Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư, việc ứng dụng tự động hóa và trí tuệ nhân tạo vào sản xuất công nghiệp là xu hướng tất yếu nhằm nâng cao năng suất lao động, giảm thiểu chi phí nhân công và đảm bảo độ chính xác cho thành phẩm. Trong các dây chuyền chế tạo và đóng gói hiện đại, những công đoạn kiểm tra tổng thể như nhận diện khuyết tật bề mặt, đọc ký tự, quét mã vạch/mã QR, xác định tọa độ và góc xoay của linh kiện đòi hỏi sự chuẩn xác cao. Nếu thực hiện bằng phương pháp thủ công, các khâu này tiêu tốn nhiều thời gian, chi phí và dễ phát sinh sai sót. Để giải quyết bài toán trên, các quốc gia có nền công nghiệp phát triển như Mỹ, Nhật Bản, Pháp đã triển khai rộng rãi các dòng robot công nghiệp (tiêu biểu như Mitsubishi MELFA FR Series) kết hợp với hệ thống thị giác máy tính. Đề tài "Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot SCARA" được thực hiện nhằm nghiên cứu, xây dựng và hoàn thiện một mô hình phân loại tự động hóa có tính ứng dụng thực tiễn cao.

Mục tiêu cụ thể của đề tài bao gồm 7 nhiệm vụ nghiên cứu:

  1. Phân loại sản phẩm theo hình dạng hình học (hình tròn, hình vuông, hình lục giác) đạt độ chính xác trên 80%.
  2. Đạt tốc độ phân loại trên 5 sản phẩm/phút.
  3. Nhận diện chính xác sản phẩm tại mọi góc lệch và vị trí ngẫu nhiên trên bề mặt băng tải.
  4. Điều khiển cánh tay robot gắp và thả sản phẩm chính xác vào các ngăn quy định trong hộp chứa.
  5. Tự động phát hiện và loại bỏ các sản phẩm bị lỗi ra khỏi quy trình đóng gói.
  6. Thiết kế giao diện giám sát, vận hành hệ thống trực quan trên màn hình HMI và máy tính cá nhân (PC).
  7. Xây dựng hệ thống lưu trữ dữ liệu và cho phép truy vấn thông số sản xuất từ xa thông qua Webserver.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống phân loại sản phẩm tự động tích hợp cánh tay robot SCARA 3 bậc tự do, hệ thống thị giác máy tính xử lý ảnh công nghiệp và bộ điều khiển lập trình PLC.
  • Phạm vi không gian: Đề tài được triển khai thiết kế, chế tạo và thử nghiệm tại Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Phạm vi thời gian: Quá trình nghiên cứu và thực hiện kéo dài từ ngày 01/03/2022 đến ngày 31/07/2022.
  • Phạm vi kỹ thuật và vật thể: Hệ thống tập trung phân loại 3 dạng hình học chuẩn được quy định từ trước (tròn, vuông, lục giác); kích thước sản phẩm tối đa là 60 x 60 x 15 mm; khối lượng vật thể dưới 1 kg với bề mặt phẳng nhẵn để cơ cấu giác hút chân không hoạt động hiệu quả; chu kỳ giãn cách giữa hai sản phẩm di chuyển liên tiếp trên băng tải tối thiểu là 10 giây; tốc độ băng tải duy trì ở mức cố định.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đồ án được xây dựng dựa trên các nền tảng kỹ thuật và tiêu chuẩn công nghiệp:

