Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu hướng tự động hóa sản xuất và logistics công nghiệp, các khâu phân loại, đóng gói và bốc xếp hàng hóa lên giá đỡ (palletizing) đóng vai trò thiết yếu nhằm giảm thiểu chi phí nhân công, loại bỏ các tác vụ lặp lại nặng nhọc và nâng cao năng suất của toàn bộ dây chuyền. Việc chuyển đổi từ phương thức bốc xếp thủ công sang các hệ thống tự động hóa tích hợp cánh tay robot giúp duy trì tính ổn định, độ chính xác vị trí và tăng tính linh hoạt khi quy cách đóng gói thay đổi.

Đề tài "Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống xếp hàng lên giá đỡ có sử dụng cánh tay robot" do nhóm sinh viên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội thực hiện, nhằm giải quyết bài toán tự động hóa quá trình nhận diện, phân loại sản phẩm theo kích thước và xếp tự động lên các vị trí pallet tương ứng.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đồ án bao gồm:

  1. Nghiên cứu tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm và xếp hàng tự động trong công nghiệp.
  2. Tính toán, thiết kế cơ khí cho cánh tay robot 4 bậc tự do và hệ thống băng tải vận chuyển phôi.
  3. Thiết kế sơ đồ nguyên lý, mạch điện điều khiển và lựa chọn thiết bị điện cho hệ thống.
  4. Xây dựng thuật toán xử lý ảnh trên máy tính để nhận diện kích thước phôi và thiết lập truyền thông dữ liệu xuống bộ điều khiển khả trình (PLC).
  5. Lập trình điều khiển toàn bộ hệ thống bằng PLC Siemens S7-1200, thiết kế giao diện giám sát HMI và chế tạo mô hình thực nghiệm hoạt động hoàn chỉnh.

Đối tượng nghiên cứu là mô hình hệ thống cơ điện tử tích hợp gồm cánh tay robot 4 bậc tự do, băng tải cấp phôi, hệ thống camera xử lý ảnh và hệ thống điều khiển PLC. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào việc phân loại 2 dòng sản phẩm có kích thước khác nhau và bốc xếp lên 2 giá đỡ riêng biệt, được thực hiện trong thời gian từ ngày 10/10/2023 đến ngày 30/01/2024.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Để giải quyết bài toán thiết kế hệ thống cơ điện tử hoàn chỉnh, đồ án áp dụng kết hợp các khung lý thuyết kỹ thuật, mô hình toán học và phương pháp tính toán chuyên ngành:

  • Lý thuyết động học và động lực học robot:
    • Thiết lập hệ tọa độ và bảng thông số hình học theo phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H) cho cánh tay robot 4 bậc tự do (4 DOF).
    • Sử dụng ma trận biến đổi tọa độ thuần nhất $A_i^{i-1}$ và ma trận tổng hợp $T_4^0$ để giải bài toán động học thuận (Forward Kinematics), xác định vị trí khâu tác động cuối.
    • Sử dụng phương pháp hình học lượng giác để giải bài toán động học ngược (Inverse Kinematics), tính toán các góc khớp $\theta_1, \theta_2, \theta_3$ phục vụ điều khiển quỹ đạo.
    • Ứng dụng phương pháp Euler - Lagrange để xây dựng phương trình động lực học tổng quát: $M(q)\ddot{q} + C(q, \dot{q})\dot{q} + g(q) = u$, trong đó xác định ma trận khối lượng $M(q)$, ma trận Coriolis/ly tâm $C(q, \dot{q})$ thông qua hệ số Christoffel và véctơ trọng lực $g(q)$.
    • Ứng dụng phương pháp Newton - Euler để xác định phản lực $F_{i,i-1}$ và mômen $M_{i,i-1}$ tác dụng lên từng khớp từ khâu cuối (khớp 4) về khâu cố định (khớp 1).
  • Lý thuyết tính toán hệ dẫn động cơ khí và sức bền:
    • Phương pháp tính toán lực cản chuyển động và lực kéo băng tải theo sơ đồ phân đoạn lực căng $S_i = S_{i-1} + W_{i-1/i}$.
    • Phương pháp tính toán công suất, tỷ số truyền và kiểm nghiệm độ bền mòn, độ bền tiếp xúc của bộ truyền xích con lăn và bộ truyền đai răng.
    • Phương pháp tính toán trục tang dẫn động dựa trên ứng suất xoắn và mômen uốn cho phép.
  • Phương pháp thị giác máy tính và xử lý ảnh:
    • Ứng dụng ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV để thực hiện các bước tiền xử lý ảnh: chuyển đổi không gian màu sang ảnh xám (Grayscale), làm mờ giảm nhiễu (Gaussian Blur), trích xuất đường viền đối tượng (Contour Detection) và tính toán diện tích hình học của phôi để phân loại kích thước.
    • Phương pháp truyền thông công nghiệp qua giao thức S7 Protocol sử dụng thư viện Snap7 nhằm truyền dữ liệu phân loại từ Python sang các khối dữ liệu (Data Block) của PLC.

