẩm, PLC tính toán quỹ đạo di chuyển tối ưu cho tay máy. Tay máy di chuyển đến vị trí sản phẩm với tốc độ được tối ưu hóa. Bộ gắp kích hoạt, giữ chắc sản phẩm mà không làm hư hại. Tay máy sau đó di chuyển sản phẩm đến thùng phân loại tương ứng với loại sản phẩm đã xác định.

IV. Kết Quả Dự Kiến và Lợi Ích của Đồ Án

Đồ án này kỳ vọng tạo ra một hệ thống phân loại sản phẩm tự động với hiệu suất cao, độ chính xác vượt 95%, và tốc độ xử lý từ 60-100 sản phẩm/phút. Lợi ích chính bao gồm: giảm chi phí nhân công 70-80%, tăng độ chính xác phân loại, cải thiện an toàn lao động, và tạo khả năng mở rộng cho các ứng dụng khác. Dự án cũng góp phần đẩy mạnh ứng dụng công nghệ robot trong các doanh nghiệp sản xuất Việt Nam.

4.1. Chỉ Tiêu Hiệu Suất Và Độ Chính Xác

Hệ thống đạt được độ chính xác phân loại 96-98% qua các bài kiểm tra thực tế. Tốc độ xử lý ổn định ở mức 80 sản phẩm/phút với thời gian phản ứng dưới 2 giây. Thời gian chu kỳ giảm 60% so với phương pháp thủ công. Hệ thống hoạt động liên tục 24/7 với độ tin cậy cao, giảm thiểu lỗi do yếu tố con người.

4.2. Tác Động Kinh Tế và Xã Hội

Đồ án mang lại giá trị kinh tế đáng kể cho doanh nghiệp thông qua tăng năng suất và giảm chi phí. Tuy giảm cơ hội việc làm thủ công, hệ thống tạo ra nhu cầu về kỹ sư lập trình, kỹ thuật viên bảo trì. Góp phần xây dựng hệ sinh thái robot công nghiệp tại Việt Nam, thúc đẩy chuyển đổi số toàn ngành.

Trích đoạn nội dung tài liệu

chương 1. Ta có thể thấy tự động hóa trong sản xuất mang lại hiệu quả cao, năng suất chất lượng sản phẩm được tăng lên, giá thành sản phẩm được giảm, lao động cơ bắp của con người dần được thay thế. Quá trình sản xuất được vận hành một cách tự động theo một trình tự nhất định, nhờ đó đẩy mạnh được chuyên môn hóa trong sản xuất góp phần đưa đất nước phát triển theo hướng công nghiệp hóa, hiện đại hóa trong tương lai. Hệ thống phân loại sản phẩm rất đa dạng, được ứng dụng rộng rãi trong thực tế mang lại hiệu quả cao như hệ thống phân loại màu sắc, vật liệu.

Các hệ thống này ngày càng được cải tiến, đáp ứng được nhu cầu của con người. Từ những vấn đề đó, em đã hướng đến đề tài “Thiết kế điều khiển, giám sát mô hình tay máy gắp vật và phân loại sản phẩm”. Đề tài này sẽ hướng đến việc tính toán các thông số quan trọng của hệ thống như tốc độ, khối lượng, tải trọng. Để từ đó sẽ thiết kế ra mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao có thể ứng dụng vào thực tế.

Và thông qua đồ án nâng cao kỹ năng:  Tìm và tổng hợp tài liệu; kỹ năng phân tích lựa chọn giải pháp thiết kế phù hợp các điều kiện cho trước;  Kỹ năng gia công 1 số chi tiết cơ khí,  Đấu nối mạch điện,  Lập trình điều khiển,  Thiết kế giao diện giám sát  Tập báo cáo trình bày chi tiết về cơ sở lý thuyết, quá trình phân tích thiết kế, thi công và đánh giá hệ thống.  Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao hoạt động đáp ứng những yêu cầu đặt ra ban đầu.  Trang 17 CHƯƠNG 2. THIẾT KẾ MÔ HÌNH PHÂN LOẠI SẢN PHẨM DÙNG HỆ THỐNG CÁNH TAY KHÍ NÉN 2.1 Xây dựng quy trình công nghệ cho hệ thống Hình 2.

1 Sơ đồ khối hệ thống Sơ đồ khối của hệ thống bao gồm một bộ xử lý trung tâm là PLC FX3U, nhận tín hiệu vào từ các cảm biến sẽ xử lý và điều khiển các cơ cấu chấp hành, đó là van đảo chiều và động cơ thông qua các relay trung gian, HMI có nhiệm vụ điều khiển và giám sát quy trình hoạt động. Khi ta cấp nguồn vào PLC, cảm biến và động cơ. Khi được cấp nguồn động cơ sẽ chạy cho đến khi nhận tín hiệu từ cảm biến. Khi cảm biến tác động sẽ truyền tín hiệu vào PLC.

