Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chế tạo thiết bị điện tử, yêu cầu về năng suất sản xuất, tốc độ lắp ráp, mật độ linh kiện và độ chính xác hình học ngày càng trở nên khắt khe. Công nghệ dán bề mặt SMT (Surface Mount Technology) đã trở thành tiêu chuẩn kỹ thuật cốt lõi thay thế cho phương pháp cắm qua lỗ truyền thống (Through-Hole Technology). SMT cho phép gắn trực tiếp linh kiện lên bề mặt bo mạch in (PCB), giúp thu nhỏ kích thước sản phẩm, gia tăng độ tin cậy kết nối điện tử, loại bỏ các công đoạn khoan lỗ phức tạp và tiết giảm đáng kể chi phí nhân công nhờ tự động hóa dây chuyền.

Tại Việt Nam, dù tốc độ mở rộng của các nhà máy sản xuất phần cứng điện tử diễn ra nhanh chóng, phần lớn hệ thống máy SMT công nghiệp phục vụ dây chuyền lắp ráp đều phải nhập khẩu nguyên chiếc từ nước ngoài với chi phí đầu tư rất lớn, đồng thời gặp nhiều hạn chế trong việc can thiệp hiệu chỉnh phần mềm hoặc tùy biến chức năng cơ khí. Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp 4.0, việc tích hợp các giải pháp điều khiển tự động hóa khả trình kết hợp với thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo (AI) mở ra khả năng làm chủ công nghệ thiết bị trong nước. Đề tài "Hệ thống dán và hàn linh kiện bề mặt – SMT Machine" được nhóm tác giả lựa chọn nhằm thiết kế, chế tạo và vận hành thử nghiệm một mô hình SMT tự động có chi phí hợp lý, đáp ứng quy trình kỹ thuật tra kem hàn, gắp đặt và gia nhiệt khò dán linh kiện.

Mục tiêu chung của đồ án là chế tạo hoàn chỉnh mô hình hệ thống có khả năng tự động hóa chu trình tra kem hàn, định vị gắp - đặt linh kiện và gia nhiệt hàn linh kiện vào bo mạch PCB với sự trợ giúp của xử lý ảnh và giao diện người - máy (HMI). Các mục tiêu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Thiết kế và gia công phần cơ khí của hệ thống.
  2. Thiết kế hệ thống phần điện điều khiển và hệ thống khí nén.
  3. Thiết kế hệ thống điều khiển PID cho quá trình ổn định nhiệt độ hàn linh kiện.
  4. Lập trình bộ điều khiển logic khả trình (PLC) để điều khiển chuyển động tự động của các cơ cấu truyền động.
  5. Xây dựng giao diện HMI nhằm phục vụ việc vận hành, giám sát và cảnh báo trạng thái hệ thống.
  6. Xây dựng hệ thống thị giác máy tính để xác định tọa độ và kiểm tra tính chính xác của vị trí linh kiện.
  7. Thiết kế và chế tạo các bo mạch in (PCB) phụ trợ cho hệ thống điều khiển.

Về phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình máy SMT tự động tích hợp cơ điện tử, bộ điều khiển PLC FX5U, vi điều khiển Arduino, hệ thống thị giác máy tính OpenCV và mô hình học sâu YOLOv8.
  • Phạm vi đối tượng gia công: Hệ thống tập trung xử lý các linh kiện điện tử dán có kích thước lớn hơn 1 cm; chưa áp dụng cho các dòng linh kiện siêu nhỏ như Micro BGA hoặc các linh kiện có chân kết cấu vi mô đặc biệt.
  • Phạm vi không gian và thời gian: Đề tài được triển khai thực nghiệm tại Khoa Điện – Điện tử và phòng thí nghiệm ACISLAB thuộc Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh, trong thời gian từ ngày 24 tháng 02 năm 2025 đến ngày 11 tháng 06 năm 2025.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của công trình được xây dựng dựa trên sự liên kết giữa công nghệ sản xuất điện tử SMT, lý thuyết điều khiển tự động công nghiệp, nhiệt động học và thị giác máy tính hiện đại:

  • Quy trình công nghệ SMT tiêu chuẩn: Bao gồm chuỗi 4 công đoạn cơ bản: (1) Quét kem hàn lên bề mặt tiếp xúc của mạch in qua mặt nạ kim loại (stencil); (2) Gắp và đặt linh kiện (Pick and Place) từ khay nạp liệu đến tọa độ phủ kem chì trên PCB; (3) Gia nhiệt hàn (Reflow soldering) nung chảy kem chì để tạo liên kết cơ - điện vững chắc; (4) Kiểm tra ngoại quan tự động (AOI) nhằm phát hiện sai lệch vị trí hoặc khiếm khuyết sau hàn.
  • Lý thuyết điều khiển PLC: Nghiên cứu cấu trúc kiến trúc phần cứng chuẩn của bộ điều khiển logic khả trình (CPU, mô-đun cấp nguồn 24V, mô-đun I/O, bộ nhớ chương trình và bộ nhớ dữ liệu). Đồ án tập trung vào dòng PLC Mitsubishi FX5U (bộ xử lý 32-bit), khai thác các tập lệnh phát xung tốc độ cao để điều khiển vị trí đa trục, giao tiếp truyền thông Ethernet công nghiệp và mô hình kết nối Chủ - Tớ (Master - Slave).
  • Nguyên lý khí nén và bảo vệ hệ thống điện: Khai thác đặc tính cơ cấu chấp hành xi lanh khí nén (tác động đơn, tác động kép, xi lanh không trục, xi lanh quay) phục vụ kẹp, hút chân không và định lượng bơm keo. Cơ chế an toàn sử dụng Aptomat đóng ngắt tự động (phối hợp thanh lưỡng kim ngắt quá tải nhiệt và cuộn dây điện từ ngắt ngắn mạch tức thời kết hợp buồng dập hồ quang) và rơ-le bán dẫn (SSR) để cách ly tải công suất cao.
  • Thuật toán điều khiển nhiệt độ PID phân pha: Thiết lập phương trình vi tích phân tỉ lệ tổng quát $u(t) = K_p e(t) + K_i \int e(t)dt + K_d \frac{de(t)}{dt}$. Để khắc phục quán tính nhiệt lớn của đầu khò, hệ thống áp dụng kỹ thuật chia hai pha gia nhiệt: pha "Boost-PID" (cấp xung công suất cao với hệ số $K_p$ lớn để rút ngắn thời gian quá độ đưa nhiệt độ từ môi trường lên sát điểm đặt) và pha "Hold-PID" (giảm $K_p$, tăng $K_i$, kết hợp thuật toán chống tích lũy bão hòa Anti-Windup và Flush bộ tích lũy để triệt tiêu sai số xác lập, giữ nhiệt độ dao động trong biên độ hẹp quanh setpoint).
  • Thị giác máy tính và học sâu: Sử dụng thư viện mã nguồn mở OpenCV với các giải thuật tiền xử lý ảnh cổ điển: bộ lọc làm mịn Gaussian Blur, cân bằng sáng cục bộ CLAHE, nhị phân hóa Otsu và phân ngưỡng màu trong không gian HSV, lọc hình thái học (Erosion, Dilation, Opening, Closing) và thuật toán Suzuki–Abe (findContours, minAreaRect) để xác định tọa độ tâm hình học miếng đồng trên PCB. Đồng thời, mô hình mạng nơ-ron tích chập (CNN) thông qua cấu trúc YOLOv8 được khai thác cho tác vụ phân loại hình ảnh (Classification) nhằm nhận định trạng thái linh kiện sau khò dán.
  • Giải thuật quy đổi tọa độ không gian (Affine/Homogeneous Transformation): Thiết lập ma trận biến đổi tọa độ $3 \times 3$ giữa hệ quy chiếu camera (Pixel) và hệ quy chiếu làm việc của robot (Robot coordinate) để điều khiển động cơ tịnh tiến đến đúng vị trí thực tế:

$$\begin{bmatrix} X_r \ Y_r \ 1 \end{bmatrix} = \begin{bmatrix} \cos\theta & -\sin\theta & t_x \ \sin\theta & \cos\theta & t_y \ 0 & 0 & 1 \end{bmatrix} \begin{bmatrix} X_c \ Y_c \ 1 \end{bmatrix}$$

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được áp dụng xuyên suốt đồ án: kết hợp mô phỏng động học 3D, thi công lắp ráp mô hình vật lý, lập trình logic hệ thống, thu thập dữ liệu hình ảnh thực tế để huấn luyện mô hình trí tuệ nhân tạo và tiến hành đo đạc kiểm thử sai số lặp lại trên bo mạch PCB.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống SMT Machine được hiện thực hóa dựa trên việc đồng bộ giữa cơ cấu truyền động cơ khí 3 trục tọa độ Cartesius, hệ thống điều khiển trung tâm và các module thị giác máy:

[Camera Dino-Lite] ---- (Hình ảnh) ----> [Máy tính / Python GUI]
                                                  |
                                          (Ethernet Socket)
                                                  v
[Màn hình HMI] <--- (Modbus/Ethernet) ---> [PLC Mitsubishi FX5U]
                                                  |
              +-----------------------------------+-----------------------------------+
              |                                   |                                   |
              v                                   v                                   v
      [Driver DM542]                     [Mạch PCB Cách Ly]                  [Arduino UNO / Nano]
              |                             (Opto & MOSFET)                           |
              v                                   |                                   v
    [Động cơ bước Nema 42]                        v                           [Module MAX6675]
     (Trục X, Trục Y, Z1)                [Van Khí & Xi Lanh]                          |
                                        (Bơm keo / Hút chân không)                    v
                                                                             [Rơ-le Bán dẫn SSR]
                                                                                      |
                                                                                      v
                                                                             [Đầu Khò Nhiệt PID]

1. Kiến trúc cơ khí và động lực học

  • Trục X: Sử dụng kết cấu ray dẫn hướng, bánh xe trượt kết hợp bộ truyền vít me và dây đai răng được dẫn động bởi động cơ bước Nema 42. Cơ cấu đảm bảo khả năng chuyển động tịnh tiến êm dịu, mô-men xoắn kéo lớn và tốc độ đáp ứng vị trí cao.
  • Trục Y: Được gắn trực tiếp vuông góc trên khung trục X, vận hành thông qua hệ thống truyền động vít me đai ốc phối hợp dây đai và động cơ bước Nema 42. Hệ thống bánh xe trượt chịu tải giúp giảm thiểu lực ma sát tiếp xúc và chống rung lắc khi đổi chiều chuyển động.
  • Trục Z1: Chuyên trách chuyển động nâng hạ cụm đầu khò nhiệt, sử dụng cơ cấu biến đổi chuyển động vít me – đai ốc bước nhỏ kết nối động cơ bước nhằm định vị cao độ đầu thổi khí nóng với sai số cho phép $\pm 0.5\text{ cm}$.
  • Trục Z2: Đảm nhận tác vụ nâng hạ đầu hút chân không Pick & Place và cụm xi lanh khí nén bơm keo hàn. Cơ cấu đầu hút vận hành với áp suất chân không thiết kế đạt xấp xỉ $40\text{ kPa}$, đường kính tiết diện đầu hút đạt $0.5\text{ cm}$. Cụm kim phun keo có đường kính $0.5\text{ cm}$ giúp ngăn ngừa hiện tượng tắc nghẽn kem hàn.
  • Hệ kết cấu phụ trợ: Bao gồm khay định vị bo mạch PCB, khay nạp linh kiện dán, giá đỡ cố định hệ thống camera thị giác và hộp cách ly chứa vi điều khiển. Kích thước tổng thể khung máy đạt dự kiến khoảng $1.2\text{ m} \times 1.0\text{ m} \times 0.x\text{ m}$.

2. Thiết kế hệ thống điện và điều khiển logic

  • Bộ điều khiển khả trình PLC: Trung tâm xử lý chuyển động là PLC Mitsubishi dòng FX5UC-32MT/D, xuất chuỗi xung điều khiển vòng hở đến các Driver DM542 để điều phối chuyển vị các động cơ bước Nema 42, đồng thời nhận tín hiệu phản hồi hành trình từ các công tắc giới hạn hành trình (Limit Switch KW12).
  • Mạch giao tiếp và bảo vệ PCB: Nhóm tác giả thiết kế và gia công hai bo mạch in chuyên dụng:
    • Mạch cách ly tín hiệu: Sử dụng các IC cách ly quang (Optocoupler) và tầng công tắc bán dẫn MOSFET để bảo vệ các ngõ vào/ra của PLC khỏi xung điện áp ngược và nhiễu công nghiệp từ tải khí nén, van điện từ.
    • Mạch nguồn chuyển đổi điện áp: Cung cấp các mức nguồn điện áp một chiều ổn định ($24\text{V}$, $12\text{V}$, $5\text{V}$) cho toàn bộ cảm biến, vi điều khiển và mạch logic.
  • Mô-đun điều khiển nhiệt độ: Sử dụng vi điều khiển Arduino kết hợp cảm biến nhiệt cặp nhiệt điện (Thermocouple) chuẩn K qua bộ chuyển đổi tích hợp khuếch đại MAX6675. Tín hiệu điều khiển công suất được điều chế độ rộng xung (PWM) kích đóng ngắt rơ-le bán dẫn (SSR) cấp nguồn cho thanh điện trở gia nhiệt của mỏ khò.