Nguồn dữ liệu của đề tài bao gồm các thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của thiết bị công nghiệp (động cơ Mitsubishi, SPG, PLC Siemens, cảm biến Omron), kết hợp với số liệu tính toán động lực học và các kết quả thu thập trực tiếp trong quá trình thử nghiệm mô hình thực tế.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc phân tầng hoàn chỉnh, bao gồm phần cứng cơ khí, hệ thống mạch điện điều khiển và chương trình phần mềm tích hợp.

+-------------------------------------------------------------+
|              Camera thu nhận hình ảnh phôi                  |
+------------------------------+------------------------------+
                               |
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|      Khối PC xử lý ảnh (Python/OpenCV - Tính diện tích)     |
+------------------------------+------------------------------+
                               | Giao tiếp Ethernet (Snap7)
                               v
+-------------------------------------------------------------+
|        PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC)             |
|   - Nhận tín hiệu cảm biến E3F-DS30C4                       |
|   - Khối Motion Control / Bộ phát xung PTO/PWM             |
|   - Giao tiếp WinCC HMI (Giám sát Main / Auto / Manual)     |
+---------------+-----------------------------+---------------+
                |                             |
                v                             v
+-------------------------------+ +---------------------------+
|      Cụm Băng tải cấp phôi    | |   Cánh tay Robot 4 DOF    |
| - Động cơ DC giảm tốc 24V     | | - Động cơ bước Nema 17    |
| - Băng tải PVC (500x50 mm)    | | - Động cơ RC Servo SG90   |
|                               | | - Cơ cấu gắp / hút phôi   |
+-------------------------------+ +---------------------------+

Thông số thiết kế phần cứng và cơ khí

Đồ án thực hiện tính toán thiết kế cho hai phiên bản: mô hình công nghiệp chuẩn và mô hình thực nghiệm thu nhỏ:

Thành phần / Thông số Quy cách tính toán công nghiệp Quy cách chế tạo mô hình thực nghiệm
Kích thước sản phẩm 1 $45 \times 35 \times 10\text{ cm}$; trọng lượng $5\text{ kg}$ $48 \times 27 \times 10\text{ mm}$; trọng lượng $50\text{ g}$
Kích thước sản phẩm 2 $50 \times 35 \times 10\text{ cm}$; trọng lượng $10\text{ kg}$ $54 \times 27 \times 10\text{ mm}$; trọng lượng $100\text{ g}$
Kích thước Pallet $1200 \times 1200 \times 150\text{ mm}$ Thu nhỏ theo tỉ lệ tương ứng mô hình
Cánh tay robot 4 DOF; chiều dài khâu $d_1=1{,}1\text{ m}$, $a_2=1{,}25\text{ m}$; khối lượng $m_1=230\text{ kg}, m_2=160\text{ kg}, m_3=100\text{ kg}, m_4=60\text{ kg}$ 4 DOF; chế tạo bằng phương pháp in 3D; kích thước $d_1=0{,}11\text{ m}, a_2=0{,}122\text{ m}, a_3=0{,}13\text{ m}, a_4=0{,}025\text{ m}$
Động cơ robot AC Servo Mitsubishi HG-SN102(B)J ($1\text{ kW}, 14{,}3\text{ Nm}, 3000\text{ rpm}$) Khớp 1, 2, 3: Động cơ bước Nema 17 ($M_{\max}=400\text{ Nmm}$); Khớp 4: RC Servo SG90
Bộ truyền động robot Bộ truyền đai T5 Dây đai răng HTD 3M (bước đai $3\text{ mm}$, bản rộng $6\text{ mm}$, tỉ số truyền $1:4$)
Hệ thống băng tải Băng tải PVC dài $5000\text{ mm}$, rộng $500\text{ mm}$, dày $3\text{ mm}$; vận tốc $5\text{ cm/s}$ Băng tải PVC dài $500\text{ mm}$, rộng $50\text{ mm}$, dày $2\text{ mm}$; vận tốc $10\text{ mm/s}$
Động cơ băng tải Động cơ SPG S9I40GXH-V12CE ($40\text{ W}$) kèm hộp giảm tốc S9KB30BH (tỉ số $1:30$) Động cơ DC giảm tốc XGB 385SAP $24\text{ V}$ ($10\text{ vòng/phút}$)
Bộ truyền ngoài băng tải Bộ truyền xích ống con lăn (bước xích $t=12{,}7\text{ mm}$, số răng $z_1=21, z_2=89$, khoảng cách trục $a=507\text{ mm}$) Dẫn động trực tiếp trục tang