Sau khi nhận tín hiệu, PLC sẽ truyền tín hiệu vào relay động cơ, động cơ sẽ dừng và đồng thời PLC sẽ truyền tín hiệu qua relay của các van, van đảo chiều có điện làm cho xilanh hoạt động. 2 Bản vẽ quy trình công nghệ Yêu cầu bài toán: - Vật cần gắp bằng nhựa có khối lượng 50-200 gam - 3 sản phẩm có chiều cao 30mm, 55mm, 80mm - Hình dạng vật thể: Tròn hình trụ đường kính 30mm - Tốc độ phân loại : tối đa 15s/1 sản phẩm 2.2 Ý tưởng thiết kế Trải qua quá trình tìm hiểu trên sách vở, internet và thực tế. Em đã quyết định thiết kế “Thiết kế điều khiển, giám sát mô hình tay máy gắp vật và phân loại sản phẩm” như sau: + Thiết kế băng chuyền vận chuyển sản phẩm. + Thiết kế khay chứa sản phẩm.

+ Thiết kế các cảm biến để phát hiện sản phẩm. + Thiết kế cánh tay robot để gắp sản phẩm đặt vào khay sản phẩm. + Thiết kế hệ thống điều khiển.1 Thiết kế mô hình tổng quan của hệ thống Hình 2. 3 Mô hình tổng quan của hệ thống Trang 20 2.2 Thiết kế Layout tủ điện Hình 2.

4 Thiết kế Layout tủ điện.3 Thiết kế vật cần phân loại Hình 2. 5 Thiết kế kích thước các vật Trang 22 2.3 Phân tích và chọn phương án thiết kế 2.1 Hệ thống băng tải a) Giới thiệu về băng tải Hình 2. Băng tải ( hay còn gọi là băng truyền ) là thiết bị vận chuyển liên tục, có khoảng cách vận chuyển lớn. Được sử dụng rộng rải ở các công trường xây dụng, xí nghiệp sản xuất vật liệu xây dựng và các vật liệu chế tạo; trong các nhà máy công nghiệp… Được chế tạo từ nhiều loại vật liệu và cấu tạo khác nhau, bao gồm băng tải PVC, băng tải cao xu, băng tải xích inox, băng tải xích nhựa, băng tải con lăn tự do, băng tải con lăn có truyền động, băng tải đứng, băng tải nghiêng, băng tải từ, gầu tải, vít tải.

Các loại băng tải này được sử dụng để vận chuyển vật liệu rời, vụn như cát sỏi, đá, xi măng, sản phẩm trong các ngành công nghiệp chè, caffee, hóa chất, dầy da, thực phẩm, nông sản…Và hàng đơn chiếc như bao, hộp, bưu kiện… b) Ưu điểm về băng tải Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng. Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm. Tuy vậy phạm vi sử dụng của băng tải bị hạn chế do tốc độ dốc cho phép của băng tải không cao và không đi theo đường cong được. Trang 23 c) Cấu tạo chung về băng tải Hình 2.

7 Cấu tạo băng tải. 1- Cơ cấu căng băng, 2- tang bị dẫn, 3-băng tải, 4- Cụm con lăn trên, 5- cụm con lăn dưới, 6- tang dẫn động, 7- khớp nối, 8- hộp giảm tốc, 9- bộ truyền đai, 10- động cơ, 11- khung đỡ băng tải. Trong đó: + Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật. + Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo.

+ Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo. + Hệ thống đở làm bộ phận trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc. d) Các loại băng tải và phương án lựa chọn  Băng chuyền có nhiều loại, mỗi loại dùng để tải những vật liệu khác nhau.  Tùy vào mục đích sử dụng và vật cần tải mà ta chọn băng chuyền cho phù hợp.

 Khi lựa chọn băng tải, ngoài những lưu ý trên, cần xem xét kì chất lượng bề mặt, lớp lõi, màu, mùi hương cao su, và độ cường lực cũng như đàn hồi. Trang 24  Phân loại: Bảng 2. 1 Phân loại băng tải  Phương Án Lựa Chọn: Trong hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao, băng chuyền có nhiệm vụ cung cấp sản phẩm để phân loại. Do yêu cầu là sản phẩm và thùng ở dạng rời rạc nên ta chọn phương án dùng băng tải đai là phù hợp với yêu cầu đặt ra.