3. Hệ thống phần mềm, giao diện và thị giác máy tính

  • Phần mềm PLC (GX Works3): Xây dựng các khối chức năng (Function Blocks), quản lý bảng biến dữ liệu, lưu đồ giải thuật cho hai chế độ vận hành Manual (chạy bước, gá đặt thủ công) và Auto (chu trình dán hàn tự động).
  • Giao diện HMI (EasyBuilder Pro): Triển khai trên màn hình Weinview bao gồm 5 trang chức năng chính: Trang chủ đăng nhập bảo mật, Trang giám sát tổng thể thời gian thực, Trang vận hành chế độ Auto, Trang điều khiển chế độ Manual và Trang thống kê/quản lý cảnh báo lỗi (Alarm).
  • Xử lý ảnh và GUI giám sát (Python / PyCharm):
    • Giao thức truyền thông socket Ethernet định dạng cổng được thiết lập để trao đổi tọa độ và cờ kích hoạt hai chiều giữa chương trình Python và PLC FX5U.
    • Sử dụng Camera Dino-Lite thu nhận hình ảnh quang học. Pipeline OpenCV lọc nhiễu Gaussian, chuyển đổi không gian màu sang HSV để bóc tách vùng biên miếng đồng trên bo mạch in, tính toán trọng tâm pixel và áp dụng ma trận Affine để gửi tọa độ thực tế $(X, Y)$ về PLC.
    • Giao diện người dùng đồ họa (GUI) phát triển trên Python cung cấp các màn hình giám sát: kiểm tra vùng đặt linh kiện, phát hiện vị trí đặt miếng đồng, hiển thị bảng dữ liệu tọa độ từ file Excel và thống kê kết quả phân loại đạt/hỏng (OK/NG).
Hạng mục thiết bị / Công nghệ Model / Quy chuẩn kỹ thuật Vai trò trong hệ thống SMT Machine
Bộ điều khiển logic khả trình Mitsubishi FX5UC-32MT/D Điều khiển phát xung vị trí động cơ, xử lý logic liên động
Màn hình giao diện HMI Weinview / EasyBuilder Pro Giám sát trạng thái, điều khiển chế độ Manual/Auto, báo động
Động cơ & Driver điều khiển Step Motor Nema 42 + Driver DM542 Dẫn động chính xác các trục tịnh tiến cơ khí X, Y, Z1
Bộ thu nhận hình ảnh Camera công nghiệp Dino-Lite Thu nhận ảnh bề mặt PCB phục vụ định vị và kiểm tra
Cơ cấu chấp hành khí nén Xi lanh Airtac + Đầu hút 40 kPa Hút giữ - thả linh kiện, dẫn động kim bơm keo chì hàn
Bộ điều khiển nhiệt độ khò Arduino + Thermocouple + MAX6675 Đo nhiệt độ, thực thi giải thuật Boost/Hold-PID kích SSR
Thuật toán thị giác máy OpenCV + YOLOv8 (Classification) Nhận diện tọa độ miếng đồng; phân loại lỗi OK/NG linh kiện
Mạch in chức năng tự thiết kế PCB cách ly Opto-MOSFET & Ổn áp nguồn Phối hợp trở kháng, chống nhiễu công nghiệp, phân phối nguồn

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan

Trình bày tổng quan về đề tài máy dán và hàn linh kiện SMT. Phân tích chi tiết tính cấp thiết, mục tiêu thiết kế phần cứng, giải thuật điều khiển và hệ thống thị giác máy. Xác lập các giới hạn cụ thể của đồ án: tập trung vào thuật toán tự động hóa và điều khiển hơn là chi tiết chế tạo cơ khí công nghiệp; chỉ áp dụng cho linh kiện dán có kích thước lớn hơn 1 cm; phôi mạch in và khay linh kiện phải được gá đặt cố định từ trước; phạm vi đánh giá dừng lại ở quy mô mô hình phòng thí nghiệm.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Cung cấp hệ thống lý thuyết nền tảng về:

  • Công nghệ dán bề mặt SMT và chu trình 4 bước chuẩn công nghiệp (Quét kem hàn, gắn chip, gia nhiệt reflow, kiểm tra quang học AOI).
  • Cấu trúc phần cứng PLC và các đặc tính kỹ thuật vượt trội của dòng Mitsubishi FX5U trong điều khiển vị trí đa trục.
  • Nguyên lý cơ cấu xi lanh khí nén và các thành phần bảo vệ mạch điện (Aptomat dập hồ quang nhiệt - từ, rơ-le điện từ và SSR).
  • Thuật toán điều khiển PID ứng dụng trong gia nhiệt mỏ khò, chi tiết hóa hai pha Boost-PID và Hold-PID cùng giải pháp Anti-Windup.
  • Kiến trúc mạng nơ-ron học sâu CNN, nguyên lý phát hiện đối tượng YOLO và các giải thuật OpenCV cổ điển (Gaussian, CLAHE, Otsu, Morphology, Canny, findContours).
  • Mô hình toán học chuyển đổi tọa độ Affine/Homogeneous giữa hệ trục Camera và hệ trục Robot.
  • Giới thiệu tổng quan hệ thống phần mềm công cụ: GX Works3, PyCharm, EasyBuilder Pro, Arduino IDE và quy chuẩn thiết kế bo mạch PCB theo chuẩn IPC.

