Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quá trình công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, công nghệ robot và các hệ thống chấp hành độ chính xác cao đóng vai trò trung tâm nhằm nâng cao năng suất, giải phóng sức lao động con người khỏi các thao tác thủ công lặp lại và nâng cao độ linh hoạt của dây chuyền tự động. Động cơ servo và các bộ điều khiển logic khả trình (PLC) đã trở thành các thành phần tiêu chuẩn trong các cơ cấu máy móc chính xác như máy CNC, cánh tay robot công nghiệp, hệ thống định vị vít me và bàn xoay. Tuy nhiên, tại Việt Nam, phần lớn các doanh nghiệp vừa và nhỏ vẫn gặp rào cản về mặt công nghệ và chi phí trong việc tiếp cận, làm chủ các giải pháp robot công nghiệp phức tạp.

Đề tài "ROBOT phân loại sản phẩm kết hợp PLC và AC servo" do sinh viên Trần Hà Đức Cảnh và Lê Đức Anh thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lâm tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (chuyên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, hoàn thành tháng 07/2019) tập trung giải quyết bài toán thiết kế, chế tạo và tích hợp một hệ thống robot SCARA kết hợp thị giác máy để tự động nhận dạng và phân loại sản phẩm di chuyển trên băng tải.

Văn bản xác định các mục tiêu nghiên cứu cụ thể bao gồm:

  1. Giao tiếp đồng bộ giữa các thiết bị phần cứng trong mô hình: PLC Mitsubishi Q06HCPU, các module điều khiển vị trí QD75MH1, QD75MH4, QD75P2, module truyền thông Ethernet QJ71E71-100, module ngõ vào/ra số QX40, QX42, QY40P, QY42P, driver servo MR-J3-B, driver servo MR-J4, động cơ AC Servo Mitsubishi J3B, camera công nghiệp Cognex In-Sight 5110, và màn hình giao diện người - máy HMI GOT1000/GOT2000 (kết hợp phần mềm SoftGOT2000).
  2. Thiết lập kết nối điều khiển giữa các Driver Servo với hệ thống tín hiệu I/O của PLC Mitsubishi Q06HCPU.
  3. Thiết lập mạng truyền thông giữa camera công nghiệp Cognex và PLC Mitsubishi Q06HCPU qua giao thức Ethernet.
  4. Điều khiển chuyển động chính xác về vị trí và đáp ứng đúng yêu cầu tốc độ đặt ra cho từng trục cơ cấu.
  5. Thiết kế và gia công phần cứng cơ khí hoàn chỉnh, thực hiện chức năng điều khiển và giám sát cho hệ thống 5 trục servo.
  6. Xây dựng giao diện điều khiển và giám sát toàn diện mô hình trên HMI phần cứng thực tế và giao diện máy tính.

Nhiệm vụ nghiên cứu được phân chia thành 7 nội dung chính:

  • Nhiệm vụ 1: Tìm hiểu nguyên lý hoạt động của cấu trúc SCARA Robot và cấu tạo động cơ servo.
  • Nhiệm vụ 2: Nghiên cứu phần mềm lập trình PLC Mitsubishi (GX Developer/GX Works), phần mềm thiết kế giao diện HMI GT Designer 3, và phần mềm xử lý dữ liệu hình ảnh In-Sight Explorer của camera Cognex.
  • Nhiệm vụ 3: Nghiên cứu các phương pháp và chế độ điều khiển AC Servo.
  • Nhiệm vụ 4: Tính toán thiết kế và thi công phần cứng cơ khí cùng hệ thống tủ điện điều khiển.
  • Nhiệm vụ 5: Xây dựng thuật toán, viết chương trình điều khiển PLC và thiết kế giao diện vận hành HMI.
  • Nhiệm vụ 6: Vận hành chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống mô hình.
  • Nhiệm vụ 7: Thu thập số liệu, phân tích sai số và đánh giá kết quả thực hiện.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng cơ khí: Khung cơ cấu cánh tay SCARA Robot (các trục 1, 2, 3, 4 và cơ cấu chấp hành tay gắp), hệ thống băng tải cấp phôi, tủ điện và khung nhôm định hình đỡ tủ điện, chân đế robot, giá đỡ camera công nghiệp, giá đỡ phôi và máng trượt phân loại.
  • Đối tượng điện và điều khiển: Khối xử lý trung tâm PLC Mitsubishi Q-series (Q06HCPU), module điều khiển vị trí thông minh chuyên dụng QD75MH1/QD75MH4, các module mở rộng tín hiệu số ngõ vào/ngõ ra QX42/QY42P, module truyền thông mạng Ethernet QJ71E71-100, hệ thống động cơ AC Servo MR-J3B (công suất 100W, 200W, 300W) kết hợp driver điều khiển MR-J3-B qua chuẩn mạng SSCNET III, camera công nghiệp Cognex In-Sight 5110, màn hình HMI GOT1000, bộ phát xung bằng tay (Manual Pulse Generator), nguồn tổ ong DC 24V, khí nén và rơ le trung gian.
  • Phạm vi nghiên cứu: Đề tài dừng lại ở quy mô thử nghiệm mô hình thực nghiệm trong phòng thí nghiệm; thực hiện truyền nhận dữ liệu giữa camera và PLC qua Ethernet; xử lý phân loại sản phẩm dựa trên nhận dạng mã vạch (barcode) chẵn hoặc lẻ; và thực hiện chu trình bám bắt, gắp phôi đang chuyển động trực tiếp trên băng tải.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khóa luận xây dựng nội dung dựa trên nền tảng lý thuyết động học tay máy, kỹ thuật điều khiển chuyển động (motion control), điều khiển logic khả trình và xử lý ảnh công nghiệp:

  • Lý thuyết phân loại và động học Robot: Hệ thống phân loại robot công nghiệp theo kết cấu hình học (tọa độ Đề-các, tọa độ trụ, tọa độ cầu, SCARA, kiểu phỏng sinh học/tay người) và theo phương thức điều khiển (điều khiển hở dùng động cơ bước; điều khiển kín servo theo điểm - PTP hoặc theo đường contour). Cấu trúc SCARA (Selective Compliance Assembly Robot Arm, đề xuất năm 1979 tại Đại học Yamanashi, Nhật Bản) bao gồm hai khớp quay và một khớp trượt với các trục chuyển động song song, tạo độ cứng vững cao theo phương thẳng đứng nhưng linh hoạt theo phương ngang.
  • Quy tắc Denavit - Hartenberg (D-H, 1955): Tác giả áp dụng giải thuật D-H để giải bài toán động học thuận và động học nghịch cho tay máy SCARA. Bằng cách gắn hệ tọa độ lên từng khâu khớp, vị trí và hướng của khâu công tác cuối so với hệ tọa độ gốc được xác định thông qua bộ 4 tham số $a_i$ (khoảng cách khớp dọc trục $x_i$), $d_i$ (độ dịch chuyển dọc trục $z_{i-1}$), $\alpha_i$ (góc xoắn quanh trục $x_i$), và $\theta_i$ (góc quay quanh trục $z_{i-1}$). Ma trận biến đổi thuần nhất $A_i$ ($4 \times 4$) chứa ma trận quay $R_i$ ($3 \times 3$) và vector tịnh tiến $P_i$ ($3 \times 1$) được nhân liên tiếp để tạo nên ma trận chuyển đổi tổng quát $T_n = A_1 \cdot A_2 \cdot A_3 \dots A_n$.
  • Lý thuyết điều khiển AC Servo và Encoder: Động cơ servo hoạt động dựa trên phản hồi vòng kín (vị trí, vận tốc, mô-men) từ bộ mã hóa xung (encoder) về driver khuếch đại. Nghiên cứu phân tích sự khác biệt giữa hai loại encoder: encoder tương đối (Incremental Encoder - đĩa chia rãnh quang đều, mất vị trí khi mất điện) và encoder tuyệt đối (Absolute Encoder - đĩa mã hóa nhị phân đa rãnh, tích hợp pin dự phòng hoặc siêu tụ điện duy trì dữ liệu góc quay khi hệ thống mất nguồn).
  • Lý thuyết điều khiển vị trí module QD75MH: Hệ thống sử dụng ba cơ chế điều khiển vị trí chính:
    1. Tuyệt đối (Absolute - Abs): Tọa độ mục tiêu được tính toán cố định so với điểm gốc chuẩn.
    2. Gia số (Incremental - Inc): Chuyển động dựa trên khoảng gia số tăng thêm tính từ vị trí dừng hiện tại.
    3. Nội suy cung tròn 2 trục: Thực hiện thông qua phương pháp điểm phụ (Support Point - SP) hoặc phương pháp tâm xác định (Center Point - CP).
    4. Chế độ quay về gốc OPR (Home Position Return): Thiết lập điểm gốc làm việc ban đầu và lưu trữ trạng thái vị trí tuyệt đối trong bộ nhớ của module thông minh.
  • Chuẩn giao tiếp SSCNET III (Servo System Controller Network): Giao thức truyền thông nối tiếp quang học tốc độ cao chuyên dụng của Mitsubishi, kết nối trực tiếp bộ điều khiển chuyển động QD75MH với các driver servo MR-J3-B theo sơ đồ chuỗi (daisy chain). So với kỹ thuật điều khiển phát xung rời rạc truyền thống, SSCNET III giảm tới 80% số lượng dây dẫn, tăng khả năng chống nhiễu điện từ, truyền nhận dữ liệu hai chiều và cho phép tự động kiểm tra, thay thế dữ liệu lỗi.
  • Phương pháp nghiên cứu thực hiện: Đề tài sử dụng phương pháp kết hợp giữa nghiên cứu lý thuyết (tính toán động học, lập bảng thông số D-H, tính chọn thông số điều khiển xung), thiết kế mô hình hóa kỹ thuật 3D bằng phần mềm cơ khí chuyên dụng, lập trình thuật toán điều khiển tuần tự bằng ngôn ngữ Ladder/Function Blocks trên PLC kết hợp cấu hình mạng truyền thông, và cuối cùng là phương pháp thực nghiệm kiểm chứng, tinh chỉnh thông số vận hành trên mô hình vật lý.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Hệ thống được thiết kế hoàn chỉnh từ cơ cấu cơ khí, tủ điều khiển điện đến phần mềm điều khiển và mạng truyền thông công nghiệp.

