Đồ án cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử bằng xử lý ảnh - ĐH GTVT

Tổng quan đồ án thiết kế cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử bằng xử lý ảnh, chi tiết nguyên lý hoạt động, cấu trúc phần cứng và thuật toán tối ưu.

• Trường học: Trường Đại học Giao thông Vận tải
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế mô hình hệ thống cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử ứng dụng xử lý ảnh
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử

Cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử là giải pháp tự động hóa thay thế kiểm tra thủ công. Nó sử dụng cơ cấu cơ khí điều khiển bằng PLC kết hợp với camera và phần mềm xử lý ảnh. Hệ thống này có thể thực hiện các động tác chính xác như lấy, di chuyển và kiểm tra PCB với tốc độ cao. Ứng dụng phổ biến trong ngành điện tử, đặc biệt là trong sản xuất hàng loạt. Kiểm tra lỗi ngoại quan như khe hở, ô nhiễm hoặc sai sót lắp ráp trở nên nhanh chóng và chính xác hơn. Hệ thống này cũng giảm thiểu sự phụ thuộc vào nhân lực và tăng năng suất sản xuất.

1.1. Cấu trúc cơ bản của hệ thống cánh tay robot

Hệ thống gồm ba thành phần chính: cơ cấu cánh tay robot, camera kiểm tra và phần mềm xử lý ảnh. Cánh tay robot sử dụng động cơ bước để thực hiện các chuyển động cơ học. Camera được lắp đặt ở đầu cánh tay để chụp ảnh PCB. Phần mềm xử lý ảnh so sánh hình ảnh thực tế với mẫu chuẩn để phát hiện lỗi. Các cảm biến và PLC điều khiển toàn bộ quá trình. Hệ thống này hoạt động độc lập hoặc kết nối với hệ thống SCADA.

1.2. Ưu điểm của cánh tay robot trong kiểm tra mạch điện tử

Cánh tay robot mang lại nhiều lợi ích so với phương pháp kiểm tra thủ công. Nó tăng tốc độ kiểm tra lên gấp nhiều lần, giảm sai sót do con người gây ra. Hệ thống này cũng hoạt động liên tục 24/7, không bị mệt mỏi. Ngoài ra, nó có thể kiểm tra các chi tiết nhỏ và phức tạp mà mắt thường khó phát hiện. Chi phí vận hành thấp hơn khi so sánh với việc thuê nhân lực kiểm tra. Hệ thống cũng dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện đại.

II. Phân tích vấn đề và nhu cầu kiểm tra mạch điện tử

Kiểm tra mạch điện tử thủ công gặp nhiều hạn chế. Nó chậm chạp, dễ xảy ra lỗi do sai sót của con người. Các nhà sản xuất điện tử cần giải pháp nhanh chóng và chính xác để đáp ứng nhu cầu sản xuất hàng loạt. Lỗi nhỏ như khe hở hoặc ô nhiễm có thể gây ra sự cố nghiêm trọng trong quá trình sử dụng. Hệ thống kiểm tra tự động giúp giảm thiểu rủi ro này. Nó cũng đáp ứng yêu cầu kiểm tra chất lượng cao trong các tiêu chuẩn ISO và IEC. Nhu cầu sử dụng cánh tay robot trong kiểm tra PCB đang tăng cao do sự phát triển của công nghệ điện tử hiện đại.

2.1. Thách thức trong kiểm tra thủ công mạch điện tử

Kiểm tra thủ công gặp nhiều khó khăn. Nhân viên phải tập trung cao độ trong thời gian dài, dẫn đến mệt mỏi và giảm hiệu suất. Nó cũng không thể kiểm tra tất cả các chi tiết nhỏ trên PCB. Sai sót thường xảy ra do ánh sáng hoặc góc nhìn không phù hợp. Hệ thống thủ công cũng không thể xử lý lượng lớn sản phẩm trong thời gian ngắn. Điều này làm chậm quá trình sản xuất và tăng chi phí. Các lỗi nhỏ có thể trốn qua kiểm tra, gây ra sự cố sau này.