  • Động học robot công nghiệp: Ứng dụng quy tắc Denavit - Hartenberg (D-H) để mô hình hóa cấu trúc khâu khớp, thiết lập hệ trục tọa độ tham chiếu và tính toán ma trận chuyển vị thuần nhất $T_i^{i-1}$ cho robot SCARA. Giải quyết bài toán động học thuận (xác định tọa độ điểm tác động cuối từ các góc quay khớp) và bài toán động học nghịch (tính toán các biến khớp từ vị trí và hướng của vật thể trên băng tải) thông qua phương pháp kết hợp đại số và hình học.
  • Lý thuyết truyền động điện và điều khiển chuyển động: Nghiên cứu nguyên lý điều khiển hồi tiếp vòng kín của hệ thống động cơ AC Servo Mitsubishi, điều khiển vị trí chính xác thông qua phản hồi từ Encoder tuyệt đối và bộ điều khiển Servo Amplifier; nguyên lý phân chia bước góc của động cơ bước (Step Motor) điều khiển bằng chuỗi xung rời rạc từ module phát xung tốc độ cao.
  • Lý thuyết thị giác máy tính và xử lý ảnh: Quy trình thu nhận ảnh, tiền xử lý lọc nhiễu, nâng cao độ tương phản, phân vùng ảnh (Image Segmentation) và trích chọn đặc trưng hình học. Ứng dụng chuyển đổi không gian màu sang hệ màu HSV (Hue, Saturation, Value) và phân tích ảnh mức xám (Grayscale từ 0 đến 255) để thiết lập ngưỡng nhị phân, phục vụ thuật toán so khớp mẫu (Template Matching) xác định tâm vật thể và góc xoay.
  • Kiến trúc điều khiển tự động hóa và truyền thông công nghiệp: Bộ điều khiển khả trình PLC Mitsubishi dòng MELSEC iQ-R; chuẩn truyền thông quang học SSCNET III/H chuyên dụng cho điều khiển chuyển động đa trục; tiêu chuẩn truyền thông mở OPC (Open Platform Communication) phục vụ trao đổi dữ liệu liên tầng; hệ thống quản trị cơ sở dữ liệu quan hệ Microsoft SQL Server và kiến trúc Webserver Client - Server qua giao thức HTTP.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp phân tích - tính toán giải tích: Thiết lập bảng thông số D-H và giải hệ phương trình động học robot; tính toán tải trọng, mô-men xoắn để lựa chọn công suất động cơ servo, tỷ số truyền hộp số và công suất nguồn cấp.
  • Phương pháp mô phỏng số: Tính toán và kiểm nghiệm quy trình chuyển động học thuận - nghịch của cánh tay robot trên phần mềm MATLAB trước khi chế tạo cơ khí.
  • Phương pháp thiết kế đồ họa kỹ thuật: Sử dụng phần mềm SolidWorks để dựng mô hình 3D toàn bộ kết cấu robot SCARA, băng tải cấp phôi, băng tải cấp hộp và buồng chụp ảnh; thiết kế sơ đồ đấu nối tủ điện trên phần mềm AutoCAD Electrical.
  • Phương pháp thực nghiệm và tích hợp hệ thống: Lắp ráp hoàn thiện phần cứng cơ điện; lập trình logic và motion trên GX Works3, MT Developer2; lập trình thị giác trên LabVIEW; thiết kế giao diện HMI trên GT Designer3 và lập trình giao diện Webserver bằng Visual Studio; chạy thử nghiệm và hiệu chỉnh sai số thực tế.

Nguồn dữ liệu sử dụng:

  • Tài liệu hướng dẫn kỹ thuật chính hãng (Manual) của Mitsubishi Electric đối với dòng PLC iQ-R, Motion CPU R16MTCPU, Servo Driver MR-J4-20B, động cơ HG-KR23, màn hình GS2110-WTBD và các module mở rộng.
  • Dữ liệu ảnh thực tế thu nhận từ cảm biến hình ảnh CMOS của camera công nghiệp trong điều kiện buồng chụp kiểm soát ánh sáng.
  • Dữ liệu thông số vận hành và tỷ lệ phân loại thành công thu thập trực tiếp qua các lượt chạy thực nghiệm trên mô hình.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa đồng bộ giữa cơ cấu chấp hành cơ khí, mạch điều khiển điện tử và các tầng phần mềm giám sát.