Chương 3: Thiết kế và thi công phần cứng

Hiện thực hóa các yêu cầu kỹ thuật thành bản vẽ và sản phẩm cơ khí, điện tử:

  • Chi tiết hóa thiết kế cơ khí trục X, trục Y, trục nâng hạ đầu khò Z1, trục nâng hạ đầu hút và bơm keo Z2, khay gá PCB, khay linh kiện và gá đỡ camera Dino-Lite.
  • Lập bảng thông số tính toán lựa chọn thiết bị phần cứng: PLC FX5UC-32MT/D, động cơ bước Nema 42, Driver DM542, camera Dino-Lite, xi lanh khí nén Airtac, HMI Weinview, cảm biến nhiệt Thermocouple và IC MAX6675.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý và layout mặt bằng tủ điện công nghiệp: bản vẽ bố trí mặt trước/mặt sau tủ điện, sơ đồ cấp nguồn cách ly, sơ đồ đấu nối I/O PLC, sơ đồ chân vi điều khiển Arduino và sơ đồ mạng truyền thông qua cổng chia RJ45.

Chương 4: Thiết kế phần mềm

Chi tiết hóa cấu trúc mã nguồn và thuật toán điều khiển toàn hệ thống:

  • Xây dựng chương trình điều khiển PLC trên GX Works3: định nghĩa biến nhớ, bit đặc biệt, lập trình hàm Function Block điều khiển phát xung phát lệnh chuyển động vị trí, xây dựng lưu đồ giải thuật chế độ Manual và chế độ Auto.
  • Thiết kế hệ thống giao diện HMI trên EasyBuilder Pro gồm các màn hình tương tác chuyên biệt (Đăng nhập, Vận hành, Giám sát, Báo động).
  • Lập trình module thị giác máy tính bằng Python: giao thức truyền thông mạng Ethernet Socket với PLC, quy trình thu thập và tiền xử lý tập dữ liệu ảnh, kỹ thuật huấn luyện mô hình YOLO trên Google Colab, giải thuật trích xuất tọa độ miếng đồng bằng OpenCV và xây dựng giao diện GUI hiển thị.
  • Lập trình giải thuật PID trên Arduino IDE nhằm điều tiết công suất nhiệt mỏ khò theo phản hồi của MAX6675.
  • Thiết kế schematic và layout mạch in PCB cho khối cách ly tín hiệu đầu vào (Opto-MOSFET) và khối nguồn chuyển đổi hạ áp ổn định.

Chương 5: Kết quả đạt được

Trình bày kết quả thực nghiệm hoàn chỉnh của mô hình vật lý:

  • Vận hành thành công mô hình cơ khí tích hợp đầy đủ các trục chuyển động X, Y, Z1, Z2 và hệ thống tủ điện.
  • Thử nghiệm chức năng gắp và đặt linh kiện (Pick and Place) ở hai chế độ: Chế độ Auto tự nhập tọa độ từ giao diện/file dữ liệu và chế độ Auto thông minh nhận tọa độ tự động từ module thị giác máy tính xử lý ảnh miếng đồng.
  • Kiểm thử thực tế quá trình bơm keo và chu trình khò nhiệt dán chân linh kiện bằng thuật toán PID.
  • Đánh giá độ chính xác của mô hình học sâu YOLO trong việc phân loại trạng thái linh kiện sau hàn (đúng vị trí, lệch vị trí, ảnh không liên quan) thông qua ma trận nhầm lẫn (Confusion Matrix).
  • Chế tạo và thử nghiệm thành công 2 bo mạch PCB phần cứng hoạt động ổn định trong thực tế.

