Đồ án mô hình robot điều khiển gắp và đặt sản phẩm chính xác tại ĐH Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM

Tìm hiểu mô hình điều khiển robot gắp và đặt sản phẩm chính xác. Phân tích nguyên lý hoạt động, công nghệ thị giác máy và giải pháp tối ưu cho sản xuất.

• Tác giả: Lê Ngọc Anh Tuấn
• Người hướng dẫn: ThS. Lê Hoàng Lâm
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ kỹ thuật điện, điện tử
• Đề tài: Robotic Control Model “Pick and Place” Products Accurately
• Loại tài liệu: Khóa luận tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan robot điều khiển gắp đặt sản phẩm chính xác

Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM tập trung xây dựng mô hình cánh tay robot gắp và đặt tự động. Đồ án do sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử thực hiện dưới sự hướng dẫn của giảng viên chuyên môn. Hệ thống nhằm giải quyết nhu cầu tự động hóa trong các nhà máy sản xuất hiện đại. Cánh tay cơ khí chuyển động linh hoạt qua các khớp nối quay. Bộ truyền động tích hợp động cơ bước và động cơ servo giúp định vị chuẩn xác. Cảm biến quang học phát hiện phôi trên băng chuyền cấp liệu. Khí nén cung cấp lực kẹp mạnh mẽ cho cơ cấu gắp cuối. Hệ thống xử lý thông tin nhanh chóng và đưa ra lệnh điều khiển chuẩn xác. Thiết bị vận hành bền bỉ theo chu kỳ khép kín liên tục. Toàn bộ quy trình loại bỏ hoàn toàn các sai số do thao tác thủ công. Công trình khẳng định năng lực ứng dụng kiến thức điều khiển tự động vào thực tiễn kỹ thuật. Mô hình này đóng vai trò nền tảng cho nhiều giải pháp dây chuyền thông minh sau này.

1.1. Mục tiêu và bối cảnh nghiên cứu đề tài

Môi trường công nghiệp đòi hỏi tốc độ phân loại hàng hóa ngày càng cao. Quá trình lao động thủ công bộc lộ nhiều điểm nghẽn về năng suất và độ an toàn. Nghiên cứu tại ĐH SPKT TP.HCM nhằm thiết kế một hệ thống gắp đặt ổn định. Mô hình hướng đến việc tối ưu hóa chu kỳ làm việc trên dây chuyền công nghiệp. Cánh tay cơ khí phải nhặt vật thể đúng vị trí và chuyển đến khay chứa quy định. Sinh viên nghiên cứu phối hợp lý thuyết động học với công nghệ điều khiển phần cứng. Đề tài cung cấp tài liệu kỹ thuật hữu ích cho sinh viên khối ngành kỹ thuật. Kết quả thử nghiệm chứng minh tiềm năng mở rộng vào thực tế sản xuất.

1.2. Cấu trúc phần cứng của cánh tay robot

Cấu trúc vật lý của mô hình bao gồm khung đế, khớp truyền động và tay kẹp. Khung cơ khí gia công từ hợp kim nhôm cứng cáp giúp giảm trọng lượng tổng thể. Các khớp quay sử dụng trục bạc đạn chịu lực cao nhằm giảm thiểu ma sát. Động cơ bước điều khiển góc quay với độ chia bước cực nhỏ. Cơ cấu gắp sử dụng xi lanh khí nén tác động kép hoặc kẹp servo chuyên dụng. Bộ phận kẹp giữ vật thể chắc chắn mà không gây biến dạng bề mặt phôi. Hệ thống dây dẫn bố trí gọn gàng dọc theo thân cánh tay để chống xoắn gập. Toàn bộ kết cấu mang lại tính ổn định cao trong suốt hành trình thao tác lặp lại.