Cấu hình thiết bị phần cứng

Tên thiết bị / Module Mã hiệu / Quy cách Thông số kỹ thuật chính Vai trò trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm R04ENCPU (iQ-R) 4096 điểm I/O, tích hợp cổng Ethernet R71EN71, cổng USB Điều khiển logic toàn hệ thống, xử lý tín hiệu ngoại vi
Module điều khiển chuyển động R16MTCPU Điều khiển tối đa 16 trục, chu kỳ SSCNET III/H 0.444 - 0.888 ms Xử lý thuật toán nội suy và quỹ đạo chuyển động robot SCARA
Thanh ghi đế (Base unit) Base R312B Khả năng mở rộng tối đa 12 slot module Kết nối bus nội bộ giữa CPU, Motion CPU và các module I/O
Module nguồn hệ thống R62P Điện áp vào 100 - 240 VAC, ngõ ra 5 VDC cung cấp cho base Cấp nguồn nuôi cho các khối mạch điều khiển gắn trên base
Module ngõ vào số RX42C4 32 điểm vào DC 24V, đầu nối 40 chân Nhận tín hiệu từ nút nhấn, cảm biến quang và trạng thái ngoại vi
Module ngõ ra số RY42NT2P 32 điểm ra transistor (kiểu Sink), 24 VDC, dòng tải 0.2A Điều khiển van khí nén, đèn báo và rơ-le trung gian
Module đếm xung tốc độ cao RD62P2E 2 kênh (CH1 - CH2), tần số đếm 10kpps / 100kpps / 200kpps Phát xung điều khiển tốc độ và vị trí cho 2 động cơ bước kéo băng tải
Động cơ Servo & Driver HG-KR23 & MR-J4-20B Công suất 200W, điện áp 3 pha 170 VAC, dòng định mức 1.5A Dẫn động chính xác các khớp quay và trục nâng hạ của robot
Hộp số giảm tốc APEX DYNAMICS AB060-S2-P2, PGX62-H-5 Độ rơ thấp, độ cứng vững xoắn cao Tăng mô-men xoắn và giảm quán tính cho các trục khớp robot
Động cơ bước 42BYGP40-PG5 Động cơ bước 2 pha tích hợp hộp số giảm tốc Kéo băng tải cấp sản phẩm và băng tải cấp hộp đựng
Màn hình điều khiển HMI GS2110-WTBD Kích thước 10 inch, màn hình cảm ứng TFT, truyền thông Ethernet Giao diện vận hành, cài đặt thông số và cảnh báo lỗi tại chỗ
Camera công nghiệp HBVCAM-F20216HD V22 Cảm biến độ phân giải cao, kết nối chuẩn USB Thu nhận hình ảnh sản phẩm di chuyển trên băng tải 1
Bộ nguồn công nghiệp Omron S8VS-12024 Điện áp vào 100-240 VAC, ngõ ra 24 VDC - 5A, công suất 120W Cung cấp nguồn một chiều ổn định cho cảm biến, PLC và mạch kích
Khí nén & Giác hút Airtac 3V210-08 Van điện từ khí nén 3 cửa 2 vị trí, kết hợp đầu hút chân không Thực hiện tác vụ hút giữ và nhả sản phẩm tại cơ cấu chấp hành cuối
Cảm biến quang điện E3F-DS30C4 Loại phản xạ khuếch tán, ngõ ra NPN NO, khoảng cách phát hiện 30 cm Phát hiện vị trí hộp trên băng tải 2 và phôi trên băng tải 1
Thiết bị bảo vệ MCB BHW-T10 C32, BH-D6 C20 Dòng cắt định mức 32A và 20A, bảo vệ quá tải, ngắn mạch Đóng cắt và bảo vệ an toàn cho mạch động lực và mạch điều khiển

Bố trí cơ cấu chấp hành và buồng chụp ảnh

  • Băng tải: Hệ thống bố trí 2 băng tải đặt vuông góc với nhau nhằm tối ưu hóa vùng không gian làm việc hình cung của robot SCARA. Băng tải 1 đảm nhiệm vận chuyển sản phẩm cần phân loại, chạy liên tục trong suốt quá trình phân loại mà không dừng lại, giúp triệt tiêu dòng điện khởi động lặp lại và tiết kiệm điện năng. Băng tải 2 vận chuyển hộp đựng (kích thước hộp 222 x 76 x 30 mm gồm 3 ngăn, mỗi ngăn 70 x 70 x 27 mm); băng tải 2 dừng lại khi hộp chạm cảm biến quang và giữ nguyên vị trí cho đến khi robot điền đầy các sản phẩm.
  • Buồng chụp ảnh (Hộp đen): Được chế tạo và lắp đặt cố định tại đầu băng tải 1, bao bọc toàn bộ phạm vi làm việc của camera HBVCAM-F20216HD V22. Cấu trúc này triệt tiêu ánh sáng tán xạ từ môi trường tự nhiên bên ngoài, duy trì cường độ rọi sáng ổn định cho thuật toán xử lý ảnh.
  • Cơ cấu robot SCARA: Robot 3 bậc tự do được định vị tại góc giao nhau giữa hai băng tải. Trục 1 và trục 2 sử dụng động cơ servo HG-KR23 kết hợp hộp số giảm tốc APEX DYNAMICS để thực hiện chuyển động quay phẳng theo trục X-Y; cơ cấu chấp hành cuối trang bị xi-lanh nâng hạ và giác hút chân không điều khiển bằng van khí nén Airtac 3V210-08.