Chương 6: Kết luận & Hướng phát triển

Tổng kết toàn bộ khối lượng công việc nhóm đã hoàn thành so với mục tiêu ban đầu. Phân tích thẳng thắn các mặt hạn chế còn tồn đọng của mô hình vật lý và đề xuất định hướng kỹ thuật nhằm nâng cấp, tối ưu hóa hệ thống trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Mô hình "Hệ thống dán và hàn linh kiện bề mặt – SMT Machine" sau quá trình nghiên cứu, chế tạo và thử nghiệm đã đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể:

  • Khả năng vận hành cơ khí và tự động hóa: Chế tạo thành công khung máy cơ khí 3 trục tọa độ Cartesius hoạt động ổn định; phối hợp nhịp nhàng giữa chuyển động tịnh tiến trục X-Y với hai cơ cấu chấp hành trục đứng Z1 (khò nhiệt) và Z2 (hút chân không, bơm keo). Sai số định vị cơ cấu chấp hành và camera đáp ứng đúng dải dung sai thiết kế ban đầu (định vị khò $\pm 0.5\text{ cm}$, xử lý ảnh camera $\pm 0.2\text{ mm}$).
  • Hiệu quả của giải thuật điều khiển nhiệt độ: Bộ điều khiển PID tích hợp trên Arduino với chiến lược Boost-PID và Hold-PID giúp mỏ khò gia nhiệt nhanh chóng tới ngưỡng nóng chảy của kem hàn chì, kiểm soát độ vọt lố và duy trì nhiệt độ bám sát điểm đặt, bảo vệ linh kiện khỏi hiện tượng sốc nhiệt hoặc hỏng hóc do quá nhiệt.
  • Tích hợp thị giác máy và phân loại học sâu: Pipeline xử lý ảnh OpenCV nhận diện chính xác tâm hình học các miếng đồng tiếp xúc trên bo mạch PCB và quy đổi chuẩn xác tọa độ sang hệ xung điều khiển của PLC qua mạng Ethernet. Mô hình YOLOv8 sau quá trình huấn luyện trên Google Colab đã thực hiện thành công tác vụ phân loại hình ảnh, phát hiện chính xác các trường hợp linh kiện hàn đúng tâm, linh kiện bị đặt lệch chân và loại trừ các ảnh ngoại lai không liên quan (thể hiện rõ qua ma trận nhầm lẫn Confusion Matrix).
  • Hệ thống giao diện và bo mạch phần cứng: Thiết kế hoàn chỉnh giao diện HMI Weinview trực quan, cho phép chuyển đổi linh hoạt giữa vận hành thủ công và chu trình tự động khép kín. Hai bo mạch in phụ trợ (cách ly tín hiệu Opto-MOSFET và chuyển đổi nguồn áp) hoạt động tin cậy, triệt tiêu hiện tượng nhiễu xung điện từ ảnh hưởng đến PLC.

Đóng góp chính của đề tài là xây dựng thành công một giải pháp tích hợp liên ngành hoàn chỉnh: kết hợp giữa điều khiển tự động hóa cấp công nghiệp (PLC Mitsubishi FX5U) với các công nghệ mở linh hoạt (vi điều khiển Arduino, thị giác máy tính OpenCV và trí tuệ nhân tạo YOLOv8). Hệ thống chứng minh tính khả thi của việc chế tạo các dòng máy SMT cỡ nhỏ trong nước phục vụ đào tạo, nghiên cứu và sản xuất quy mô nhỏ, giúp giảm thiểu đáng kể chi phí đầu tư ban đầu so với việc nhập khẩu các dây chuyền công nghiệp đắt tiền.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Mặc dù đạt được đầy đủ các mục tiêu thiết kế và vận hành, công trình vẫn tồn tại một số hạn chế kỹ thuật được nhóm tác giả ghi nhận:

  • Phạm vi thao tác linh kiện còn hạn chế: Hệ thống mới chỉ vận hành tin cậy đối với các linh kiện dán có kích thước hình học lớn hơn 1 cm; chưa có cơ cấu gắp và camera quang học độ phóng đại siêu vi để thao tác các chip siêu nhỏ dạng Micro BGA hoặc linh kiện dán mật độ cao.
  • Độ linh hoạt gá đặt chưa tối ưu: Tọa độ khay chứa linh kiện và vị trí bo mạch in PCB vẫn phải được cố định tại các vị trí cơ học xác định trước. Nếu vị trí đặt mạch hoặc khay cấp phôi bị xê dịch ngẫu nhiên ngoài tầm định vị cố định, hệ thống chưa tự động thích nghi để bù trừ góc xoay lớn.
  • Kết cấu cơ khí và tốc độ vận hành: Khung máy và các bộ truyền động bước chưa hoàn toàn đạt tiêu chuẩn cơ khí chính xác dùng trong công nghiệp nặng, dẫn đến tốc độ gắp đặt (tính bằng số linh kiện/giờ) còn ở mức vừa phải để đảm bảo độ ổn định, chưa đạt tốc độ cao như các dòng máy SMT công nghiệp chuyên dụng.
  • Đánh giá chất lượng mối hàn: Đồ án mới chỉ dừng lại ở bước kiểm tra ngoại quan vị trí đặt linh kiện đúng hay lệch thông qua mô hình phân loại ảnh YOLOv8; chưa tích hợp các phương pháp kiểm tra chuyên sâu như chụp ảnh X-ray quang tuyến hoặc phân tích cấu trúc vi mô để đánh giá độ ngấu và bọt khí bên trong mối hàn.

