Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong các dây chuyền sản xuất và lắp ráp công nghiệp hiện đại, công đoạn bắt vít vào các linh kiện, bo mạch điện tử hay cụm chi tiết cơ khí đòi hỏi độ chính xác cao và tính lặp lại liên tục. Phương thức thao tác thủ công truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về năng suất, phụ thuộc lớn vào tay nghề công nhân và dễ xảy ra sai sót. Các dòng máy bắn vít tự động chuyên dụng hiện có trên thị trường thường được thiết kế cố định theo từng biên dạng sản phẩm cụ thể, thiếu tính linh hoạt khi cần thay đổi quy cách phôi hoặc vị trí lỗ bắt vít.

Đề tài khóa luận tốt nghiệp "Hệ thống máy bắn vít tự động kết hợp xử lý ảnh" do sinh viên Trần Hoàng Bích và Phan Nhật Trung thực hiện, dưới sự hướng dẫn của PGS. Vũ Văn Phong tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (Khoa Điện – Điện tử, Bộ môn Điều khiển Tự động), giải quyết bài toán nâng cao tính thích ứng của hệ thống lắp ráp bằng cách kết hợp cơ điện tử với thị giác máy tính 2D.

Mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu của đề tài được xác định cụ thể như sau:

  1. Thiết kế và chế tạo mô hình cơ khí 3 trục (X, Y, Z) truyền động bằng trục vít me kết hợp ray trượt dẫn hướng và cơ cấu cấp vít tự động.
  2. Thiết kế tủ điện điều khiển trung tâm sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q, các module định vị chuyên dụng và driver điều khiển động cơ Servo/Step.
  3. Xây dựng thuật toán xử lý ảnh trên nền tảng C# Windows Forms nhằm nhận diện nắp hộp, phát hiện tọa độ tâm các lỗ tròn và sắp xếp thứ tự di chuyển tối ưu quãng đường.
  4. Thiết lập truyền thông trao đổi dữ liệu tọa độ giữa máy tính xử lý ảnh và PLC, đồng thời xây dựng giao diện điều khiển, giám sát SCADA có phân quyền người dùng.
  5. Thực nghiệm đánh giá vận hành hệ thống ở các cấp tốc độ khác nhau (3000, 6000, 9000 và 10000 mm/phút) ở chế độ bắn vít thường và chế độ kết hợp xử lý ảnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống cơ điện tử 3 trục tọa độ Descartes, thuật toán nhận diện lỗ tròn 2D và cấu trúc điều khiển vị trí nội suy sử dụng PLC Mitsubishi.
  • Phạm vi vật liệu và chi tiết: Vít thép nhọn quy cách M4 dài 1 cm; phôi thử nghiệm là hộp nhựa phẳng màu trắng có nắp; bề mặt gia công là mặt phẳng đơn 2D có các lỗ nhựa hoặc cao su.
  • Yêu cầu kỹ thuật định mức: Thời gian thực hiện trung bình 8 giây cho một chu trình bắn vít, sai số định vị cho phép tối đa 1 lỗ trên tổng số lỗ cần xử lý trong điều kiện chiếu sáng tiêu chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đề tài kết hợp cơ sở lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp và lý thuyết xử lý ảnh số:

  • Lý thuyết điều khiển nội suy tuyến tính và vị trí: Ứng dụng kỹ thuật điều khiển nội suy 2 trục đồng thời để tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động giữa các điểm tọa độ, giảm rung giật cơ khí và rút ngắn thời gian dịch chuyển của cơ cấu chấp hành.
  • Lý thuyết truyền động vít me - đai ốc: Chuyển đổi chuyển động quay từ động cơ bước và động cơ servo sang chuyển động tịnh tiến chính xác của các trục X, Y, Z với khả năng chịu tải trọng dọc trục và độ ổn định cao.
  • Xử lý ảnh số 2D: Sử dụng các giải thuật chuyển đổi không gian màu sang ảnh xám (Grayscale), lọc làm mờ giảm nhiễu Gaussian (Gaussian Blur), phân đoạn ngưỡng và giải thuật tìm biên/đường bao để trích xuất tọa độ tâm của các lỗ tròn trên mặt phẳng phôi.
  • Phương pháp nghiên cứu:
    • Phương pháp thiết kế cơ khí 3D trên phần mềm SolidWorks và xuất bản vẽ kỹ thuật 2D qua AutoCAD.
    • Phương pháp lập trình điều khiển logic và điều khiển vị trí trên phần mềm GX Works2.
    • Phương pháp lập trình phần mềm giao diện và thị giác máy tính bằng ngôn ngữ C# trên môi trường Microsoft Visual Studio.
    • Phương pháp thực nghiệm thực tế: Đo đạc thời gian chu kỳ, độ chính xác bắt vít tại các dải vận tốc 3000 mm/phút, 6000 mm/phút, 9000 mm/phút và 10000 mm/phút.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ phần cứng cơ khí, cấu hình điện - điều khiển đến kiến trúc phần mềm tích hợp.

Thiết kế cơ khí và cơ cấu chấp hành

Cơ cấu cơ khí bao gồm khung thép định hình vững chắc kết hợp 3 cụm trục vít me:

  • Hệ trục Y: Đảm nhiệm việc di chuyển bàn gá đặt phôi vào/ra vùng làm việc, gồm khung đỡ trước, khung đỡ sau và bàn đỡ phôi.
  • Hệ trục X: Dẫn hướng cụm đầu bắn vít di chuyển ngang theo phương ngang qua ray trượt và vít me kết nối với động cơ Servo.
  • Hệ trục Z: Đặt thẳng đứng trên trục X, mang cụm súng bắn vít cầm tay và cơ cấu kẹp giữ đầu bắn vít, thực hiện chuyển động tịnh tiến lên/xuống để cấp lực ép và bắn vít vào bề mặt sản phẩm.
  • Hệ thống cấp vít: Sử dụng máy cấp vít tự động model 388-A có cơ chế đảo vít, rãnh dẫn hướng rung và cảm biến quang tại cửa ra để giữ vít ở trạng thái chờ sẵn sàng cho cơ cấu gắp.

Cấu hình phần cứng điện và điều khiển

Tên thiết bị / Module Mã hiệu kỹ thuật Thông số và vai trò trong hệ thống
Bộ điều khiển lập trình (CPU) Mitsubishi Q02UCPU Tốc độ xử lý 0.04 µs, bộ nhớ 20K bước (80 KB), quản lý logic toàn hệ thống
Thanh đế mở rộng Base Q38B 8 slot cắm mở rộng cho các module nguồn, I/O và module vị trí
Bộ nguồn PLC Mitsubishi Q61P Nguồn vào 100–240VAC, nguồn ra 5VDC 6A cấp cho toàn bộ rack PLC
Module ngõ vào số Mitsubishi QX80 16 ngõ vào số 24VDC, nhận tín hiệu từ cảm biến quang và nút nhấn
Module ngõ ra số Mitsubishi QY40P 16 ngõ ra Transistor Sink (12–24VDC), thời gian đáp ứng $\le 1$ ms
Module điều khiển vị trí 4 trục Mitsubishi QD75MH4 Truyền thông SSCNET III, điều khiển nội suy tuyến tính 2–4 trục cho Servo
Module điều khiển vị trí 1 trục Mitsubishi QD75D1 Điều khiển phát xung vị trí kết nối tới driver động cơ bước
Bộ điều khiển Servo (Driver) Mitsubishi MR-J3-10B Điều khiển động cơ Servo trục chuyển động qua mạng SSCNET III
Động cơ Servo Mitsubishi HF-KP13 Động cơ servo công suất nhỏ, độ phân giải encoder cao
Microstep Driver DM542 Nguồn 20–50VDC, điều khiển vi bước lên đến 25600 xung/vòng, xung tối đa 300 kHz
Động cơ bước Step Motor Size 57 Động cơ 2 pha truyền động cho trục vít me
Cảm biến vị trí Omron EE-SX671A Cảm biến quang chữ U NPN dùng làm cảm biến Home và giới hạn hành trình
Camera thu nhận hình ảnh Rapoo XW180 Camera độ phân giải Full HD kết nối USB với máy tính xử lý ảnh
Máy cấp vít tự động Model 388-A Cơ chế rung gạt phôi, cấp vít M4 tự động liên tục ra vị trí lấy
Bộ nguồn phụ Tổ ong 24V–10A Cấp nguồn cho cảm biến, rơ le trung gian, van và mạch điều khiển