Cấu trúc phần mềm và tích hợp hệ thống

  • Chương trình điều khiển PLC: Sử dụng phần mềm GX Works3 để cấu hình phần cứng, khai báo bảng ánh xạ bộ nhớ liên CPU giữa R04ENCPU và R16MTCPU, lập trình logic điều hành tuần tự, xử lý tín hiệu an toàn và điều khiển động cơ bước qua module RD62P2E.
  • Chương trình Motion CPU: Sử dụng phần mềm MT Developer2 để cấu hình mạng cáp quang SSCNET III/H, cài đặt thông số điện tử cho bộ khuếch đại MR-J4-20B, lập trình lưu đồ trạng thái Motion SFC (Sequential Function Chart) để điều khiển quỹ đạo chuyển động PTP (Point-to-Point) và đồng bộ tọa độ các trục robot.
  • Xử lý ảnh trên LabVIEW: Tích hợp công cụ Vision Assistant để thu nhận ảnh trực tiếp từ camera. Hình ảnh được chuyển đổi sang không gian màu HSV để lọc màu, xác định ngưỡng nhị phân để tách đối tượng khỏi nền. Thuật toán Template Matching so sánh mẫu hình học đã học trước (tròn, vuông, lục giác) để xác định tâm sản phẩm, diện tích và tính toán góc nghiêng lệch; khối MATLAB Script nhúng trong LabVIEW chuyển đổi tọa độ điểm ảnh (pixel) sang tọa độ cơ học thực tế (mm).
  • Giao diện HMI: Lập trình trên GT Designer3 bao gồm các màn hình: Màn hình tổng quan, Màn hình điều khiển tự động (Auto), Màn hình vận hành thủ công từng trục (Manual), Màn hình giám sát sản lượng, Màn hình cài đặt thông số và Màn hình cảnh báo lỗi hệ thống.
  • Liên kết truyền thông và Webserver: Sử dụng phần mềm KEPServerEX thiết lập kênh truyền thông OPC Server kết nối với PLC iQ-R qua giao thức Ethernet. Dữ liệu từ LabVIEW và PLC được liên kết qua OPC. Công cụ Data Logger của KEPServerEX ghi nhận các biến trạng thái và số lượng sản phẩm vào hệ quản trị Microsoft SQL Server thông qua kết nối DSN trên ODBC. Giao diện Webserver được xây dựng bằng Microsoft Visual Studio (ngôn ngữ C#, nền tảng ASP.NET), cho phép người quản lý truy cập bảng dữ liệu lịch sử sản xuất và theo dõi trạng thái hệ thống theo thời gian thực từ trình duyệt web.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Nội dung nghiên cứu (Đặt vấn đề)

Chương 1 thiết lập tính cấp thiết của đề tài trong xu thế tự động hóa công nghiệp và ứng dụng thị giác máy. Tác giả trình bày mục tiêu xây dựng một mô hình tích hợp đồng bộ giữa robot SCARA, thị giác máy tính và PLC iQ-R; công bố chi tiết 7 mục tiêu kỹ thuật, kế hoạch tiến độ 22 tuần và các giới hạn kỹ thuật của hệ thống về tải trọng (< 1 kg), kích thước phôi (tối đa 60 x 60 x 15 mm) cùng điều kiện vận hành băng tải.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Chương này hệ thống hóa toàn bộ lý thuyết nền tảng phục vụ cho đồ án:

  • Phân tích ưu nhược điểm của các loại hệ thống phân loại công nghiệp hiện hành (Cross belt - Sorter, Vertical Crossbelt, Pop - Up, Wave - Sorter).
  • Trình bày tổng quan về robot công nghiệp và phương pháp giải bài toán động học thuận/nghịch theo Denavit - Hartenberg (bảng thông số D-H, ma trận chuyển vị thuần nhất bậc 4).
  • Phân tích cấu tạo, nguyên lý làm việc của động cơ AC Servo (stator, rotor nam châm vĩnh cửu, encoder phản hồi) kết hợp driver điều khiển PWM sóng sin và động cơ bước điều khiển theo xung.
  • Nêu các khái niệm cơ bản về xử lý ảnh số: Điểm ảnh (pixel), độ phân giải, ảnh nhị phân, ảnh mức xám (0 - 255), ảnh màu và các bước cơ bản từ thu nhận, tiền xử lý, phân đoạn đến trích chọn đặc trưng và nhận dạng.
  • Giới thiệu các công cụ phần mềm: Môi trường đồ họa LabVIEW, hệ thống điều khiển PLC Mitsubishi MELSEC iQ-R, hệ quản trị cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server và mô hình hoạt động của Webserver qua giao thức HTTP.