2.2. Yêu cầu kỹ thuật của hệ thống kiểm tra tự động

Hệ thống cần đạt độ chính xác cao, tối thiểu 99%. Nó phải kiểm tra được các lỗi nhỏ như khe hở dưới 0.1mm. Hệ thống cũng cần hoạt động nhanh, tối thiểu 100 PCB/phút. Camera phải có độ phân giải cao, tối thiểu 5MP. Phần mềm xử lý ảnh cần có khả năng so sánh hình ảnh với mẫu chuẩn. Hệ thống phải hoạt động trong điều kiện môi trường khắc nghiệt, như bụi và nhiệt độ cao. Nó cũng cần tích hợp được với hệ thống sản xuất hiện đại.

III. Giải pháp thiết kế mô hình hệ thống cánh tay robot

Giải pháp thiết kế bao gồm ba bước chính: chọn lựa cơ cấu cánh tay, lắp đặt camera và phát triển phần mềm xử lý ảnh. Cánh tay robot sử dụng động cơ bước NEMA 17 kết hợp với khớp cơ học. Camera sử dụng mô-đun OV7670 với độ phân giải 640x480 pixel. Phần mềm sử dụng OpenCV để xử lý hình ảnh. Hệ thống điều khiển bằng PLC FX2N của Mitsubishi. Các cảm biến tiệm cận và công tắc hành trình đảm bảo an toàn và chính xác. Mô hình này được tối ưu hóa để kiểm tra PCB với kích thước tiêu chuẩn 100x100mm. Hệ thống có thể kiểm tra từ 100 đến 200 PCB trong một giờ, tùy thuộc vào độ phức tạp của mạch.

3.1. Kết cấu cơ học và động cơ điều khiển

Cánh tay robot sử dụng cơ cấu 3 khớp với độ dài khớp 140mm. Động cơ bước NEMA 17 cung cấp mô-men xoắn 0.16Nm. Bộ giảm tốc 1:100 đảm bảo chuyển động mượt mà. PLC FX2N điều khiển động cơ thông qua module DRV8825. Hệ thống này có khả năng di chuyển nhanh, tối thiểu 100mm/giây. Cánh tay được thiết kế để chịu được trọng lượng tối đa 500g. Các ổ bi đảm bảo chuyển động chính xác và bền bỉ. Hệ thống có thể điều chỉnh góc khớp từ 0 đến 180 độ.

3.2. Phần mềm xử lý ảnh và thuật toán kiểm tra

Phần mềm sử dụng OpenCV để xử lý hình ảnh. Nó so sánh hình ảnh thực tế với mẫu chuẩn bằng thuật toán so sánh pixel. Hệ thống phát hiện lỗi như khe hở, ô nhiễm hoặc sai sót lắp ráp. Camera OV7670 chụp ảnh với tốc độ 30fps. Phần mềm có khả năng điều chỉnh độ nhạy để phù hợp với điều kiện ánh sáng khác nhau. Nó cũng có chức năng lưu kết quả kiểm tra vào cơ sở dữ liệu. Thời gian xử lý mỗi ảnh tối thiểu 0.5 giây. Hệ thống có thể kiểm tra từ 100 đến 200 PCB trong một giờ.

IV. Kết luận và ứng dụng thực tế của hệ thống

Hệ thống cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử thành công giải quyết các vấn đề trong kiểm tra thủ công. Nó tăng tốc độ kiểm tra lên gấp nhiều lần và giảm sai sót. Hệ thống này phù hợp cho các nhà sản xuất điện tử cần độ chính xác cao. Nó cũng dễ dàng tích hợp vào dây chuyền sản xuất hiện đại. Hệ thống có thể kiểm tra các loại PCB khác nhau, từ đơn giản đến phức tạp. Nó cũng có thể được sử dụng trong các ngành khác như ô tô và y tế. Tương lai, hệ thống này có thể được cải tiến bằng trí tuệ nhân tạo để tăng độ chính xác và hiệu suất. Nó cũng có thể được kết nối với hệ thống IoT để theo dõi và quản lý từ xa.

4.1. Kết quả và hiệu quả của hệ thống

Hệ thống đạt được độ chính xác kiểm tra lên đến 99.5%. Nó giảm thời gian kiểm tra từ 10 giây xuống còn 0.5 giây cho mỗi PCB. Hệ thống cũng giảm chi phí nhân lực và tăng năng suất sản xuất. Nó cũng giảm thiểu rủi ro lỗi trong quá trình sử dụng. Hệ thống hoạt động ổn định trong điều kiện môi trường khắc nghiệt. Nó cũng dễ dàng bảo trì và sửa chữa. Hiệu quả kinh tế của hệ thống được chứng minh qua việc giảm thiểu chi phí sản xuất và tăng chất lượng sản phẩm.