II. Thách thức mô hình robot điều khiển gắp đặt sản phẩm chính xác

Quá trình chế tạo mô hình robot gắp đặt đặt ra nhiều thách thức kỹ thuật phức tạp. Vấn đề cốt lõi nằm ở độ sai lệch vị trí sau nhiều vòng quay lặp lại. Sai số cơ khí từ bánh răng và trục khớp thường tích lũy theo thời gian vận hành. Hiện tượng rung lắc khi robot dừng đột ngột làm rơi phôi hoặc xê dịch tọa độ gắp. Nhiễu điện từ do nguồn công suất cũng gây gián đoạn đường truyền tín hiệu điều khiển. Cảm biến tiếp nhận dữ liệu có thể đưa thông tin sai lệch nếu môi trường có ánh sáng biến động. Đội ngũ nghiên cứu cần tính toán chính xác phương trình động học ngược cho từng bậc tự do. Việc phối hợp mượt mà giữa các trục đòi hỏi thuật toán điều khiển cực kỳ khắt khe. Ngoài ra, chi phí phần cứng công nghiệp thường vượt quá ngân sách nghiên cứu thông thường. Bài toán đặt ra là phải đảm bảo tính chuẩn xác nhưng vẫn duy trì giá thành chế tạo hợp lý.

2.1. Vấn đề sai số tích lũy và phản hồi vị trí

Trong điều khiển chuyển động, việc thiếu phản hồi vị trí tức thời tạo ra sai số lớn. Động cơ bước chạy theo vòng hở dễ bị mất bước khi gặp tải trọng nặng. Hiện tượng trượt bước khiến robot gắp trượt mục tiêu hoặc va chạm vào thành băng tải. Sự tích lũy sai lệch góc quay sau hàng nghìn chu kỳ gây hỏng hóc sản phẩm. Do đó, hệ thống bắt buộc phải tích hợp cảm biến đo góc chuyên dụng như encoder. Thiết bị phản hồi tín hiệu vị trí liên tục về vi xử lý trung tâm để hiệu chỉnh tức thì. Khâu cân chỉnh phần cứng đòi hỏi sự đồng bộ chặt chẽ giữa trục quay và cảm biến phản hồi.

2.2. Hạn chế về tốc độ và tải trọng thao tác

Trọng lượng của cánh tay robot ảnh hưởng trực tiếp đến quán tính chuyển động. Khi cánh tay mang vật nặng, lực quán tính làm tăng thời gian ổn định tại điểm dừng. Nếu tăng tốc độ di chuyển quá mức, cơ cấu kẹp dễ đánh rơi sản phẩm trên đường đi. Ngược lại, việc giảm tốc độ lại làm giảm năng suất tổng thể của toàn bộ dây chuyền. Đội ngũ nghiên cứu phải tìm điểm cân bằng giữa vận tốc cực đại và tải trọng cho phép. Khớp nối cơ khí cũng chịu ứng suất uốn lớn nếu cánh tay vươn ra tầm với xa nhất. Việc tính toán độ bền vật liệu và chọn động cơ có mô-men xoắn thích hợp là yêu cầu bắt buộc.

III. Phương pháp vận hành robot điều khiển gắp đặt sản phẩm chính xác

Giải pháp điều khiển dựa trên bộ lập trình PLC Mitsubishi Q-series kết hợp cảm biến vòng quay encoder. Dòng PLC Q-series mang lại khả năng xử lý logic tốc độ cao và cấu hình module linh hoạt. Khối CPU tiếp nhận trạng thái ngõ vào từ công tắc hành trình và mắt đọc cảm biến quang. Chương trình điều khiển thực hiện thuật toán nội suy quỹ đạo chuyển động mượt mà cho từng khớp. Động cơ điều khiển nhận xung tần số cao từ module phát xung chuyên dụng của bộ PLC. Cơ cấu chấp hành di chuyển bám sát quỹ đạo đã lập trình sẵn mà không bị giật cục. Đồng thời, bộ mã hóa encoder liên tục giám sát tọa độ thực tế của từng trục động cơ. Khi xảy ra sai lệch góc quay, PLC lập tức tính toán bù xung theo thuật toán kín. Giao diện điều khiển HMI cho phép người vận hành giám sát chu trình và cài đặt tham số trực quan. Nhờ đó, hệ thống đạt tốc độ xử lý nhanh, vận hành chính xác và duy trì độ tin cậy tuyệt đối.