Các hướng phát triển kỹ thuật được đề xuất cho các giai đoạn nghiên cứu tiếp theo bao gồm:

  • Nâng cấp phần cứng cơ khí bằng việc sử dụng các hệ thống khung đúc định hình công nghiệp, thanh trượt dẫn hướng bi tuyến tính chuyên dụng và thay thế động cơ bước bằng hệ thống động cơ Servo nhằm tối ưu hóa gia tốc, giảm rung lắc và tăng tốc độ chu trình gắp - đặt.
  • Cải tiến hệ thống thị giác máy tính: trang bị camera độ phân giải cao và ống kính macro công nghiệp để mở rộng khả năng nhận diện, gắp đặt các dòng linh kiện kích thước siêu nhỏ ($< 1\text{ cm}$, linh kiện 0402, 0201 và Micro BGA).
  • Phát triển thuật toán nhận diện thích ứng không gian: cho phép tự động nhận diện và tính toán góc nghiêng của bo mạch cũng như khay linh kiện ở các vị trí ngẫu nhiên mà không cần đồ gá cố định cưỡng bức.
  • Mở rộng chức năng kiểm tra chất lượng: nâng cấp mạng nơ-ron để phân tích chi tiết các lỗi hàn bề mặt (như hiện tượng bắc cầu chì, thiếu chì hàn, lệch góc chân IC) và hoàn thiện hệ thống cấp phôi cuộn (Tape Feeder) để mô hình hóa toàn diện dây chuyền SMT tự động liên tục.

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo kỹ thuật thực tế cho nhiều đối tượng người đọc trong lĩnh vực kỹ thuật:

  • Sinh viên và học viên chuyên ngành: Là tài liệu học tập hữu ích cho sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Robot và Trí tuệ nhân tạo, Kỹ thuật Điện – Điện tử khi nghiên cứu đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp hoặc các dự án tích hợp hệ thống.
  • Kỹ sư và nhà nghiên cứu chế tạo máy: Cung cấp tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tích hợp truyền thông socket giữa nền tảng phần mềm xử lý ảnh bậc cao (Python) với bộ điều khiển PLC công nghiệp (Mitsubishi dòng FX5U).
  • Các phần nội dung có giá trị tham khảo chuyên sâu:
    • Giải thuật điều khiển nhiệt độ khò: Kỹ thuật phân tách hai pha Boost-PID và Hold-PID trên Arduino kết hợp cảm biến MAX6675, giải quyết triệt để bài toán trễ nhiệt lớn của mỏ khò.
    • Giải thuật xử lý ảnh định vị: Pipeline OpenCV kết hợp biến đổi Affine/Homogeneous để chuyển đổi tọa độ từ ảnh camera sang hệ trục cơ khí robot.
    • Ứng dụng YOLOv8 trong kiểm tra ngoại quan (AOI): Quy trình thu thập dữ liệu ảnh, tiền xử lý và huấn luyện mô hình phân loại trạng thái linh kiện OK/NG bằng ma trận nhầm lẫn Confusion Matrix.
    • Thiết kế mạch in giao tiếp công nghiệp: Sơ đồ nguyên lý và layout mạch cách ly tín hiệu quang - MOSFET giúp bảo vệ an toàn cho hệ thống I/O của PLC.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống giải quyết bài toán quán tính nhiệt lớn của đầu khò như thế nào để đảm bảo chì nóng chảy mà không gây quá nhiệt làm hỏng linh kiện?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PID lập trình trên vi điều khiển Arduino kết hợp cảm biến nhiệt thermocouple K và IC khuếch đại MAX6675, điều khiển công suất qua rơ-le bán dẫn (SSR). Thay vì áp dụng một bộ thông số PID cố định, nhóm tác giả chia quá trình gia nhiệt thành hai pha: pha "Boost-PID" cấp xung công suất cao với hệ số $K_p$ lớn nhằm rút ngắn thời gian quá độ đưa nhiệt độ tăng nhanh từ môi trường lên sát ngưỡng làm việc; sau đó lập tức chuyển sang pha "Hold-PID" giảm $K_p$, tăng $K_i$ và áp dụng kỹ thuật Anti-Windup để triệt tiêu sai số xác lập, giữ nhiệt độ ổn định trong dải rất hẹp tại điểm đặt setpoint.