4.2. Ứng dụng và triển vọng phát triển

Hệ thống có thể được ứng dụng trong nhiều ngành công nghiệp như điện tử, ô tô và y tế. Nó phù hợp cho các nhà sản xuất cần kiểm tra chất lượng cao. Hệ thống cũng có thể được cải tiến bằng trí tuệ nhân tạo để tăng độ chính xác và hiệu suất. Nó cũng có thể được kết nối với hệ thống IoT để theo dõi và quản lý từ xa. Trong tương lai, hệ thống có thể được tích hợp với robot tự hành để kiểm tra các sản phẩm lớn hơn. Nó cũng có thể được sử dụng trong các ứng dụng y tế như kiểm tra thiết bị y tế phức tạp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay, xã hội ngày càng phát triển. Công nghiệp hóa, hiện đại hóa ngày càng được nâng cao để phát triển đất nước và cải thiện cuộc sống của người dân. Vì vậy việc ứng dụng khoa học kỹ thuật ngày càng rộng rãi, phổ biến và mang lại hiệu quả cao trong hầu hết các lĩnh vực kinh tế, kỹ thuật cũng như trong đời sống xã hội. Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất, gia công và chế biến sản phẩm… Điều này dẫn đến việc hình thành các hệ thống sản xuất linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao trên cơ sở sử dụng các máy CNC, robot công nghiệp.

Trong đó có một khâu quan trọng ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm là hệ thống kiểm tra sản phẩm. Hệ thống kiểm tra sản phẩm nhằm chia sản phẩm ra nhóm đạt yêu cầu và nhóm bị lỗi hỏng , không đạt yêu cầu. Hiện nay để kiểm tra sản phẩm người ta thường sử dụng công nhân kiểm tra bằng mắt thường hoặc các loại cảm biến với các chức năng khác nhau để kiểm tra sản phẩm theo mong muốn. những phương pháp này có nhược điểm là năng suất không cao và có tỉ lệ sai sót trong quá trình kiểm tra cao.Do đó dựa trên nền tảng kiến thức đã học, vốn hiểu biết về điện tử và công nghệ xử lý ảnh cùng với sự cho đồng ý của giáo viên hướng dẫn.

Em chọn đề tài: “Thiết kế mô hình hệ thống cánh tay robot kiểm tra mạch điện tử ứng dụng xử lý ảnh” 1.2 Tổng quan về hệ thống phát hiện lỗi ngoại quan bằng xử lý ảnh 12 Kiểm tra lỗi sản phẩm bằng Camera là phương pháp kiểm tra chất lượng sản phẩm bằng cách sử dụng các hệ thống Camera để quét và phân tích hình ảnh sản phẩm. Bằng cách sử dụng các phần mềm và công nghệ nhận dạng hình ảnh, hệ thống kiểm tra này có thể xác định các lỗi chất lượng sản phẩm như lỗi hình dáng, màu sắc, kích thước và các lỗi khác. Giải pháp kiểm tra lỗi sản phẩm bằng camera (Camera Vision) là 1 phần của hệ thống kiểm tra ngoại quan giúp phát hiện lỗi sản phẩm để kiểm soát chất lượng sản phẩm cũng như theo dõi quá trình sản xuất hoàn thiện sản phẩm. Hệ thống chia làm 2 phần.

Phần cứng gồm: Led, đèn, Vision Box và phần mềm: thuật toán xử lý phần mềm. Phương pháp kiểm tra lỗi sản phẩm được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp sản xuất để giảm thiểu lỗi sản phẩm xuất xưởng, tăng năng suất sản xuất và tiết kiệm chi phí kiểm tra sản phẩm.1 Cấu hình cơ bản của giải pháp kiểm tra lỗi sản phẩm bằng Camera Cấu hình được sử dụng để kiểm tra lỗi sản phẩm bằng ứng dụng Camera bao gồm: Hệ thống Camera, lens (thấu kính), cáp nguồn, cáp tín hiệu, cáp internet. Bộ xử lý tín hiệu (thường là PLC) Cảm biến, bộ mã hóa tốc độ (Encoder) Máy tính và màn hình. Thiết bị loại sản phẩm lỗi.2 Ứng dụng của việc kiểm tra lỗi sản phẩm bằng Camera Công nghệ Machine Vision giúp kiểm tra lỗi sản phẩm bằng Camera như: 13 Kiểm tra lỗi bao bì: Trên bao bì có in Logo, kiểm tra xem nó bị mờ hoặc mất nét hay không.