Cấu trúc cơ khí và động lực học

Mô hình SCARA Robot bao gồm 4 bậc tự do chính kết hợp cụm chấp hành kẹp/hút khí nén:

  • Trục 1 (khớp xoay vai): Chịu toàn bộ tải trọng phần thân trên của robot, dẫn động bằng động cơ servo MR-J3B thông qua bộ truyền giảm tốc và cơ cấu định vị ổ bi.
  • Trục 2 (khớp xoay khuỷu): Tạo chuyển động linh hoạt trong mặt phẳng nằm ngang, liên kết với trục 1 qua các bản mã gia công chính xác.
  • Trục 3 (khớp tịnh tiến thẳng đứng): Sử dụng cơ cấu vít me - đai ốc bi để dẫn hướng chuyển động lên xuống dọc trục Z, đảm bảo khả năng nâng hạ vật mẫu chính xác.
  • Trục 4 và đầu công tác (End-Effector): Gắn cơ cấu xoay định hướng sản phẩm và cụm van khí nén kết hợp giác hút/kẹp để gắp phôi.
  • Hệ thống phụ trợ: Cơ cấu băng tải con lăn/dây đai dẫn động phôi chuyển động liên tục; giá đỡ gắn camera Cognex cố định phía trên băng tải; máng trượt phân loại phân chia hai làn tương ứng cho các nhóm sản phẩm khác nhau; khung nhôm định hình chịu lực đỡ chân đế robot và tủ điện điều khiển trung tâm.

Cấu hình thiết bị điều khiển và truyền thông

Hệ thống phần cứng điều khiển và thiết bị ngoại vi được tích hợp trong tủ điện vận hành bao gồm các thông số kỹ thuật chính:

Nhóm thiết bị Mã thiết bị / Module Thông số kỹ thuật và chức năng chính trong hệ thống
Khối xử lý trung tâm Mitsubishi Q06HCPU Bộ nhớ chương trình 60k steps, quản lý 4096 điểm I/O, tốc độ xử lý 34 ns/lệnh basic.
Module điều khiển vị trí QD75MH1 / QD75MH4 Module thông minh tương thích mạng SSCNET III, điều khiển 1 trục hoặc 4 trục servo đồng thời.
Driver AC Servo MR-J3-B (MR-J3-10B,...) Bộ khuếch đại servo kỹ thuật số, giao tiếp cáp quang SSCNET III, nhận phản hồi từ encoder 18-bit.
Động cơ AC Servo Dòng MR-J3B Công suất định mức 100W, 200W, 300W; tích hợp encoder tuyệt đối lưu trữ qua pin/siêu tụ điện.
Module truyền thông mạng QJ71E71-100 Module Ethernet công nghiệp 10BASE-T/100BASE-TX, kết nối truyền dữ liệu giữa PLC và Camera Cognex.
Module ngõ vào số QX40 / QX42 16 ngõ vào / 64 ngõ vào DC 24V, cách ly quang, thu thập tín hiệu nút nhấn, cảm biến hành trình, giới hạn FLS/RLS.
Module ngõ ra số QY40P / QY42P 16 ngõ ra / 64 ngõ ra transistor 24VDC (Sink type), điều khiển cuộn hút rơ le trung gian và van điện từ khí nén.
Camera công nghiệp Cognex In-Sight 5110 Camera thị giác máy tích hợp bộ vi xử lý ảnh, độ phân giải công nghiệp, quét và giải mã mã vạch (barcode).
Giao diện vận hành HMI GOT1000 / SoftGOT Màn hình cảm ứng giao tiếp PLC hiển thị tọa độ thời gian thực, cài đặt tốc độ, chế độ Auto/Manual/JOG.
Thiết bị phụ trợ khác Bộ phát xung tay, Nguồn 24V Bộ phát xung quay tay định vị thủ công, bộ nguồn DC 24V công nghiệp, Aptomat (CB) bảo vệ ngắn mạch/quá tải.