3.1. Ứng dụng PLC Mitsubishi Q series trong điều khiển

Bộ PLC Mitsubishi Q-series đóng vai trò hạt nhân xử lý toàn bộ logic hệ thống. Thiết bị đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào, thực hiện lệnh logic và xuất tín hiệu ngõ ra đồng thời. Khả năng mở rộng module định vị trục giúp thiết bị điều khiển đa trục chuyển động đồng bộ. Bộ nhớ chương trình lớn cho phép lưu trữ nhiều công thức gắp đặt và các thông số vị trí khác nhau. Tốc độ quét vòng lặp chỉ tính bằng micro giây giúp hệ thống phản ứng tức thời trước mọi thay đổi. PLC cũng tích hợp các cơ chế bảo vệ an toàn ngắt khẩn cấp khi phát hiện vật cản. Tính năng chẩn đoán lỗi phần cứng hỗ trợ kỹ thuật viên khắc phục sự cố nhanh chóng.

3.2. Vai trò của Encoder tuyệt đối và tương đối

Cảm biến mã hóa vòng quay encoder đóng vai trò phản hồi vị trí góc với độ chuẩn xác cao. Encoder tương đối phát tín hiệu xung liên tục theo chu kỳ quay để đo quãng đường dịch chuyển. Loại cảm biến này có giá thành phải chăng và phù hợp cho các phép đo vận tốc góc. Trong khi đó, encoder tuyệt đối sử dụng đĩa mã hóa nhị phân hoặc mã Gray trên từng dải quang. Ưu điểm nổi bật của encoder tuyệt đối là duy trì giá trị tọa độ gốc ngay cả khi mất nguồn điện. Tín hiệu số truyền thẳng về PLC giúp hệ thống không cần thực hiện chu trình tìm điểm gốc sau sự cố. Sự kết hợp này bảo đảm tay gắp luôn định vị trúng tâm sản phẩm.

IV. Đánh giá ứng dụng robot điều khiển gắp đặt sản phẩm chính xác

Mô hình thử nghiệm tại ĐH SPKT TP.HCM chứng minh tính hiệu quả vượt trội trong thực nghiệm gắp đặt. Độ lệch tọa độ khi gắp và thả sản phẩm nằm trong giới hạn dung sai cơ khí cho phép. Tốc độ làm việc ổn định của robot đáp ứng tốt yêu cầu nhịp chuyền trong công nghiệp đóng gói. Cánh tay thực hiện hàng nghìn chu kỳ gắp liên tục mà không xuất hiện lỗi lệch bước tích lũy. Mô hình có khả năng tùy biến linh hoạt để xử lý các loại bao bì và linh kiện khác nhau. Thiết kế module hóa cho phép tích hợp thêm hệ thống xử lý ảnh công nghiệp để nhận diện màu sắc. Chi phí chế tạo mô hình thấp hơn đáng kể so với việc nhập khẩu các cánh tay robot nguyên chiếc. Thành công của đồ án mở ra giải pháp tự động hóa thiết thực cho các doanh nghiệp vừa và nhỏ. Đây cũng là công cụ trực quan phục vụ công tác giảng dạy chuyên sâu ngành cơ điện tử và tự động hóa.

4.1. Hiệu quả vận hành trong dây chuyền sản xuất

Việc triển khai cánh tay robot gắp đặt giúp cắt giảm thời gian chết trên dây chuyền sản xuất. Hệ thống hoạt động liên tục suốt ngày đêm mà không gặp sự suy giảm về độ chính xác cơ học. Tỷ lệ sản phẩm lỗi do va đập hoặc rơi rớt giảm xuống mức tối thiểu. Năng suất phân loại chi tiết tăng gấp nhiều lần so với thao tác thủ công của công nhân. Môi trường làm việc độc hại hoặc nhiệt độ cao không còn đe dọa đến sức khỏe người lao động. Dây chuyền sản xuất vận hành nhịp nhàng nhờ khả năng đồng bộ tín hiệu trực tiếp giữa robot và băng tải. Doanh nghiệp dễ dàng kiểm soát sản lượng đầu ra theo từng ca làm việc.