Kiểm tra lỗi và chất lượng sản phẩm: Nhà máy chiết suất đóng chai đồ uống khi muốn kiểm soát chai nước không bị lẫn tạp chất, nắp không bị rò gỉ, lượng nước chiết suất phải đủ theo tiêu chuẩn. Nếu không đạt thì phải loại bỏ ngay lập tức. Check kiểm tra lỗi link kiện sản phẩm: Trên dây chuyền sản xuất bo mạch điện tử, bo mạch có rất nhiều linh kiện điện tử. Chúng ta muốn kiểm soát nó xem có bị thiếu linh kiện nào không.

Nếu thiếu thì muốn loại bỏ bo mạch đó. Check kiểm tra số lượng sản phẩm: ví dụ sản xuất thuốc, trong quá trình sản xuất đóng vỉ thuốc, chúng ta muốn kiểm tra các vỉ thuốc đã có đủ viên thuốc, viên thuốc đặt vào không bị vỡ…Nếu không đạt yêu cầu loại bỏ ra. Check kiểm tra tem sản phẩm: Trên sản phẩm có in ngày tháng sản xuất, hạn sử dụng. khi muốn kiểm tra để xuất Việc kiểm tra lỗi sản phẩm bằng ứng dụng Camera có rất nhiều ứng dụng trong các ngành công nghiệp sản xuất, bao gồm: Sản xuất ô tô: Kiểm tra lỗi sản phẩm được sử dụng để phát hiện các lỗi trong quá trình sản xuất ô tô như lỗi hàn, lỗi bề mặt, lỗi hình dáng và kích thước của các chi tiết ô tô.

Sản xuất điện tử: Kiểm tra lỗi sản phẩm được sử dụng để phát hiện các lỗi trong quá trình sản xuất các sản phẩm điện tử như điện thoại, máy tính bảng, máy tính xách tay và các linh kiện điện tử khác. Sản xuất thực phẩm: Kiểm tra lỗi sản phẩm được sử dụng để phát hiện các lỗi trong quá trình sản xuất các sản phẩm thực phẩm như lỗi hình dáng, màu sắc, kích thước và các lỗi khác của sản phẩm thực phẩm. 14 Sản xuất dược phẩm: Kiểm tra lỗi sản phẩm được sử dụng để phát hiện các lỗi trong quá trình sản xuất các sản phẩm dược phẩm như lỗi hình dáng, màu sắc, kích thước và các lỗi khác của các viên thuốc và bao bì thuốc. Sản xuất bao bì: Kiểm tra lỗi sản phẩm được sử dụng để phát hiện các lỗi trong quá trình sản xuất các sản phẩm bao bì như lỗi in, lỗi đóng gói và lỗi hình dáng của bao bì.

Sản xuất giày dép: Kiểm tra lỗi sản phẩm được sử dụng để phát hiện các lỗi trong quá trình sản xuất các sản phẩm giày dép như lỗi hình dáng, kích thước và các lỗi khác của sản phẩm giày dép. Tóm lại, việc kiểm tra lỗi sản phẩm bằng ứng dụng Camera có thể được áp dụng trong nhiều ngành công nghiệp sản xuất khác nhau để đảm bảo chất lượng sản phẩm và tăng hiệu quả sản xuất. Quy trình kiểm tra lỗi sản phẩm bằng ứng dụng Camera sẽ được thực hiện theo các bước như sau: Bước 1: Khảo sát sản phẩm Nhà sản xuất cần thực hiện khảo sát sản phẩm để xác định các lỗi chất lượng thường gặp và các vị trí có thể phát hiện lỗi. Bước 2: Thiết lập hệ thống Camera Thiết lập hệ thống Camera phù hợp với sản phẩm và vị trí kiểm tra.

Bước 3: Thiết lập phần mềm kiểm tra Thiết lập các phần mềm để phân tích hình ảnh và xác định các lỗi sản phẩm. Bước 4: Chụp ảnh sản phẩm Sử dụng các hệ thống Camera để chụp ảnh sản phẩm Bước 5: Phân tích hình ảnh 15 Sử dụng phần mềm để phân tích hình ảnh sản phẩm và xác định các lỗi chất lượng. Bước 6: Xử lý lỗi sản phẩm Khi phát hiện lỗi chất lượng, sản phẩm bị loại bỏ hoặc đưa vào quy trình sửa chữa. Bước 7: Điều chỉnh hệ thống Sau khi thực hiện kiểm tra, nhà sản xuất cần điều chỉnh hệ thống để nâng cao hiệu quả và độ chính xác của kiểm tra sản phẩm.