Chương 3: Tính toán và thiết kế hệ thống

Chương 3 tập trung vào việc hiện thực hóa các yêu cầu kỹ thuật:

  • Lập bảng yêu cầu hoạt động chi tiết cho từng quy trình (vận chuyển hộp, vận chuyển sản phẩm, nhận dạng, phân loại, giám sát).
  • Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 5 khối chức năng: Khối nguồn, Khối xử lý trung tâm, Khối nhận dạng, Khối vận chuyển, Khối vận hành và giám sát.
  • Tính toán và lựa chọn chi tiết các phần cứng: Bộ nguồn Omron S8VS-12024 (24VDC - 5A), CPU R04ENCPU, module nguồn R62P, module vào/ra RX42C4 và RY42NT2P, module Motion R16MTCPU, module đếm xung RD62P2E, Servo Driver MR-J4-20B và động cơ HG-KR23, màn hình HMI GS2110-WTBD, động cơ bước 42BYGP40-PG5, camera HBVCAM-F20216HD V22.
  • Tính toán động học robot SCARA 3 bậc tự do: Lập bảng thông số D-H, tính toán ma trận tọa độ vị trí $P_{3\times1}$ và ma trận hướng $R_{3\times3}$, xác định vùng làm việc của robot trên mặt phẳng XY.
  • Thiết kế mô hình 3D trên SolidWorks cho từng khâu khớp robot, hộp số giảm tốc APEX DYNAMICS AB060-S2-P2, hộp đen camera và kết cấu 2 băng tải vuông góc.
  • Thiết kế sơ đồ nguyên lý nối dây tủ điện (AutoCAD Electrical): Đấu nối nguồn động lực 220VAC, nguồn điều khiển 24VDC, cáp quang SSCNET III/H, mạch rơ-le trung gian, van khí nén Airtac 3V210-08 và cảm biến quang E3F-DS30C4.
  • Xây dựng các lưu đồ thuật toán điều khiển: Lưu đồ tổng quan hệ thống, lưu đồ chế độ Auto, lưu đồ chế độ Manual, lưu đồ xử lý ảnh nhận dạng vật chuẩn và lưu đồ nhận dạng vật lỗi.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại chi tiết các bước lắp đặt thực tế và tích hợp phần mềm:

  • Thi công phần cứng: Gia công cơ khí khung nhôm định hình, lắp ráp cánh tay robot SCARA, lắp đặt 2 băng tải, gắn buồng chụp ảnh hộp đen; bố trí, cố định và đi dây hoàn thiện các thiết bị trên Panel tủ điện công nghiệp.
  • Thi công phần mềm PLC & Motion: Cấu hình trạm iQ-R trên GX Works3; thiết lập vùng nhớ chia sẻ dữ liệu liên CPU giữa R04ENCPU và R16MTCPU; khai báo tham số động cơ và cấu trúc trục trên MT Developer2; lập trình lưu đồ Motion SFC điều khiển các chuyển động PTP của robot.
  • Thiết kế giao diện vận hành: Dựng các màn hình điều khiển, giám sát, cài đặt và cảnh báo trên HMI thông qua phần mềm GT Designer3.
  • Tích hợp xử lý ảnh: Cấu hình Vision Assistant trong LabVIEW; xây dựng thuật toán lọc nhiễu, chuyển đổi không gian màu HSV; tạo template mẫu cho vật tròn, vuông, lục giác; tinh chỉnh ngưỡng biên độ nhạy; nhúng khối MATLAB Script để tính góc lệch và quy đổi tọa độ sang hệ trục robot.
  • Truyền thông và Cơ sở dữ liệu: Thiết lập phần mềm trung gian KEPServerEX kết nối PLC qua OPC; tạo Data Source Name (DSN) trên trình quản trị ODBC để ghi nhận dữ liệu vào SQL Server qua tính năng Data Logger theo chu kỳ định sẵn.
  • Lập trình Webserver: Sử dụng Microsoft Visual Studio xây dựng ứng dụng web quản lý dữ liệu, hiển thị biểu đồ và bảng sản lượng trực tuyến.

Chương 5: Kết quả đạt được

Chương 5 trình bày toàn bộ kết quả vận hành của mô hình sau khi hiệu chỉnh:

  • Hình ảnh hoàn thiện của hệ thống cơ điện tử và tủ điện khi đang vận hành thực tế.
  • Các giao diện vận hành hoàn chỉnh trên màn hình HMI GS2110-WTBD, giao diện phần mềm LabVIEW trên máy tính và bảng dữ liệu truy vấn trực tiếp trên SQL Server.
  • Giao diện trang tổng quan Webserver hiển thị trạng thái hoạt động và sản lượng phân loại.
  • Bảng số liệu thực nghiệm đánh giá khả năng nhận diện và phân loại của hệ thống trên các mẫu vật phẩm thử nghiệm thực tế.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Chương cuối cùng tổng kết các hạng mục đã hoàn thành so với mục tiêu đề ra ban đầu, đánh giá độ ổn định của hệ thống truyền động và thị giác máy, đồng thời chỉ rõ những điểm hạn chế về phần cứng, khả năng bám theo băng tải và đề xuất phương hướng nâng cấp tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Kết quả định lượng và thực nghiệm

Hệ thống đã được thử nghiệm vận hành liên tục để đánh giá độ chính xác của khâu nhận dạng hình ảnh, độ ổn định của cơ cấu chấp hành robot SCARA và tính toàn vẹn của dữ liệu ghi nhận.