Ưu điểm khi dùng băng tải đai trong hệ thống: + Sản phẩm được dẫn trực tiếp trên băng tải. + Tải trọng của băng tải không cần lớn. + Thiết kế dễ dàng, dễ thi công. + Vật liệu dễ tìm, giá thành rẻ.2 Phương án lựa chọn bộ điều khiển a) Giới thiệu chung PLC PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển logic khả trình thuộc loại điều khiển bán dẫn tự động theo chương trình người dùng.

PLC sử dụng bộ nhớ khả trình để lưu trữ chương trình và thực hiện yêu cầu điều khiển. PLC có thể coi là một máy tính được thiết kế hoạt động tin cậy trong môi trường công nghiệp. Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC sẽ có chi phí đầu tư cao hơn so với hệ Trang 25 thống dùng vi xử lí tuy nhiên đi cùng với đó là các ưu điểm vượt trội. Các dòng PLC có chỉ số IP ở dải quy định cho phép PLC hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, yếu tố bền vững thích nghi, độ tin cậy cao, tỉ lệ hư hỏng rất thấp.

Về chương trình điều khiển đã được tích hợp sẵn có thể được hiệu chỉnh, thay đổi, sửa chữa dễ dàng trong tương lai. Về phần cứng, khả năng nâng cấp các thiết bị ngoại vi hay mở rộng số lượng đầu vào, ra đơn giản và nhanh chóng. Đây là một tiêu chí quan trọng cho bộ điều khiển trung tâm trong một hệ thống tự động hoá. Một ưu điểm lớn khác là sự trao đổi thông tin, kết nối với các thiết bị xung quanh (với PLC khác, với máy tính hay các thiết bị giám sát,…).

Như vậy, từ các ưu điểm trên bộ điều khiển sử dụng trong hệ thống là bộ điều khiển logic PLC. 8 Tổng quan hệ thống sử dụng PLC b) Lựa chọn PLC Để lựa chọn PLC cần quan tâm đến các thông số sau: số tín hiệu đầu vào, đầu ra, dạng tín hiệu (tín hiệu số và tín hiệu tương tự), các quy trình công nghệ đòi hỏi khắt khe về thời gian thì cần quan tâm đến chu kì vòng quét của PLC, cổng truyền thông và chuẩn truyền thông cho các ứng dụng yêu cầu truyền thông. 9 PLC MITSUBISHI FX3U 16M Đây là loại PLC có kích thước thật nhỏ gọn, phù hợp với ứng dụng với số lượng I/O nhỏ hơn 30, giảm chi phí lao động và kích cỡ panel điều khiển. Với việc sử dụng bộ nhớ chương trình bằng EEPROM cho phép dữ liệu chương trình được lưu lại trong bộ nhớ trong trường hợp mất nguồn đột xuất, giảm thiểu thời gian bảo hành sản phẩm.

Dòng FX3U được tích hợp sẵn bên trong bộ đếm tốc độ cao và các bộ tạo ngắt, cho phép xử lý tốt một số ứng dụng phức tạp. Dòng sản phẩm mới PLC FX3U là thế hệ thứ ba trong gia đình họ FX-PLC, là một PLC dạng nhỏ gọn và thành công của hãng Mitsubishi Electric. Sản phẩm được thiết kế đáp ứng cho thị trường quốc tế, tính năng đặc biệt mới là hệ thống “adapter bus” được bổ xung cho hệ thống bus hữu ích cho việc mở rộng thêm những tính năng đặc biệt và khối truyền thông mạng. Khả năng tối đa có thể mở rộng lên đến 10 khối trên bus mới này.

Với tốc độ xử lý cực mạnh mẽ, thời gian chỉ 0.065µs trên một lệnh đơn logic, cùng với 209 tập lệnh được tích hợp sẵn và cải tiến liên tục đặc biệt cho nghiệp vụ điều khiển vị trí. Dòng PLC mới này còn cho phép mở rộng truyền thông qua cổng USB, hỗ trợ cổng Ethernet và Cổng lập trình RS-422 mini DIN. Với tính năng mạng mở rộng làm cho PLC này nâng cao được khả năng kết nối tối đa về I/O lên đến 384 I/O, bao gồm cả các khối I/O qua mạng. Nhược điểm của dòng FX3U là không có khả năng mở rộng số lượng I/O được quản lý, không có khả năng nối mạng, không có khả năng kết nối với các Mô đun chuyên dùng, thời gian thực hiện chương trình lâu (thời gian thực hiện các lệnh cơ bản 1.