Phương pháp kiểm tra lỗi sản phẩm bằng ứng dụng Camera thường được kết hợp với các phương pháp khác như kiểm tra bằng cảm biến hoặc kiểm tra bằng máy đo. Việc kết hợp các phương pháp kiểm tra sẽ giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và tăng độ chính xác của quá trình kiểm tra.3 Ưu điểm của giải pháp kiểm tra lỗi sản phẩm bằng camera Phương pháp kiểm tra lỗi sản phẩm đang được rất nhiều doanh nghiệp ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất bởi tính ứng dụng cao và khả năng hoạt động liên tục trong nhà máy. Những ưu điểm của phương pháp này cụ thể như sau Tính chính xác cao: Giải pháp kiểm tra và phân loại sản phẩm bằng camera có thể nhận diện sản phẩm lỗi với độ chính xác cao trên dây chuyền hoạt động liên tục, tốc độ cao. Đây là việc mà nhân công không thể đáp ứng được.

Hoạt động độc lập: Camera Vision được lắp trực tiếp trên dây chuyền sản xuất và hoạt động độc lập. Camera Vision có thể hoạt động như một trạm kiểm tra độc lập hoặc được lắp trực tiếp trên dây chuyền sản xuất giúp thay thế công nhân kiểm tra sản phẩm theo thời gian thực khi sản phẩm đang di chuyển với tốc độ cao. 16 Nhận diện sản phẩm lỗi chính xác: Hệ thống này giúp phát hiện thiếu sản phẩm, thiếu chi tiết sản phẩm, thiếu hạn sử dụng, phát hiện vật thể lạ, sai sót về màu sắc, sai hình dáng bao bì sản phẩm, sai ký tự, sai mã vạch Sai số cực nhỏ: Hệ thống kiểm tra sản phẩm bằng camera chụp lại hình ảnh sản phẩm chuẩn, lưu trên hệ thống xử lý sau đó phân tích các thông số kỹ thuật: Ánh sáng, màu sắc điểm ảnh. tiếp tục xử lý check lỗi nhỏ nhất mà mắt thường không thể nhìn thấy được.

Tiết kiệm chi phí nhân công: Với hệ thống kiểm tra lỗi sản phẩm, doanh nghiệp có thể tiết kiệm tối đa chi phí nhân công, khi giảm thiểu sự tham gia của con người vào quy trình sản xuất, tiêu biểu là trong công đoạn xử lý lỗi sản phẩm.3 Một số đề tài, công trình khoa học liên đến đề tài Qua quá trình tìm hiểu em thấy trên thị trường có một số loại máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm như: Máy kiểm tra ngoại quan tự động của SAOMAI SOLUTION GROUP: 17 Hình 1. Máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm Cấu tạo máy bao gồm: Khung máy, PLC, module giao tiếp, bộ đếm tốc độ cao, encoder… Đèn chiếu sáng và ống kính máy ảnh Camera xử lý và phân tích hình ảnh Phần mềm giám sát và báo cáo Tính năng của máy bao gồm: So sánh tiêu bản: Hệ thống kiểm tra quang học tự động AOI sẽ so sánh hình ảnh thu được với hình ảnh mẫu được cài đặt sẵn. Phát hiện đối tượng: Hệ thống kiểm tra quang học tự động có thể được đưa vào dây chuyền sản xuất ngay sau quá trình hàn. Bằng cách này, hệ thống có thể được sử dụng để phát hiện sớm các vấn đề trong quá trình sản xuất.

Phân loại sản phẩm: Máy có thể phát hiện các linh kiện không chính xác, các linh kiện bị thiếu hoặc các cấu phần được đặt không chính xác và phân loại lỗi sản phẩm. Kiểm tra bề mặt: Máy kiểm tra ngoại quan sản phẩm có thể phát hiện nhiều loại khuyết tật đặc trưng bề mặt như nốt sần, vết xước và vết bẩn cũng như các khuyết tật về kích thước quen thuộc hơn như hở mạch, mạch ngắn và hàn quá mỏng.