Chương 1. Tổng quan về hệ thống 1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống 1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai diễn ra từ nửa cuối thế kỉ 19 đã thúc đẩy các ngành sản xuất biến chuyển nhanh chóng với hàng loạt dây chuyền sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng, tự động hóa… Các hệ thống có sự tự động hóa ngày càng cao, cũng như độ chính xác trong quá trình làm việc. Trước kia, việc phân loại sản phẩm chủ yếu được thực hiện bời con người, bằng sự quan sát và dựa vào kinh nghiệm, rồi sau đó chọn ra sản phẩm đạt yêu cầu và loại bỏ sản phẩm bị lỗi. Công việc này đòi hỏi sự tập trung cao mà lặp đi lặp lại nhiều lần nên khó đảm bảo được độ chính xác cao và ổn định trong công việc.
Nhưng giờ đây với sự phát triển của thời đại công nghệ 4.0 việc đó đã được thực hiện tự động hóa bởi hệ thống các thiết bị kỹ thuật chuyên dụng giúp phân loại sản phẩm bị lỗi một cách nhanh và chính xác hơn. Hình Tổng quan về hệ thống.1:Công nhân nhà máy phân loại sản phẩm “Phân loại sản phẩm lỗi” là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều tròng thực tế hiện nay. Với việc dùng sức người, đối với các công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại, thì các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Chưa kể đến nhưng khâu phân loại sản phẩm lỗi dựa trên các chi tiết kỹ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra được ví dụ như mã barcode, QR… Điều đó sẽ làm ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất.
Vì vậy, hệ thống nhận dạng và “ phân 11 loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh” ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu này. Hình Tổng quan về hệ thống.2: Hệ thống phân loại sản phẩm “Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh” ra đời giúp quá trình giám sát và kiểm tra sản phẩm trở nên chính xác hơn, nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó gia tăng sự cạnh tranh trên thị trường hàng hóa. Sự khác biệt giữa hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng hình ảnh đối với các hệ thống phân loại sản phẩm khác là thay vì sử dụng các cảm biến để nhận biết lỗi, hệ thống sử dụng các camera máy ảnh để chụp ảnh sản phẩm cần phân loại, sau đó đưa hình ảnh so sánh với ảnh gốc chuẩn để xác định sự sai khác, và phân biệt chủng loại sản phẩm. Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác cao hơn so với các hệ thống phân loại sản phẩm khác.2 Xử lý ảnh Xử lý ảnh là kỹ thuật áp dụng trong việc tăng cường và xử lý các ảnh thu nhận được từ các thiết bị như camera, webcam.
Nó là một lĩnh vực mang tính khoa học công nghệ, là một trong những cách tiếp cận phân tích, tổng hợp hình ảnh theo ý tưởng và mục đích của người sử dụng. Do đó xử lý ảnh đã được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực quan trọng như: quân sự, lĩnh vực y tế, lĩnh vực giải trí… Quá trình xử lý ảnh là quá trình biến đổi ảnh đầu vào nhằm nhận dạng những gì mong muốn. Kết quả có thể là một ảnh được cắt từ ảnh chính hoặc kết luận từ bức ảnh. Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng và phân tích ảnh.
Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được 12 truyền từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số được thuận lợi hơn.
Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm 1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ-ron nhân tạo, các thuật toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và thu được nhiều kết quả khả quan hơn. Ngày nay, với thời đại công nghệ phát triển thì ứng dụng xử lý ảnh được sử dụng phổ biến rộng rãi trong đời sống như photoshop, face ID, touch ID (nhận dạng vân tay), ảnh y tế, nhận diện biển số xe và cả trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp… Hình Tổng quan về hệ thống.3: Xử lý ảnh trong dây chuyền kiểm tra sản phẩm 1.2 Các vấn đề đặt ra Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử lý ảnh có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa.
Để thiết kế được hệ thống nhóm tác giả cần thiết kế cơ khí, ứng dụng xử lý ảnh trong việc phân tích hình ảnh, xử lý số liệu và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC. Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết. Các vấn đề cần được giải quyết đó là: 13 - Vấn đề cơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn mục tiêu đề ra: nhỏ, gọn, chắc chắn, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa. - Vấn đề nhận biết sản phẩm lỗi: Ứng dụng xử lý ảnh để phân tích hình ảnh từ camera để xử lý số liệu phân loại sản phẩm lỗi.