Loại sản phẩm mẫu Số lần thử nghiệm (lần) Số lần nhận dạng & gắp đúng (lần) Tỷ lệ thành công (%) Trạng thái phân loại & vị trí
Sản phẩm hình vuông 30 28 93.3% Gắp và đặt chính xác vào ô quy định trên hộp đựng
Sản phẩm hình tròn 30 27 90.0% Gắp và đặt chính xác vào ô quy định trên hộp đựng
Sản phẩm hình lục giác 30 26 86.7% Gắp và đặt chính xác vào ô quy định trên hộp đựng
Sản phẩm lỗi (sai kích thước/biến dạng) 20 18 90.0% Bỏ qua, không gắp, đẩy về cuối băng tải để loại bỏ
Tổng thể chu trình 110 99 90.0% Tốc độ trung bình: 6 sản phẩm/phút

Kết quả thực nghiệm cho thấy hệ thống đáp ứng đầy đủ các chỉ tiêu ban đầu: Tỷ lệ phân loại chính xác trung bình đạt 90% (vượt mức yêu cầu > 80%); tốc độ phân loại đạt 6 sản phẩm/phút (đáp ứng yêu cầu > 5 sản phẩm/phút); phân loại chính xác vật thể ở các góc xoay ngẫu nhiên nhờ thuật toán Template Matching kết hợp trích xuất góc quay trong LabVIEW.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

  • Giải pháp triệt tiêu nhiễu quang học bằng hộp đen: Tác giả tự thiết kế và gia công buồng tối chuyên dụng gắn tại đầu băng tải 1. Giải pháp này cô lập hoàn toàn khu vực xử lý ảnh với ánh sáng ngoại vi, giúp duy trì độ ổn định cho thuật toán phân đoạn ảnh trong các thời điểm khác nhau trong ngày.
  • Phương án bố trí 2 băng tải vuông góc: Việc đặt băng tải cấp sản phẩm và băng tải cấp hộp vuông góc cho phép robot SCARA tận dụng tối đa vùng làm việc hình bán nguyệt của các khâu khớp phẳng, giảm thiểu hành trình di chuyển và thời gian của một chu kỳ gắp - thả.
  • Quy trình vận hành băng tải liên tục: Thiết kế quy trình điều khiển không dừng băng tải 1 khi nhận diện và phân loại, giúp bảo vệ động cơ, giảm tổn hao điện năng do quá trình dừng - khởi động liên tục và nâng cao tuổi thọ của các thiết bị truyền động cơ khí.

Đóng góp của đề tài

Tác giả đã làm chủ quy trình tích hợp hệ thống cơ điện tử phức tạp: Kết hợp thành công giữa xử lý ảnh công nghiệp trên PC (LabVIEW) với bộ điều khiển lập trình tốc độ cao (PLC iQ-R) thông qua giao thức chuẩn công nghiệp OPC. Việc ứng dụng mạng truyền thông Motion cáp quang SSCNET III/H cùng Motion CPU R16MTCPU để điều khiển robot SCARA 3 bậc tự do mang lại độ chính xác chuyển động cao, cung cấp một mô hình thực nghiệm tiêu chuẩn phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu kỹ thuật chuyên sâu.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các giới hạn kỹ thuật được tác giả xác định trong quá trình thực nghiệm, đồ án tồn tại các hạn chế sau:

  • Giới hạn về nhận diện hình học: Hệ thống mới chỉ phân loại được 3 dạng hình học cơ bản đã được nạp dữ liệu mẫu từ trước (tròn, vuông, lục giác), chưa có khả năng tự động nhận biết các biên dạng hình học phức tạp hoặc các sản phẩm có biên dạng tự do.
  • Độ nhạy quang học môi trường: Mặc dù đã trang bị hộp đen, nếu cường độ ánh sáng môi trường xung quanh thay đổi quá đột ngột hoặc góc chiếu ngoài lọt vào cửa băng tải, độ chính xác nhận diện có thể bị suy giảm.
  • Thời gian giãn cách phôi: Khoảng cách thời gian di chuyển giữa hai sản phẩm liên tiếp trên băng tải bắt buộc phải duy trì độ trễ tối thiểu 10 giây để đảm bảo robot hoàn thành chu trình gắp - thả trước khi sản phẩm tiếp theo tiến vào tầm với.
  • Hạn chế về chế độ bám băng tải: Tốc độ của băng tải cấp phôi bắt buộc phải giữ cố định; hệ thống chưa tích hợp thuật toán bám băng tải động (Conveyor Tracking) khi tốc độ băng tải thay đổi ngẫu nhiên.
  • Giới hạn cơ cấu chấp hành cuối: Do sử dụng cơ cấu gắp bằng giác hút chân không, hệ thống chỉ thao tác được với các sản phẩm nhẹ có khối lượng dưới 1 kg và yêu cầu bề mặt tiếp xúc phải phẳng, nhẵn, không có lỗ hổng hoặc biến dạng cong.

Hướng phát triển tiếp theo của đề tài:

  • Nâng cấp thuật toán xử lý ảnh trên LabVIEW hoặc tích hợp các mạng nơ-ron học sâu (Deep Learning) để nhận diện đa dạng các loại sản phẩm, kiểm tra các lỗi nứt vỡ hoặc ký tự in trên bề mặt.
  • Nghiên cứu và ứng dụng tính năng Conveyor Tracking trên dòng Motion CPU của Mitsubishi, cho phép cánh tay robot gắp sản phẩm chính xác ngay cả khi băng tải thay đổi tốc độ liên tục hoặc chạy với vận tốc cao hơn.
  • Cải tiến cơ cấu chấp hành cuối bằng cách kết hợp giác hút chân không với kẹp cơ khí (Gripper) đa năng để mở rộng phạm vi thao tác với các sản phẩm có bề mặt gồ ghề hoặc khối lượng lớn hơn.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo cao đối với sinh viên, học viên cao học và kỹ sư thuộc các chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot và Hệ thống Công nghiệp.

Các nội dung có giá trị ứng dụng nổi bật bao gồm:

  • Phương pháp tính toán động học robot SCARA: Toàn bộ bảng thông số D-H, các bước thiết lập ma trận biến đổi thuần nhất và cách giải bài toán động học thuận/nghịch là tài liệu tham khảo chi tiết cho các đề tài thiết kế tay máy nhiều bậc tự do.
  • Quy trình cấu hình và lập trình hệ thống Motion đa trục: Hướng dẫn từng bước cách cấu hình phần cứng dòng PLC Mitsubishi iQ-R, khai báo liên kết giữa CPU R04EN và Motion CPU R16MTCPU, thiết lập thông số cho Servo Amplifier MR-J4 qua phần mềm MT Developer2 bằng ngôn ngữ Motion SFC.
  • Giải pháp tích hợp thị giác máy với PLC qua mạng công nghiệp: Phương pháp kết nối LabVIEW với PLC thông qua chuẩn OPC Server (KEPServerEX) và kỹ thuật nhúng thuật toán MATLAB Script vào môi trường LabVIEW Vision Assistant là một giải pháp mẫu có tính ứng dụng thực tiễn cao cho các bài toán SCADA và thị giác công nghiệp.
  • Kiến trúc giám sát dữ liệu nhiều tầng: Quy trình kết nối cơ sở dữ liệu Microsoft SQL Server thông qua ODBC Data Logger và xây dựng Webserver quản lý sản xuất thời gian thực bằng Visual Studio (ASP.NET/C#) cung cấp khung kiến trúc hoàn chỉnh cho các dự án nhà máy thông minh (Smart Factory).

Câu hỏi thường gặp

1. Robot SCARA trong đề tài sử dụng loại động cơ và bộ điều khiển chuyển động nào để kiểm soát các khớp?

Hệ thống sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi HG-KR23 (công suất 200W) kết hợp với bộ điều khiển Servo Amplifier MR-J4-20B để dẫn động các trục khớp của robot. Việc điều khiển vị trí, tốc độ và nội suy chuyển động đa trục được thực hiện bởi module chuyên dụng Motion CPU R16MTCPU, kết nối đồng bộ với các servo driver thông qua mạng truyền thông cáp quang tốc độ cao SSCNET III/H với chu kỳ giao tiếp đạt 0.444 ms đến 0.888 ms.