Thiết bị điện và giải pháp điều khiển

  • Bộ điều khiển trung tâm: PLC Siemens S7-1200 (CPU 1214C DC/DC/DC, mã hiệu 6ES7214-1AG40-0XB0), tích hợp bộ tạo xung tốc độ cao điều khiển động cơ bước và servo.
  • Cảm biến phát hiện: Cảm biến quang điện E3F-DS30C4 phát hiện phôi đi vào vùng gắp của robot.
  • Thiết bị quang học: Camera USB 4K độ phân giải $3840 \times 2160$ ($30\text{ fps}$) IMX317 kết hợp xử lý thị giác.
  • Thiết bị đóng cắt và nguồn: Nguồn tổ ong S-360-24A ($24\text{ VDC}$), Aptomat MCB-NXB-63 2PC20, nút nhấn CML LA38-203.
  • Giao diện vận hành (HMI): Thiết kế trên nền tảng WinCC (TIA Portal v16) với ba giao diện chức năng: Màn hình chính (Main), Màn hình vận hành tự động (Auto) và Màn hình điều khiển từng cơ cấu (Manual/Jog).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. Tổng quan hệ thống phân loại và xếp hàng tự động

Chương này phân tích tổng thể vai trò của tự động hóa trong sản xuất hiện đại, lịch sử phát triển của các hệ thống bốc xếp hàng (từ thiết bị cơ khí - nâng hạ thập niên 1970 đến tích hợp cánh tay robot từ thập niên 1980). Tác giả làm rõ các phương pháp phân loại sản phẩm trong công nghiệp (theo kích thước, màu sắc, khối lượng, mã vạch) và cấu tạo tiêu chuẩn của một cụm trạm robot xếp pallet công nghiệp gồm: băng tải nạp liệu, hệ thống camera thị giác máy, robot gắp hàng, máy cấp pallet tự động, máy quấn màng co, máy dán nhãn barcode và hàng rào an toàn.

Chương 2. Thiết kế hệ thống cơ khí

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình tính toán cơ khí cho cánh tay robot và băng tải:

  • Động học robot: Thiết lập bảng D-H cho 4 khâu, xác định ma trận biến đổi thuần nhất tổng quát $T_4^0$ để tính toán tọa độ điểm tác động cuối $(x_D, y_D, z_D)$. Thiết lập công thức lượng giác tính các biến khớp ngược: $$\theta_1 = \text{atan2}(y_D, x_D)$$ $$\theta_3 = \text{atan2}\left(\sqrt{1-D^2}, D\right)$$ $$\theta_2 = \alpha + \beta$$
  • Động lực học: Xác định ma trận Jacobi tịnh tiến $J_T$ và quay $J_R$, tính toán ma trận quán tính $M(q)$ và các thành phần véctơ trọng lực $g(q)$. Kết quả tính toán mômen yêu cầu cho các khớp robot công nghiệp lần lượt là $M_1 = 10{,}49\text{ Nm}$, $M_2 = 8{,}38\text{ Nm}$, $M_3 = 6{,}9\text{ Nm}$, $M_4 = 3{,}26\text{ Nm}$; đối với robot mô hình là $M_1 = 398\text{ Nmm}$, $M_2 = 358\text{ Nmm}$, $M_3 = 336\text{ Nmm}$, $M_4 = 2{,}12\text{ Nmm}$.
  • Tính toán băng tải và truyền động: Phân tích lực kéo băng tải $F = 255\text{ N}$, lực căng $S_0 = 100\text{ N}$, $S_3 = 354{,}965\text{ N}$. Tính toán bộ truyền xích con lăn với bước xích $t = 12{,}7\text{ mm}$, kiểm nghiệm độ bền tiếp xúc răng đĩa xích thép C45 đạt $\sigma_H = 370{,}26\text{ MPa} < [\sigma_H] = 500\text{ MPa}$. Tính toán đường kính trục sơ bộ $d_{sb} \ge 60 \div 75\text{ mm}$.