Kiến trúc phần mềm và thuật toán vận hành

  • Phần mềm phát triển: Sử dụng SolidWorks để thiết kế mô hình 3D và xuất bản vẽ gia công chi tiết cơ khí; phần mềm In-Sight Explorer để cài đặt công cụ đọc mã vạch (Barcode Reading Tool), căn chỉnh vùng chụp (ROI - Region of Interest) và cấu hình cổng xuất dữ liệu truyền thông mạng; phần mềm GX Developer / GX Works để viết chương trình điều khiển PLC bằng khối hàm Function Blocks và các chương trình con (P4); phần mềm GT Designer 3 để thiết kế giao diện HMI mô phỏng trên máy tính qua SoftGOT2000 và nạp vào màn hình GOT1000 thực tế.
  • Quy trình vận hành logic:
    1. Khởi tạo và thiết lập chế độ: Hệ thống kiểm tra tín hiệu an toàn, thực hiện lệnh OPR đưa các trục servo về vị trí Home chuẩn lưu trong module QD75.
    2. Dò tìm và đọc dữ liệu: Phôi mẫu dán mã vạch di chuyển dọc theo băng tải. Khi phôi đi vào vùng quan sát, camera Cognex In-Sight 5110 kích hoạt chụp ảnh, xử lý giải thuật barcode và truyền chuỗi dữ liệu kết quả về PLC qua module Ethernet QJ71E71-100.
    3. Phân tích dữ liệu: Khối logic PLC đọc giá trị số từ mã vạch, phân tách thành giá trị chẵn hoặc lẻ. Đồng thời, hệ thống đo lường vận tốc băng tải và xác định tọa độ đón bắt của sản phẩm.
    4. Bám bắt và điều khiển quỹ đạo: Module QD75MH tính toán nội suy chuyển động đồng bộ giữa các trục của cánh tay SCARA để đầu hút khí nén di chuyển chính xác đến tọa độ phôi đang chạy trên băng tải. Cụm kẹp/hút kích hoạt để giữ sản phẩm.
    5. Phân loại và trả về vị trí: Tùy thuộc vào giá trị mã barcode chẵn hay lẻ, cánh tay SCARA chuyển hướng đưa sản phẩm thả vào máng trượt số 1 hoặc máng trượt số 2 tương ứng, sau đó robot quay trở lại vị trí chờ để tiếp tục chu kỳ làm việc mới.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về đề tài

Chương 1 thiết lập cơ sở ban đầu cho đồ án thông qua việc đặt vấn đề về sự phát triển của công nghệ servo trong hơn 60 năm qua và vai trò then chốt của động cơ servo đối với độ chính xác và khả năng đáp ứng cao trong máy móc công nghiệp. Tác giả nêu rõ tính cấp thiết của việc tự động hóa khâu phân loại trong các nhà máy Việt Nam. Chương này công bố chi tiết mục tiêu đề tài, bao gồm việc làm chủ kỹ thuật giao tiếp giữa hệ thống PLC Q-series với các thiết bị thông minh qua Ethernet và SSCNET III, chế tạo cánh tay SCARA 5 servo, và xây dựng giao diện điều khiển HMI. Giới hạn đề tài được xác định rõ là thử nghiệm trên mô hình, thực hiện phân loại theo mã barcode chẵn/lẻ do camera Cognex thu nhận và thực hiện gắp phôi trực tiếp trên băng tải động. Cuối chương là danh mục liệt kê các đối tượng cơ khí, thiết bị điện - điều khiển và lộ trình 5 chương của cuốn báo cáo.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết

Nội dung chương 2 tập trung hệ thống hóa toàn diện các khối kiến thức kỹ thuật cần thiết để triển khai hệ thống:

  • Trình bày tổng quan về robot công nghiệp, phân tích cấu tạo cơ bản (tay máy, cơ cấu chấp hành, hệ thống cảm biến, bộ điều khiển) và so sánh các kiểu kết cấu hình học (Đề-các, trụ, cầu, SCARA, cánh tay người) cùng hai phương thức điều khiển vòng hở và vòng kín servo.
  • Trình bày lý thuyết động học tay máy SCARA, giới thiệu chi tiết thuật giải Denavit - Hartenberg (D-H, 1955), quy ước thiết lập hệ tọa độ trên các khâu khớp, định nghĩa 4 tham số động học ($a_i, d_i, \alpha_i, \theta_i$) và xây dựng ma trận biến đổi thuần nhất $A_i$ và ma trận chuyển đổi tổng quát $T_n$.
  • Phân tích kiến trúc phần cứng của PLC, đặc điểm cấu tạo của CPU, bộ nhớ RAM/ROM, khối vào/ra số và tương tự (DI/DO/AI/AO). Giới thiệu đặc tính dòng PLC họ Q của Mitsubishi: cấu trúc module linh hoạt, tốc độ xử lý đạt 34 ns/lệnh, hỗ trợ tối đa 4096 I/O (mở rộng tới 8192 I/O), dung lượng chương trình tới 252k steps, cùng bảng tổng hợp phân loại dãy sản phẩm CPU cơ bản, CPU hiệu năng cao (Q02H, Q06H, Q12H, Q25H) và Motion CPU (Q172H, Q173H).
  • Giới thiệu cấu tạo và nguyên lý hoạt động của hệ thống AC Servo: cấu trúc Stator, Rotor nam châm vĩnh cửu, nguyên lý hoạt động của encoder quang; phân biệt encoder tuyệt đối và encoder tương đối về mặt lưu trữ vị trí khi mất điện; phân tích các mạch vòng điều khiển vị trí, tốc độ và mô-men trong bộ khuếch đại servo (Driver).
  • Trình bày lý thuyết điều khiển vị trí thông qua module QD75: phân tích chế độ chạy theo tọa độ tuyệt đối (Abs), chạy mức tăng gia số (Inc), phương pháp nội suy cung tròn 2 trục (dùng điểm phụ SP và dùng tâm CP), chức năng quay về điểm gốc OPR (Home Position Return), thiết lập giới hạn hành trình phần mềm (Upper/Lower limit) và công tắc hành trình cơ học (FLS/RLS).
  • Tổng quan về giao thức truyền thông mạng SSCNET III: phân tích sơ đồ nối dây cáp quang, khả năng chống nhiễu, cơ chế tự sửa đổi và bù dữ liệu lỗi, cùng các bảng số liệu so sánh tốc độ truyền dữ liệu và chiều dài kết nối giữa SSCNET III so với các chuẩn phát xung rời rạc thế hệ trước.

Chương 3: Yêu cầu điều khiển và phương pháp

Chương 3 trình bày các phương pháp tính toán kỹ thuật và cấu hình phần mềm cụ thể cho mô hình:

  • Mô tả chi tiết quy trình công nghệ vận hành của hệ thống từ khâu cấp phôi, nhận diện sản phẩm đến phân loại.
  • Triển khai thuật toán động học cho tay máy SCARA thực tế, tính toán chuyển đổi tọa độ điểm công tác sang các góc quay của các trục servo.
  • Thiết lập bảng thông số vận hành cho module điều khiển vị trí QD75MH: cài đặt đơn vị chuẩn (Unit setting - mm, độ hoặc xung), cài đặt số xung trên mỗi vòng quay (Number of pulses per rotation) tương ứng độ phân giải encoder, khoảng dịch chuyển trên mỗi vòng quay (Movement amount per rotation), giới hạn tốc độ tối đa (Speed limit value), chế độ xung ngõ ra (Pulse/sign, CW/CCW, Pulse/pulse) và hướng quay quy ước.
  • Xây dựng cấu trúc chương trình điều khiển PLC bằng ngôn ngữ Function Blocks kết hợp chương trình con P4, thiết kế lưu đồ giải thuật cho việc chọn chế độ hoạt động (Manual, Auto, JOG qua bộ phát xung tay) và lưu đồ khối xử lý tín hiệu phân loại.
  • Cấu hình truyền thông Ethernet cho module QJ71E71-100 để liên kết địa chỉ IP và cổng giao tiếp với Camera In-Sight Cognex 5110; thiết lập giao diện giám sát vận hành trên HMI GOT1000 và phần mềm SoftGOT2000.
  • Liệt kê chi tiết cấu hình và sơ đồ chân kết nối của các thiết bị thực tế: CPU Q06H, Driver MR-J3-B, module ngõ ra QY42P, ngõ vào QX42, module vị trí QD75MH, Aptomat bảo vệ, rơ le và bộ phát xung tay.