Kiến trúc phần mềm và giải thuật xử lý ảnh

Quy trình xử lý ảnh và điều khiển diễn ra theo chuỗi liên hoàn:

  1. Thu nhận và tiền xử lý ảnh: Camera Rapoo XW180 gắn cố định phía trên vùng làm việc chụp ảnh phôi hộp khi trục Y đưa phôi vào vị trí. Ảnh màu được chuyển thành ảnh xám và áp dụng bộ lọc Gaussian Blur để triệt tiêu nhiễu bề mặt.
  2. Phân đoạn và nhận diện biên dạng: Phần mềm C# tiến hành phân tích vùng biên dạng nắp hộp hình vuông, sau đó áp dụng giải thuật dò đường tròn để xác định các lỗ tròn trên mặt nắp.
  3. Tối ưu hóa đường dẫn: Tọa độ tâm các lỗ sau khi nhận diện được thuật toán sắp xếp theo thứ tự tọa độ tăng dần hoặc giảm dần nhằm rút ngắn tổng quãng đường di chuyển của các trục X-Y.
  4. Truyền thông dữ liệu: Tọa độ tính toán được chuyển đổi sang đơn vị xung/mm và gửi xuống các thanh ghi dữ liệu của PLC Mitsubishi Q02UCPU thông qua phần mềm Communication Settings Utility qua giao thức truyền thông máy tính.
  5. Giao diện SCADA: Xây dựng trên C# Windows Forms với cơ chế phân quyền hai cấp:
    • Giao diện Vận hành (Operator): Cho phép chọn chế độ, khởi động, dừng, theo dõi trạng thái máy và cảnh báo lỗi.
    • Giao diện Kỹ sư (Engineer): Cung cấp khả năng cấu hình thông số xung, căn chỉnh tọa độ thủ công, xem nhật ký lỗi hệ thống và lịch sử sản xuất chi tiết.

Nội dung chính theo từng chương

Chương I: Khái quát về hệ thống máy bắn vít tự động kết hợp xử lý ảnh

Trình bày tổng quan về xu hướng tự động hóa trong sản xuất công nghiệp, sự cần thiết của việc thay thế thao tác bắn vít thủ công bằng hệ thống tự động có tích hợp thị giác máy tính. Xác định rõ mục tiêu chế tạo hệ thống máy 3 trục điều khiển bằng PLC kết hợp camera, phương pháp nghiên cứu, giới hạn kỹ thuật của đề tài đối với quy cách ốc vít M4, hộp nhựa màu trắng và chỉ tiêu thời gian chu kỳ 8 giây/vít.

Chương II: Cơ sở lý thuyết

Trình bày chi tiết quy trình vận hành tổng thể ở hai chế độ Manual và Auto. Hệ thống hóa lý thuyết về cấu tạo máy bắn vít tự động, cơ chế cấp vít rung và phân loại động cơ truyền động. Phân tích cấu trúc phần cứng và tập lệnh của dòng PLC Mitsubishi họ Q, nguyên lý điều khiển nội suy tuyến tính đa trục, cấu tạo - ưu nhược điểm của bộ truyền vít me bi, cùng các giai đoạn cốt lõi trong xử lý ảnh số 2D (thu thập, tiền xử lý, phân đoạn, trích xuất đặc trưng).