- Vấn đề về điều khiển: điều khiển bằng PLC và hệ thống điều khiển khí nén - Vấn đề an toàn: đảm bảo cho sản phẩm không bị hỏng trong quá trình phân loại, 1.3 Phương pháp nghiên cứu Đề tài “Phân loại sản phẩm lỗi bằng ứng dụng xử lý ảnh” được nghiên cứu bằng hai phương pháp: phương pháp lý thuyết, phương pháp mô phỏng - Phương pháp lý thuyết: +) Tham khảo các tài liệu có liên quan đến các ứng dụng xử lý ảnh để nghiên cứu các thuật toán, phương pháp xử lý ảnh, và từ đó đưa ra phương pháp tối ưu nhất để xây dựng hệ thống. +) Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, cách viết chương trình điều khiển “phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh” cho bộ điều khiển PLC. +) Nghiên cứu giáo trình, tài liệu về các môn học có liên quan như: kĩ thuật tự động hóa, cảm biến và hệ thống do lường… Tham khảo và tổng hợp kiến thức từ các nguồn tài liệu khác nhau như sách báo, internet… +) Nghiên cứu các mô hình phân loại sản phẩm trên thực tế và các đề tài nghiên cứu về phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh để thấy được cấu tạo, cách thức hoạt động của hệ thống từ đó rút ra kinh nghiệm áp dụng vào đề tài nghiên cứu của mình. - Phương pháp mô phỏng: +) Tính toán các phần động học, động lực học của hệ thống +) Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí +) Mô hình hóa quá trình hoạt động của hệ thống trên phần mềm TIA Portal (SIMATIC STEP 7& WinCC) và Factory IO từ đó tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo hoàn thiện.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng phương pháp xử lí ảnh là một đề tài đã được nhiều sinh viên các trường nghiên cứu và phát triển.
Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống tương tự hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ. Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức, thời gian và kinh phí, đề tài giới hạn bởi những tính năng sau: - Kích thước hệ thống (dài x rộng x cao): 1200x400x500 (mm) - Hệ thống tiếp nhận tín hiệu: camera và các cảm biến hồng ngoại. - Hệ thống điều khiển: bộ điều khiển bằng PLC điều khiển cả hệ thống và hệ thống khí nén điều khiển cơ cấu xylanh đẩy sản phẩm lỗi. - Cơ cấu đẩy sản phẩm lỗi: xylanh khí nén - Động cơ truyền chuyển động cho băng tải: Động cơ DC.
- Hệ thống dẫn động: Băng tải (dài x rộng): 800x100mm. - Điện áp cung cấp: điện áp xoay chiều 220V. Phạm vi nghiên cứu: - Về nội dung nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu về phương pháp xử lí ảnh áp dụng vào hệ thống phân loại sản phẩm lỗi. Ở đây, chúng em phân loại sản phẩm sai số lượng sản phẩm, lỗi barcode (mã vạch).
- Về hình thức nghiên cứu: Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển. Nghiên cứu về quy trình hoạt động của hệ thống từ đó đưa ra các phương án xây dựng hệ thống hợp lí. Đề ra các bài toán cần thiết để tính toán thiết kế hệ thống như lựa chọn và tính toán động cơ băng chuyền, tính toán vận tốc băng chuyền, năng suất phân loại… Nghiên cứu các phần mềm hỗ trợ xử lý ảnh, phần mềm mô phỏng: Labview, SolidWorks… Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC cho hệ thống. Lập trình trên PLC điều khiển mô hình phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh.1 Kết cấu hệ thống cơ khí 2.1 Giới thiệu chung về băng tải.
Băng tải (băng chuyền) hiểu đơn giản là một thiết bị vận chuyển dùng để vận chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B. Nó giúp tiết kiệm sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động. Vì vậy băng chuyền, băng tải là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các nhà máy, xí nghiệp. Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Trong các hệ thống phân loại sản phẩm băng tải là một bộ phận không thể thiếu, có nhiệm vụ vận chuyển phôi tới vị trí thao tác, bên dưới có trang bị hệ thống con lăn. Nguồn động lực chính của băng tải chính là động cơ điện: động cơ điện 1 chiều, động cơ 3 pha lồng sóc hay servo… tùy vào yêu cầu hệ thống.