Chương 4: Thi công hệ thống

Chương 4 ghi lại toàn bộ quá trình thi công cơ khí và lắp đặt hệ thống điện:

  • Trình bày bản vẽ thiết kế 3D tổng thể cánh tay SCARA trên phần mềm SolidWorks. Chi tiết hóa từng bộ phận cơ khí: cấu tạo các tầng kết nối của trục 1; chi tiết cụm cơ khí trục 2; cơ cấu dẫn hướng và truyền động trục 3; kết cấu trục 4 và ổ đỡ động cơ điều khiển tay gắp; giá đỡ cụm kẹp/hút khí nén.
  • Gia công và lắp dựng hệ thống chân đế robot, giá đỡ camera Cognex, khung băng tải cấp phôi, giá đỡ máng trượt phân loại và bàn gá chi tiết; tổng hợp hình ảnh hoàn thiện cơ cấu cơ khí sau lắp ráp.
  • Thiết kế và thi công phần điện: xây dựng sơ đồ nguyên lý mạch động lực cấp nguồn AC/DC và mạch điều khiển; lắp đặt Aptomat bảo vệ; thi công kết nối dây cáp nguồn và cáp quang SSCNET III giữa các Driver MR-J3-B với module QD75MH; sơ đồ nối dây ngõ vào/ra số cho van điện từ khí nén, cảm biến, bộ phát xung tay và màn hình HMI; hoàn thiện việc bố trí, sắp xếp thiết bị bên trong tủ điện công nghiệp theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

Chương 5: Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 5 đúc kết các kết quả đạt được sau toàn bộ quá trình thực hiện đề tài và định hướng mở rộng:

  • Khẳng định nhóm sinh viên đã hoàn thành nhiệm vụ chế tạo thành công mô hình SCARA Robot kết hợp hệ thống cấp phôi và phân loại tự động; đồng bộ thành công mạng SSCNET III điều khiển đa trục servo và mạng Ethernet kết nối camera Cognex với PLC Mitsubishi Q-series; hệ thống hoạt động ổn định đúng quy trình điều khiển.
  • Đề xuất các hướng phát triển kỹ thuật trong tương lai để tối ưu hóa mô hình và nâng cao tính ứng dụng công nghiệp.

Kết quả và đóng góp

Khóa luận đã hoàn thành các nội dung kỹ thuật thực nghiệm dựa trên các số liệu và sản phẩm thực tế được chế tạo:

  • Chế tạo hoàn chỉnh phần cứng cơ khí: Thiết kế và gia công thành công mô hình SCARA Robot 4 bậc tự do kết hợp khâu chấp hành khí nén; tích hợp băng tải phôi, máng trượt phân loại và hệ thống tủ điện điều khiển đặt trên khung nhôm định hình.
  • Thiết lập mạng điều khiển đa trục servo qua SSCNET III: Tích hợp thành công module điều khiển vị trí QD75MH với các bộ khuếch đại servo MR-J3-B qua kết nối sợi quang học. Hệ thống thực thi chính xác các chuyển động điều khiển vị trí tuyệt đối (Abs), gia số (Inc) và chức năng quay về gốc OPR lưu giữ qua encoder tuyệt đối mà không cần thiết lập lại gốc sau khi mất điện.
  • Tích hợp thành công thị giác máy qua Ethernet: Module Ethernet QJ71E71-100 trên nền tảng PLC Mitsubishi Q06HCPU đã giao tiếp trực tiếp với camera công nghiệp Cognex In-Sight 5110; xử lý thành công việc đọc mã barcode của sản phẩm đang di chuyển, truyền chuỗi ký tự về PLC để giải thuật phân loại chẵn/lẻ theo đúng yêu cầu đề ra.
  • Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát toàn diện: Lập trình hoàn chỉnh hệ thống điều khiển PLC dạng module bằng các khối Function Blocks, phối hợp linh hoạt giữa chế độ tự động (Auto), chế độ thủ công (Manual) và chế độ JOG bằng bộ phát xung tay; thiết kế giao diện HMI trực quan trên màn hình GOT1000 và máy tính (SoftGOT2000) hiển thị đầy đủ thông số vị trí và trạng thái thiết bị theo thời gian thực.
  • Đóng góp về mặt giải pháp kỹ thuật: So với các đề tài nghiên cứu truyền thống thường sử dụng vi điều khiển rời rạc hoặc phát xung điều khiển bước (vòng hở), công trình này đã tiếp cận trực tiếp cấu trúc điều khiển công nghiệp tiêu chuẩn cao (PLC Q-series kết hợp mạng truyền thông cáp quang SSCNET III và camera công nghiệp Cognex), làm sáng tỏ phương pháp tích hợp mạng truyền thông đa tầng giữa thiết bị thị giác máy và bộ điều khiển chuyển động đa trục.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ trên các nội dung giới hạn và phân tích thực nghiệm trong văn bản, đồ án ghi nhận các hạn chế và hướng mở rộng:

  • Hạn chế của đề tài:
    • Hệ thống mới dừng lại ở quy mô mô hình thử nghiệm phòng thí nghiệm, chưa được vận hành kiểm chứng trong môi trường sản xuất công nghiệp liên tục với tải trọng lớn và rung lắc thực tế.
    • Khâu phân loại sản phẩm mới chỉ thực hiện trên tiêu chí mã vạch (barcode chẵn hoặc lẻ), chưa khai thác hết các công cụ xử lý ảnh nâng cao của camera Cognex như phân loại theo màu sắc, kích thước, khuyết tật bề mặt hoặc hình học phức tạp.
    • Cơ cấu cơ khí cánh tay robot tự chế tạo còn tồn tại dung sai gia công nhất định, gây ảnh hưởng đến độ chính xác lặp lại khi vận hành ở dải vận tốc tối đa của động cơ servo.
  • Hướng phát triển đề tài:
    • Mở rộng thuật toán xử lý ảnh trên camera Cognex để nhận diện đa dạng các đặc tính sản phẩm (phát hiện lỗi ngoại quan, phân loại nhiều chủng loại vật thể theo hình dáng và kích cỡ).
    • Tối ưu hóa thuật toán điều khiển động học và quỹ đạo nội suy bám bắt sản phẩm trên băng tải ở dải tốc độ cao hơn, giảm thời gian chu kỳ (cycle time) gắp và thả phôi.
    • Nghiên cứu kết nối hệ thống vào mạng quản trị sản xuất cấp cao (hệ thống SCADA toàn diện hoặc mạng MES) để thu thập dữ liệu sản xuất và giám sát từ xa qua nền tảng Internet of Things (IoT).

Giá trị tham khảo

Báo cáo đồ án tốt nghiệp này mang lại giá trị tham khảo chuyên môn rõ nét cho:

  • Sinh viên và giảng viên thuộc các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Kỹ thuật Cơ điện tử, và Kỹ thuật Robot: Đồ án là tài liệu tham khảo chi tiết về quy trình thiết kế, tính toán động học robot SCARA dựa trên giải thuật Denavit - Hartenberg (D-H) và phương pháp gia công lắp ráp cơ khí thực tế.
  • Kỹ sư nghiên cứu và phát triển hệ thống điều khiển chuyển động: Cung cấp tài liệu cấu hình tham số thực tế, phương pháp kết nối phần cứng và lập trình cho dòng PLC Mitsubishi họ Q (Q06HCPU), module điều khiển vị trí QD75MH, chuẩn giao tiếp cáp quang SSCNET III kết nối với driver MR-J3-B, cũng như cách thiết lập thông số OPR, Jogging bằng bộ phát xung tay.
  • Cán bộ kỹ thuật tích hợp hệ thống thị giác máy: Phần hướng dẫn cấu hình phần mềm In-Sight Explorer và thiết lập giao tiếp mạng Ethernet giữa camera Cognex In-Sight 5110 với module QJ71E71-100 là tài liệu hữu ích cho việc xây dựng các ứng dụng nhận dạng mã vạch và phân loại sản phẩm trên dây chuyền tự động.

Câu hỏi thường gặp

Hệ thống sử dụng cấu hình phần cứng trung tâm nào để điều khiển chuyển động và phân loại?