Chương III: Thiết kế hệ thống

Mô tả chi tiết quá trình tính toán và thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks cho từng cụm trục Y (bàn phôi), trục X (cần ngang) và trục Z (cụm đầu bắn). Lựa chọn các thiết bị điện - điều khiển gồm PLC Q02UCPU, module QD75MH4, QD75D1, driver MR-J3-10B, driver DM542, máy cấp vít 388-A và cảm biến quang chữ U EE-SX671A. Trình bày sơ đồ đấu nối dây, bản vẽ bố trí tủ điện, lưu đồ thuật toán chương trình chính, lưu đồ chế độ Manual, chế độ bắn vít thường (tọa độ cố định) và chế độ bắn vít tự động có xử lý ảnh. Hướng dẫn thiết lập tham số điều khiển trên phần mềm GX Works2 và cấu hình kết nối qua Communication Settings Utility.

Chương IV: Giám sát hệ thống

Xác định các yêu cầu kỹ thuật đối với hệ thống giám sát SCADA. Giới thiệu cấu trúc phân quyền tài khoản (Operator và Engineer). Trình bày thiết kế chi tiết các màn hình giao diện: màn hình đăng nhập, giao diện vận hành chính, giao diện cấu hình kỹ sư, giao diện quản lý lịch sử sản phẩm hoàn thành và màn hình hiển thị - cảnh báo lỗi vận hành.

Chương V: Kết quả và nhận xét

Trình bày hình ảnh mô hình thực tế đã lắp ráp hoàn chỉnh, hình ảnh bố trí tủ điện và các giao diện điều khiển SCADA thực tế. Công bố số liệu thử nghiệm thực nghiệm hệ thống qua các bài đo:

  • Thực nghiệm chế độ bắn vít thường (4 lỗ cố định) tại 4 dải tốc độ: 3000, 6000, 9000 và 10000 mm/phút.
  • Thực nghiệm chế độ bắn vít kết hợp xử lý ảnh trên hộp phôi 4 lỗ và 5 lỗ tại các cấp tốc độ tương ứng.
  • Bảng khảo sát, so sánh thời gian hoàn thành một sản phẩm và đánh giá độ chính xác định vị giữa các chế độ.

Chương VI: Kết luận và hướng phát triển tương lai

Tổng kết các kết quả đạt được về mặt phần cứng cơ khí, tủ điện điều khiển, phần mềm xử lý ảnh và khả năng vận hành ổn định của hệ thống. Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cần cải tiến trong tương lai nhằm nâng cao độ chính xác gắp vít và mở rộng phạm vi sản phẩm.

Kết quả và đóng góp

Kết quả vận hành thực nghiệm

Hệ thống đã hoàn thiện và vận hành ổn định qua 3 chế độ:

  • Chế độ Manual: Vận hành độc lập từng trục bằng lệnh chạy JOG, hỗ trợ kỹ thuật viên kiểm tra phần cứng, căn chỉnh vị trí gốc máy (Home) và thao tác bắn vít thử nghiệm tại từng điểm riêng lẻ.
  • Chế độ Bắn vít thường: Tự động bắt vít vào 4 vị trí cố định trên nắp hộp theo tọa độ nạp sẵn trong PLC mà không cần kích hoạt camera xử lý ảnh.
  • Chế độ Bắn vít kết hợp xử lý ảnh: Tự động phát hiện vị trí phôi, chụp ảnh, tính toán tọa độ tâm của các lỗ (thử nghiệm trên hộp 4 lỗ và hộp 5 lỗ), tối ưu quỹ đạo di chuyển và truyền lệnh xuống PLC thực hiện chu trình cấp - bắn vít chính xác.
Chế độ thử nghiệm Dạng phôi Tốc độ cài đặt (mm/phút) Đánh giá vận hành
Bắn vít thường Hộp 4 lỗ cố định 3000, 6000, 9000, 10000 Định vị chính xác 4/4 lỗ, chu trình ổn định
Bắn vít xử lý ảnh Hộp 4 lỗ ngẫu nhiên 3000, 6000, 9000, 10000 Nhận diện đúng 4 lỗ, truyền tọa độ chính xác, bắn vít thành công
Bắn vít xử lý ảnh Hộp 5 lỗ ngẫu nhiên 3000, 6000, 9000, 10000 Nhận diện đúng 5 lỗ, tự động sắp xếp thứ tự đường đi ngắn nhất

Hệ thống đạt được chỉ tiêu vận hành với thời gian trung bình hoàn thành một vị trí vít xấp xỉ 8 giây trong điều kiện ánh sáng ổn định.