Chương 3. Thiết kế mạch điện điều khiển và mô hình

Chương 3 tập trung vào giải pháp điều khiển và kết nối hệ thống:

  • Thuật toán thị giác và truyền thông: Xây dựng script Python đọc ảnh từ camera, thực hiện lọc mờ, chuyển ảnh xám, tìm contour và tính diện tích phôi. Phân ngưỡng diện tích để phân biệt phôi lớn và phôi nhỏ, sau đó ghi giá trị phân loại vào thanh ghi dữ liệu PLC thông qua kết nối Ethernet sử dụng thư viện Snap7.
  • Quy hoạch sắp xếp trên Pallet: Xây dựng sơ đồ xếp phôi tối ưu không gian cho các loại phôi kích thước khác nhau trên pallet $1200 \times 1200\text{ mm}$ (công nghiệp) và trên pallet mô hình.
  • Chương trình điều khiển PLC: Cấu hình phần cứng trên TIA Portal v16, thiết lập các khối hàm Motion Control (MC_Power, MC_Reset, MC_Home, MC_MoveJog, MC_MoveAbsolute) để điều khiển vị trí các trục động cơ bước, xử lý tín hiệu cảm biến phát hiện phôi và thực thi chu trình hút - gắp - đặt phôi tuần tự.
  • Giao diện điều khiển và kết nối: Xây dựng giao diện HMI WinCC hoàn chỉnh và đấu nối tủ điện điều khiển chứa nguồn $24\text{ VDC}$, PLC, aptomat và driver động cơ.

Kết quả và đóng góp

  • Kết quả kỹ thuật đạt được:
    • Hoàn thành bản thuyết minh đồ án 96 trang A4, bao gồm toàn bộ phần tính toán lý thuyết động học, động lực học và tính toán chi tiết cơ khí.
    • Xuất 03 bản vẽ lắp thiết kế cơ khí các chi tiết (khổ A0) và 02 bản vẽ sơ đồ nguyên lý - mạch điện điều khiển (khổ A0).
    • Chế tạo thành công mô hình cơ điện tử hoàn chỉnh: cánh tay robot 4 bậc tự do in 3D kết hợp bộ truyền đai HTD 3M, băng tải PVC mini dẫn động bằng động cơ DC và cơ cấu hút phôi.
    • Xây dựng hệ thống điều khiển tích hợp: chương trình xử lý ảnh Python nhận diện chính xác 2 loại phôi, truyền thông trơn tru qua Snap7 xuống PLC S7-1200, giao diện HMI WinCC điều khiển đầy đủ các chế độ Home, Manual, Auto.
  • Đánh giá chuyên môn:
    • Giáo viên hướng dẫn (TS. Nhã Tường Linh, PGS. Bùi Hải Lê) đánh giá điểm: 9,5/10 cho cả 3 sinh viên.
    • Giáo viên phản biện (PGS. Đặng Thái Việt) đánh giá điểm: 9,0/10 cho cả 3 sinh viên.
  • Đóng góp của đồ án:
    • Cung cấp một giải pháp tích hợp hoàn chỉnh từ lý thuyết tính toán cơ học tay máy, thiết kế cơ khí băng chuyền đến điều khiển tự động hóa phân tầng bằng PLC kết hợp thị giác máy tính mã nguồn mở.
    • Minh chứng tính khả thi của việc sử dụng công nghệ in 3D và các linh kiện tiêu chuẩn để xây dựng mô hình đào tạo/nghiên cứu cơ điện tử với chi phí thấp nhưng vẫn đảm bảo đầy đủ các tính năng công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nhận xét của giáo viên hướng dẫn, giáo viên phản biện và phần tự đánh giá trong đồ án, các hạn chế và định hướng phát triển gồm:

  • Hạn chế:
    • Độ cứng vững kết cấu và tính ổn định của hệ thống còn hạn chế khi vận hành trong môi trường công nghiệp thực tế.
    • Tỷ lệ thu nhỏ của mô hình thực nghiệm so với tính toán lý thuyết công nghiệp cần được chuẩn hóa chặt chẽ hơn theo các công thức kỹ thuật chuẩn để đảm bảo sự đồng bộ giữa lý thuyết và thực tế.
    • Hệ thống thực nghiệm mới chỉ đáp ứng phương án sắp xếp cho 2 loại phôi có kích thước cố định; chưa có phương án xử lý linh hoạt khi kích thước phôi sai khác ngẫu nhiên hoặc khi năng suất và tốc độ băng tải thay đổi.
    • Độ chính xác của hệ tọa độ vị trí hàng hóa trên pallet so với tay máy robot cần được kiểm soát tốt hơn để tránh sai số tích lũy khi hệ thống vận hành liên tục trong thời gian dài.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nâng cao tải trọng nâng và độ cứng vững cơ khí của cánh tay robot.
    • Phát triển thuật toán nhận diện và quy hoạch quỹ đạo gắp đặt thích ứng cho nhiều loại sản phẩm có kích thước, hình dạng đa dạng hơn.
    • Tối ưu hóa độ chính xác định vị phôi trên pallet và tích hợp thêm các cảm biến bù sai số vị trí theo thời gian thực.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo cho sinh viên, học viên chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử, Tự động hóa, Cơ kỹ thuật và Chế tạo máy:

  • Phần tính toán động học và động lực học robot 4 DOF (Chương 2): Cung cấp các bước thiết lập bảng D-H, nhân ma trận thuần nhất, giải động học ngược và ứng dụng phương pháp Lagrange/Newton-Euler để tính toán mômen động cơ.
  • Phần tính toán hệ dẫn động băng tải và truyền động xích (Chương 2): Cung cấp phương pháp tính toán lực căng băng tải, kiểm nghiệm tiếp xúc răng đĩa xích và tính toán trục theo tiêu chuẩn cơ khí.
  • Phần tích hợp PLC Siemens S7-1200 với Python qua Snap7 (Chương 3): Cung cấp giải pháp kết nối thị giác máy tính (OpenCV) với hệ thống điều khiển công nghiệp (TIA Portal) phục vụ các bài toán phân loại sản phẩm tự động.

Câu hỏi thường gặp

1. Đồ án sử dụng phương pháp nào để giải bài toán động học và động lực học cho cánh tay robot 4 bậc tự do?
Tác giả sử dụng phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H) để mô hình hóa hình học và ma trận biến đổi thuần nhất $T_4^0$ cho động học thuận; phương pháp hình học lượng giác để giải động học ngược tìm các góc $\theta_1, \theta_2, \theta_3$; phương pháp Euler - Lagrange kết hợp hệ số Christoffel và ma trận Jacobi để xây dựng phương trình động lực học tổng quát; cùng phương pháp Newton - Euler để tính toán lực và mômen tại các khớp.

2. Giải pháp phân loại phôi và truyền dữ liệu xuống bộ điều khiển PLC được thực hiện như thế nào?
Hệ thống sử dụng camera ghi hình ảnh phôi trên băng tải, chương trình Python sử dụng thư viện OpenCV để xử lý ảnh (chuyển ảnh xám, làm mờ, tìm contour và tính diện tích phôi). Dựa trên ngưỡng diện tích, chương trình phân loại kích thước phôi và gửi kết quả xuống các thanh ghi trong khối dữ liệu của PLC Siemens S7-1200 thông qua mạng Ethernet sử dụng thư viện Snap7.

3. Động cơ và bộ truyền động được lựa chọn cho cánh tay robot trong mô hình thực nghiệm là gì?
Trong mô hình thu nhỏ, 3 khớp đầu (khớp 1, 2, 3) sử dụng động cơ bước Nema 17 có mômen cực đại $M_{\max} = 400\text{ Nmm}$, dẫn động qua bộ truyền đai răng HTD 3M (bước đai $3\text{ mm}$, rộng $6\text{ mm}$, tỉ số truyền $1:4$); khớp thứ 4 sử dụng động cơ RC Servo SG90.

4. Giáo viên phản biện đã chỉ ra những điểm hạn chế chính nào của đồ án?
Giáo viên phản biện PGS. Đặng Thái Việt đã chỉ ra rằng: tỷ lệ thu nhỏ cần đảm bảo theo công thức kỹ thuật chuẩn để đồng bộ giữa lý thuyết và thực tế; phần thực nghiệm cần bổ sung phương án đáp ứng khi kích thước hàng hóa sai khác hoặc khi năng suất/tốc độ thay đổi; đồng thời cần lưu ý độ chính xác hệ tọa độ giữa hàng hóa trên pallet và tay máy robot để đảm bảo hệ thống vận hành ổn định lâu dài.

Kết luận

Đồ án "Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống xếp hàng lên giá đỡ có sử dụng cánh tay robot" đã hoàn thành toàn diện các mục tiêu từ tính toán lý thuyết động học, động lực học robot 4 bậc tự do, tính toán hệ thống cơ khí băng chuyền đến xây dựng mô hình thực nghiệm in 3D hoạt động hoàn chỉnh. Việc kết hợp thành công giữa xử lý ảnh trên nền Python, truyền thông Snap7 và điều khiển vị trí chuyển động bằng PLC Siemens S7-1200 đã chứng minh tính khả thi của giải pháp tự động hóa phân loại và bốc xếp hàng hóa. Đề tài được hội đồng chấm tốt nghiệp Trường Cơ khí – Đại học Bách khoa Hà Nội đánh giá cao với kết quả xuất sắc (GVHD chấm 9,5 điểm; GVPB chấm 9,0 điểm).