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi Q06HCPU (thuộc dòng Q-series, bộ nhớ chương trình 60k steps) kết hợp với module điều khiển vị trí QD75MH (phiên bản QD75MH1/QD75MH4) tương thích mạng truyền thông quang SSCNET III, các module mở rộng ngõ vào/ra số QX42/QY42P, và module truyền thông mạng Ethernet QJ71E71-100.

Giao thức SSCNET III mang lại những ưu điểm kỹ thuật gì so với phương pháp điều khiển servo phát xung truyền thống?

Chuẩn SSCNET III sử dụng cáp quang nối tiếp kết nối trực tiếp bộ điều khiển QD75MH với các driver servo MR-J3-B theo sơ đồ chuỗi. Phương pháp này giúp giảm tới 80% khối lượng dây nối tín hiệu so với mạch phát xung rời rạc, nâng cao khả năng chống nhiễu điện từ vượt trội, cho phép truyền nhận dữ liệu trạng thái hai chiều với tốc độ cao, hỗ trợ tự động bù/thay thế dữ liệu lỗi và quản lý tập trung toàn bộ tham số servo từ PLC.

Động cơ servo MR-J3 duy trì và khôi phục dữ liệu vị trí như thế nào khi hệ thống bị mất điện đột ngột?

Động cơ servo MR-J3 sử dụng bộ mã hóa xung tuyệt đối (Absolute Encoder) được tích hợp pin siêu tụ điện (nối qua cổng CN4 trên driver). Nhờ nguồn nuôi này, đĩa mã hóa nhị phân đa rãnh vẫn ghi nhớ được chính xác vị trí góc quay và số vòng quay của trục động cơ khi mất nguồn. Khi hệ thống được cấp điện trở lại, module QD75MH đọc trực tiếp tọa độ hiện tại mà không yêu cầu robot phải thực hiện lại chu trình chạy tìm điểm gốc (Home Position Return - OPR).

Camera công nghiệp Cognex In-Sight 5110 kết nối với PLC qua chuẩn nào và thực hiện nhiệm vụ gì trong mô hình?

Camera Cognex In-Sight 5110 được kết nối trực tiếp với PLC Q06HCPU thông qua module mạng Ethernet QJ71E71-100. Nhiệm vụ của camera là giám sát vùng không gian trên băng tải, chụp ảnh phôi mẫu khi đi qua vùng kiểm tra, nhận dạng và giải mã mã vạch (barcode) dán trên sản phẩm, sau đó truyền chuỗi dữ liệu kết quả về PLC để giải thuật phân loại sản phẩm theo giá trị chẵn hoặc lẻ.

Phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H) được ứng dụng trong đồ án nhằm mục đích gì?

Phương pháp Denavit - Hartenberg (D-H, 1955) được sử dụng để thiết lập hệ tọa độ quy chuẩn trên các khâu và khớp của cánh tay SCARA. Thông qua việc xác định bộ 4 thông số hình học ($a_i, d_i, \alpha_i, \theta_i$) và nhân các ma trận biến đổi thuần nhất $A_i$, tác giả giải quyết bài toán động học thuận (xác định tọa độ vị trí và hướng của đầu kẹp từ các góc quay của khớp) và bài toán động học nghịch (tính toán các góc quay cần thiết của servo để đầu kẹp di chuyển chính xác đến tọa độ sản phẩm trên băng tải).

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "ROBOT phân loại sản phẩm kết hợp PLC và AC servo" của nhóm tác giả Trần Hà Đức Cảnh và Lê Đức Anh đã thiết kế, chế tạo và thử nghiệm thành công mô hình cánh tay robot SCARA kết hợp thị giác máy phục vụ phân loại sản phẩm tự động. Công trình đã tích hợp đồng bộ nền tảng PLC Mitsubishi Q06HCPU với mạng điều khiển chuyển động cáp quang SSCNET III (kết nối driver MR-J3-B và động cơ servo) cùng mạng truyền thông Ethernet liên kết camera công nghiệp Cognex In-Sight 5110. Kết quả thực nghiệm khẳng định tính khả thi của giải pháp trong việc đồng bộ hóa dữ liệu nhận dạng barcode chẵn/lẻ để điều khiển robot bám bắt, gắp và phân loại chính xác phôi chuyển động trên băng tải, tạo nguồn tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho sinh viên và kỹ sư ngành Điều khiển và Tự động hóa.