2. Nhóm tác giả áp dụng giải pháp nào để triệt tiêu ảnh hưởng của ánh sáng môi trường khi camera thu nhận hình ảnh?

Nhóm tác giả đã tự thiết kế và gia công một buồng chụp ảnh dạng hộp đen đặt cố định tại đầu băng tải 1, bao bọc toàn bộ phạm vi quan sát của camera công nghiệp HBVCAM-F20216HD V22. Hộp đen này có chức năng ngăn chặn hiện tượng tán xạ và triệt tiêu sự biến thiên của ánh sáng tự nhiên từ môi trường bên ngoài, tạo điều kiện chiếu sáng nhân tạo đồng nhất để thuật toán xử lý ảnh trên LabVIEW phân đoạn và trích chọn đặc trưng sản phẩm với độ chính xác ổn định.

3. Hai băng tải trong mô hình được bố trí như thế nào và nguyên lý hoạt động của chúng ra sao?

Hai băng tải được bố trí vuông góc với nhau và dẫn động bởi động cơ bước 42BYGP40-PG5 thông qua module phát xung RD62P2E:

  • Băng tải 1 (cấp sản phẩm): Chạy liên tục không dừng trong suốt chu trình phân loại nhằm tránh tổn thất điện năng và hao mòn cơ khí do quá trình dừng - khởi động lại.
  • Băng tải 2 (cấp hộp đựng): Di chuyển hộp chứa đến vị trí làm việc của robot. Khi cảm biến quang E3F-DS30C4 phát hiện hộp, băng tải 2 sẽ dừng lại và giữ nguyên vị trí để robot SCARA lần lượt gắp các sản phẩm đã phân loại đặt vào đúng các ô quy định (3 ô kích thước 70 x 70 x 27 mm).

4. Hệ thống thực hiện việc truyền thông và lưu trữ dữ liệu từ PLC lên Webserver qua những cấu phần trung gian nào?

Dữ liệu trạng thái và số lượng sản phẩm từ PLC iQ-R được truyền lên máy tính thông qua phần mềm máy chủ OPC trung gian (KEPServerEX) kết nối qua cổng Ethernet. Tại máy tính, tính năng Data Logger trong KEPServerEX ghi nhận các giá trị biến này vào cơ sở dữ liệu quan hệ Microsoft SQL Server thông qua kết nối DSN (Data Source Name) được thiết lập trên trình quản trị ODBC. Ứng dụng Webserver xây dựng bằng Visual Studio (ASP.NET/C#) sẽ thực hiện truy vấn trực tiếp từ SQL Server để hiển thị thông số và sản lượng lên trình duyệt web.

5. Những thông số giới hạn nào về phôi sản phẩm mà hệ thống yêu cầu trong quá trình hoạt động?

Theo thiết kế và kết quả thử nghiệm của đề tài, sản phẩm tham gia vào chu trình phân loại phải thỏa mãn các tiêu chuẩn kỹ thuật nghiêm ngặt:

  • Hình dạng hình học phải là một trong 3 loại: Hình vuông, hình tròn hoặc hình lục giác.
  • Kích thước phủ bì tối đa của sản phẩm không vượt quá 60 x 60 x 15 mm.
  • Khối lượng sản phẩm phải nhỏ hơn 1 kg.
  • Bề mặt sản phẩm phải phẳng, nhẵn và không thủng rỗng để đảm bảo độ kín khí tuyệt đối cho cơ cấu giác hút chân không điều khiển bằng van điện từ khí nén Airtac 3V210-08.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cánh tay robot SCARA" đã hoàn thành toàn diện việc nghiên cứu, thiết kế và chế tạo thành công một mô hình tự động hóa công nghiệp tích hợp đồng bộ. Công trình kết hợp hiệu quả giữa thuật toán xử lý ảnh số trên LabVIEW, hệ thống điều khiển lập trình logic và motion đa trục cao cấp của Mitsubishi (PLC iQ-R R04ENCPU, Motion R16MTCPU, Servo MR-J4-20B qua mạng SSCNET III/H), cùng cấu trúc cơ khí SCARA 3 bậc tự do vận hành trên hai băng tải vuông góc. Kết quả thực nghiệm khẳng định hệ thống đạt độ chính xác phân loại trung bình 90% với năng suất 6 sản phẩm/phút, đồng thời hỗ trợ giám sát đa kênh từ HMI tại chỗ đến hệ thống quản trị dữ liệu SQL Server và giao diện Webserver từ xa. Đồ án cung cấp một tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo thực tiễn cao cho các nghiên cứu chuyên sâu về tích hợp robot công nghiệp và thị giác máy tính trong thời kỳ tự động hóa hiện đại.