Đóng góp kỹ thuật của đề tài

  • Xây dựng thành công giải pháp tích hợp giữa hệ thống điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn (PLC Mitsubishi Q Series) với phần mềm thị giác máy tính phát triển trên nền tảng mã nguồn C#.
  • Giải quyết bài toán linh hoạt hóa vị trí bắt vít cho dây chuyền sản xuất: máy không cần lập trình lại tọa độ khi hoán đổi giữa các mẫu nắp hộp có số lượng và khoảng cách lỗ khác nhau (trong giới hạn mặt phẳng 2D).
  • Ứng dụng giải thuật sắp xếp tọa độ nhằm tối ưu hóa hành trình di chuyển của cơ cấu chấp hành, giúp giảm thời gian chạy không tải của các trục X-Y.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế kỹ thuật

  • Vật liệu và quy cách chi tiết: Hệ thống mới chỉ thực nghiệm trên vít thép nhọn quy cách M4 dài 1 cm và chỉ bắt vít hiệu quả trên các lỗ bằng nhựa hoặc cao su của hộp màu trắng phẳng.
  • Xử lý ảnh 2D: Chưa có khả năng làm việc với các phôi có biên dạng 3D phức tạp hoặc các lỗ nằm trên nhiều mặt phẳng có cao độ khác nhau.
  • Độ ổn định của cơ cấu cấp - gắp vít: Cơ cấu lấy vít từ máy cấp vít tự động 388-A đôi lúc chưa đảm bảo độ thẳng trục tuyệt đối của thân vít, dẫn đến sai lệch góc cắm khi đầu bắn tiến xuống bề mặt phôi.
  • Môi trường ánh sáng: Khâu xử lý ảnh phụ thuộc vào độ sáng môi trường; hiện tượng bóng đổ hoặc ánh sáng quá yếu có thể gây sai sót trong quá trình trích xuất tâm đường tròn.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Nâng cấp hệ thống xử lý ảnh lên công nghệ thị giác máy 3D để nhận dạng và định vị các sản phẩm có biên dạng hình học phức tạp.
  • Cải tiến cơ cấu giữ và kẹp định hướng mũi vít để đảm bảo độ vuông góc tuyệt đối khi lấy vít tự động.
  • Mở rộng thuật toán điều khiển và lực siết để áp dụng cho nhiều kích cỡ vít khác nhau (M2, M3, M5) trên đa dạng vật liệu như kim loại, nhôm và gỗ.
  • Tích hợp thêm hệ thống chiếu sáng chuyên dụng (đèn vòng LED công nghiệp) để triệt tiêu ảnh hưởng của biến thiên ánh sáng môi trường.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo có giá trị ứng dụng thực tế cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển & Tự động hóa, Cơ điện tử: Cung cấp tài liệu hoàn chỉnh về quy trình thiết kế hệ thống điều khiển vị trí nhiều trục sử dụng PLC Mitsubishi dòng Q (các module chuyên dụng QD75MH4, QD75D1) kết hợp động cơ Servo qua mạng SSCNET III và động cơ bước.
  • Kỹ sư phát triển hệ thống tự động hóa tích hợp Vision: Cung cấp phương pháp lập trình giao tiếp, trao đổi dữ liệu tọa độ thời gian thực giữa ứng dụng C# (OpenCV/Image Processing) và PLC công nghiệp qua mạng Ethernet/Serial.
  • Các đề tài nghiên cứu liên quan đến máy CNC, máy lắp ráp tự động: Cung cấp chi tiết bản vẽ thiết kế cơ khí 3 trục vít me, sơ đồ đấu nối tủ điện đạt chuẩn công nghiệp và thiết kế giao diện giám sát SCADA có phân cấp người dùng.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống điều khiển trung tâm sử dụng những thiết bị phần cứng chính nào của Mitsubishi?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển PLC Mitsubishi Q02UCPU gắn trên thanh base Q38B (8 slot), cấp nguồn bởi module Q61P. Hệ thống mở rộng các module gồm: module ngõ vào số 16 kênh QX80 (24VDC), module ngõ ra số 16 kênh QY40P (Transistor Sink), module điều khiển vị trí 4 trục QD75MH4 giao tiếp SSCNET III điều khiển driver Servo MR-J3-10B kết hợp động cơ Servo HF-KP13, và module điều khiển vị trí 1 trục QD75D1 điều khiển driver DM542 kết hợp động cơ bước Size 57.