2. Vai trò và nhiệm vụ cụ thể của hệ thống camera và thị giác máy tính trong mô hình là gì?
Hệ thống sử dụng camera Dino-Lite thực hiện hai nhiệm vụ thị giác độc lập: (1) Trước khi gắp đặt, camera ghi nhận hình ảnh bo mạch PCB, thuật toán OpenCV (lọc Gaussian, chuyển đổi không gian màu HSV, nhị phân hóa Otsu và tìm đường biên contour) sẽ xác định tâm hình học của miếng đồng trên mạch, quy đổi sang hệ tọa độ robot để PLC điều khiển đầu hút đặt linh kiện chính xác; (2) Sau khi hoàn tất quá trình gia nhiệt hàn, camera thu nhận ảnh để mô hình học sâu YOLOv8 phân loại và đánh giá xem linh kiện đã được hàn đúng vị trí hay bị lệch, đưa ra cảnh báo OK/NG trên giao diện GUI.

3. Tại sao hệ thống cần sử dụng thuật toán quy đổi tọa độ Affine/Homogeneous giữa hệ thống Camera và Robot?
Tọa độ vật thể mà camera ghi nhận thông qua thuật toán xử lý ảnh ban đầu chỉ là tọa độ không gian điểm ảnh hai chiều (Pixel: $X_c, Y_c$). Để cơ cấu chấp hành của robot (đầu hút hoặc mỏ khò) có thể di chuyển chính xác đến vị trí đó, hệ thống bắt buộc phải chuyển đổi tọa độ pixel sang tọa độ cơ khí thực tế của bàn máy ($X_r, Y_r$). Thuật toán sử dụng ma trận biến đổi thuần nhất $3 \times 3$ (Affine Transformation) bao gồm góc quay $\theta$ và các độ lệch dịch chuyển $t_x, t_y$, được xác định thông qua quá trình hiệu chuẩn hệ thống bằng phương pháp bình phương tối thiểu.

4. Đồ án đặt ra những giới hạn kỹ thuật cụ thể nào đối với linh kiện và điều kiện vận hành của hệ thống?
Theo công bố của nhóm tác giả, hệ thống chỉ áp dụng cho các loại linh kiện dán có kích thước lớn hơn 1 cm, chưa hỗ trợ các dòng linh kiện siêu nhỏ như Micro BGA. Đồng thời, phôi bo mạch in và khay đựng linh kiện phải được chuẩn bị sẵn và đặt cố định tại các vị trí đồ gá xác định từ trước; nếu vị trí bị thay đổi ngẫu nhiên, hệ thống sẽ không thể gắp đặt chính xác. Ngoài ra, tốc độ thao tác và phạm vi thử nghiệm mới dừng lại ở quy mô mô hình thực nghiệm phòng thí nghiệm.

5. Kiến trúc điều khiển phần cứng của hệ thống bao gồm những khối thiết bị chính nào và phối hợp hoạt động ra sao?
Hệ thống gồm 3 khối điều khiển trung tâm phối hợp: (1) PLC Mitsubishi FX5UC-32MT/D đóng vai trò bộ điều khiển chuyển động chính, phát xung điều khiển các Driver DM542 kéo động cơ bước Nema 42 (trục X, Y, Z1) và kích hoạt van xi lanh khí nén Airtac; (2) Vi điều khiển Arduino chuyên trách đọc tín hiệu nhiệt độ qua MAX6675 và điều chế PWM kích SSR điều khiển nhiệt đầu khò; (3) Máy tính chạy phần mềm Python và PyCharm chịu trách nhiệm thị giác máy (OpenCV, YOLOv8), kết nối truyền thông thời gian thực với PLC qua giao thức Ethernet Socket và màn hình HMI Weinview qua mạng nội bộ để giám sát và điều khiển.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống dán và hàn linh kiện bề mặt – SMT Machine" của nhóm tác giả Trần Thị Hồng Xuân, Phạm Đình Luân và Lê Văn Đại (Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM) đã nghiên cứu và hiện thực hóa thành công một mô hình máy SMT tự động tích hợp hoàn chỉnh cơ khí, điều khiển logic PLC FX5U, vi điều khiển nhiệt độ PID và thị giác máy tính AI. Hệ thống vận hành ổn định các chu trình tự động nhận diện miếng đồng, bơm keo, gắp đặt linh kiện dán lớn hơn 1 cm và khò nhiệt dán chân mạch, đồng thời kiểm tra phân loại kết quả sau hàn. Mặc dù còn những giới hạn về kích thước linh kiện và tính linh hoạt của đồ gá phôi, công trình là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao về tích hợp công nghệ điều khiển tự động hóa hiện đại phục vụ nghiên cứu và sản xuất thiết bị điện tử.