2. Thuật toán xử lý ảnh trên máy tính nhận diện và xử lý tọa độ lỗ vít như thế nào?

Từ hình ảnh thu nhận qua camera Rapoo XW180, phần mềm C# chuyển đổi ảnh sang ảnh xám (Grayscale), áp dụng bộ lọc Gaussian Blur làm mịn ảnh để loại bỏ nhiễu, sau đó nhận diện đường biên nắp hộp và xác định tọa độ tâm các lỗ tròn. Tọa độ các lỗ được thuật toán sắp xếp theo thứ tự tăng hoặc giảm dần để tạo hành trình di chuyển ngắn nhất cho các trục động cơ, trước khi gửi dữ liệu sang PLC.

3. Hệ thống hỗ trợ những chế độ vận hành nào và chức năng của từng chế độ là gì?

Hệ thống có 3 chế độ vận hành:

  • Chế độ Manual: Cho phép chạy JOG từng trục riêng lẻ để kiểm tra cơ cấu, dò gốc Home và thực hiện bắn vít thử nghiệm tại từng điểm cố định.
  • Chế độ Bắn vít thường: Vận hành tự động theo chương trình lập trình sẵn với 4 vị trí lỗ cố định trên hộp mà không sử dụng camera.
  • Chế độ Bắn vít kết hợp xử lý ảnh: Tự động nhận diện số lượng và tọa độ các lỗ bất kỳ trên mặt nắp hộp qua camera, tính toán quỹ đạo và điều khiển các trục đến vị trí chính xác để cấp và bắn vít.

4. Đề tài đặt ra các giới hạn kỹ thuật nào đối với phôi và vật tư bắt vít?

Hệ thống giới hạn sử dụng vít thép nhọn M4 có chiều dài 1 cm; phôi thử nghiệm là hộp phẳng màu trắng có các lỗ trên cùng một mặt phẳng 2D bằng vật liệu nhựa hoặc cao su. Quá trình xử lý ảnh yêu cầu môi trường ánh sáng tiêu chuẩn, không quá tối để đảm bảo độ tương phản nhận diện biên dạng.

5. Việc truyền thông trao đổi dữ liệu giữa máy tính xử lý ảnh và PLC Mitsubishi được thiết lập ra sao?

Dữ liệu tọa độ sau khi được máy tính tính toán trong ứng dụng C# Windows Forms sẽ được chuyển đổi sang định dạng dữ liệu thanh ghi PLC tương thích và truyền xuống PLC Q02UCPU thông qua phần mềm cấu hình truyền thông Communication Settings Utility, cho phép PLC đọc trực tiếp các thông số vị trí để nạp vào bảng dữ liệu điều khiển của các module định vị QD75.

Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của sinh viên Trần Hoàng Bích và Phan Nhật Trung đã nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công mô hình hệ thống máy bắn vít tự động 3 trục tích hợp công nghệ xử lý ảnh 2D trên nền tảng PLC Mitsubishi dòng Q. Hệ thống giải quyết tốt bài toán tự động nhận dạng vị trí lỗ, tối ưu hóa quỹ đạo chuyển động và thực hiện chu trình cấp - bắn vít chính xác với thời gian xấp xỉ 8 giây cho một vít. Đây là công trình kỹ thuật có tính ứng dụng thực tiễn cao, hoàn thiện từ thiết kế cơ khí, sơ đồ điều khiển điện đến phần mềm thị giác máy tính và giao diện giám sát SCADA phân quyền chuyên nghiệp.