4.2. Tiềm năng phát triển và tích hợp trí tuệ nhân tạo

Hướng phát triển tiếp theo của mô hình là tích hợp camera thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo. Thuật toán học sâu giúp robot nhận diện phôi ngẫu nhiên trên băng tải chuyển động tự do. Cánh tay có thể tính toán quỹ đạo gắp thông minh mà không phụ thuộc vào vị trí phôi cố định. Việc kết nối mạng công nghiệp IoT cho phép quản lý và giám sát trạng thái thiết bị từ xa. Dữ liệu vận hành được lưu trữ trên nền tảng đám mây để dự đoán sớm các hư hỏng cơ khí. Mô hình robot gắp đặt tại ĐH SPKT TP.HCM thể hiện tính khả thi cao trong lộ trình hiện đại hóa nhà máy thông minh.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong xu thế công nghiệp hóa và hiện đại hóa sản xuất, các giải pháp tự động hóa ngày càng đóng vai trò then chốt nhằm nâng cấp năng suất, bảo đảm tính linh hoạt và giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công. Tại các nhà máy chế tạo thiết bị điện tử, vi mạch và phụ tùng cơ khí chính xác, nhu cầu vận chuyển, nhận dạng và bốc xếp sản phẩm (pick and place) đòi hỏi hệ thống cơ điện tử phải đạt tốc độ cao, khả năng đồng bộ chuyển động liên tục và độ định vị chính xác ở mức tuyệt đối. Các hệ thống truyền động truyền thống sử dụng rơ-le hoặc động cơ không đồng bộ thông thường không thể đáp ứng được các tiêu chuẩn định vị khắt khe này. Sự kết hợp giữa bộ điều khiển lập trình logic (PLC), hệ thống truyền động động cơ servo nhiều bậc tự do, công nghệ nhận dạng mã vạch công nghiệp và giao diện người - máy (HMI) là định hướng kỹ thuật tiêu biểu trong các dây chuyền phân loại tự động hiện đại.

Đồ án tốt nghiệp "Robotic Control Model 'Pick and Place' Products Accurately" do sinh viên Lê Ngọc Anh Tuấn và Lê Quốc Tuấn thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Lê Hoàng Lâm tại Khoa Đào tạo Chất lượng cao, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (tháng 12 năm 2022) tập trung giải quyết bài toán thiết kế, chế tạo và lập trình điều khiển mô hình phân loại - gắp đặt sản phẩm. Các mục tiêu và nhiệm vụ kỹ thuật cụ thể được xác định trong văn bản gồm:

1. Thiết kế và vận hành mô hình cơ điện tử có khả năng nhận dạng, phân loại mã vạch trên băng chuyền; sử dụng cơ cấu trục nâng thẳng đứng mang nam châm điện để hút và gắp sản phẩm đã phân loại, sau đó đặt chính xác vào các tọa độ quy định trên bàn chứa phôi.
2. Xây dựng hệ thống điều khiển chuyển động không gian 3 trục (X-Y-Z) kết hợp 1 trục băng tải dẫn động bằng 4 động cơ servo cùng 4 bộ điều khiển Servo Drive Mitsubishi; tích hợp đầu đọc mã vạch công nghiệp hiển thị dữ liệu và giám sát trạng thái vận hành trên máy tính thông qua phần mềm HMI GT SoftGOT2000.
3. Ứng dụng cấu hình phần cứng điều khiển PLC Mitsubishi dòng Q-series gồm 3 module chức năng trọng tâm: module định vị vị trí đa trục chuyên dụng QD75MH4, module ngõ vào số QX40-S1 và module ngõ ra số bán dẫn QY80 nhằm đảm nhiệm chức năng xử lý tín hiệu trung tâm, truyền thông quang học và phát lệnh điều khiển đến các bộ truyền động.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là mô hình cánh tay robot giàn Cartesian 3 trục (X-Y-Z) kết hợp băng tải cấp phôi, cơ cấu gắp bằng nam châm điện và thiết bị quét mã vạch nhận diện sản phẩm. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở việc thiết kế, gia công lắp ráp cơ khí - tủ điện ở quy mô mô hình thực nghiệm phòng thí nghiệm; phân loại sản phẩm dựa trên mã vạch 1D/2D; lập trình điều khiển chuyển động vị trí điểm - điểm (Point-to-Point) cho 4 trục truyền động bằng phần mềm GX Works2 và mô phỏng giám sát trên nền tảng GT SoftGOT2000.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển tự động hóa công nghiệp, kỹ thuật truyền động số và mạng truyền thông trường. Các khối lý thuyết và nền tảng công nghệ chính được tác giả hệ thống hóa bao gồm:

• Hệ thống điều khiển khả trình PLC Mitsubishi dòng MELSEC-Q: Cấu trúc phần cứng dạng module (Modular PLC) gắn trên rack cơ sở (Base Unit), chu trình quét lệnh xử lý ở tốc độ cao (đạt mức 34 ns/lệnh logic), khả năng quản lý mở rộng tối đa lên tới 4.096 I/O (hoặc 8.192 I/O cấu hình mở rộng) và dung lượng bộ nhớ chương trình lên đến 252.000 bước lệnh.
• Hệ thống truyền động AC Servo Mitsubishi MELSERVO-J3: Nguyên lý điều khiển vòng kín (closed-loop control) kết hợp phản hồi vị trí và vận tốc từ encoder về servo amplifier (MR-J3-B). Bộ điều khiển servo hỗ trợ ba chế độ: điều khiển vị trí (Position control), điều khiển tốc độ (Speed control) và điều khiển mô-men (Torque control). Động cơ servo dòng HF-KP tích hợp bộ mã hóa xung vòng quay tuyệt đối (Absolute Encoder) với độ phân giải 262.144 xung/vòng (18-bit), tần số đáp ứng vòng tốc độ đạt 900 Hz và hỗ trợ lệnh phát xung đầu vào lên đến 1 Mpps.
• Lý thuyết cảm biến mã hóa vị trí (Encoder): Cấu tạo, nguyên lý quang học và đặc tính vận hành của hai dòng encoder thông dụng: Encoder tương đối (Incremental Encoder) và Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder); vai trò lưu giữ tọa độ gốc không phụ thuộc vào nguồn điện cấp khi trang bị pin dự phòng cho servo driver.
• Chuẩn mạng truyền thông quang SSCNET III: Giao thức kết nối quang học giữa module định vị QD75MH4 và các servo amplifier dòng MR-J3-B với chu kỳ truyền thông đồng bộ đạt 0,888 ms, cho phép triệt tiêu hiện tượng nhiễu xung điện từ và giảm thiểu dây dẫn tín hiệu điều khiển.
• Nền tảng giao diện người - máy HMI SoftGOT2000: Nguyên lý tích hợp giao thức giám sát điều khiển từ máy tính cá nhân mô phỏng màn hình vận hành công nghiệp thông qua phần mềm GT Designer3 và trình thực thi GT SoftGOT2000 kết nối với PLC.

Về phương pháp thực hiện, tác giả phối hợp hai phương pháp kỹ thuật thực tế:

• Phương pháp phân tích - tổng hợp lý thuyết: Thu thập, đối chiếu tài liệu kỹ thuật chuyên hãng (Manual của Mitsubishi Electric, Cognex, Omron); tổng hợp các nguyên lý toán học điều khiển chuyển động, xác định quan hệ giữa số xung phát ra từ module điều khiển và độ dịch chuyển cơ học (tính toán bước ren trục vít me bi, tỷ số truyền cơ khí).
• Phương pháp thực nghiệm thiết kế - chế tạo kỹ thuật: Khảo sát các cơ cấu máy phân loại thực tế; tính toán lựa chọn thiết bị phần cứng; thiết kế cơ khí khung mô hình 3 trục X-Y-Z và băng chuyền; thi công lắp đặt mạch điện nguồn, mạch tín hiệu I/O và mạng cáp quang; xây dựng thuật toán điều khiển tuần tự, viết chương trình bậc thang (Ladder Diagram) trên phần mềm GX Works2; cấu hình bảng thông số chuyển động Positioning Data; thiết kế giao diện HMI và tiến hành chạy thử nghiệm phân loại sản phẩm thực tế theo mã vạch.

Nguồn dữ liệu sử dụng trong đồ án bao gồm bảng thông số kỹ thuật tiêu chuẩn của thiết bị điện tử - công nghiệp do các nhà sản xuất công bố, tập lệnh kỹ thuật của hệ PLC Q-series, cùng các dữ liệu tọa độ vị trí, thời gian đáp ứng và trạng thái cảm biến ghi nhận trực tiếp trên mô hình thực nghiệm tại phòng thí nghiệm.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống điều khiển mô hình phân loại và gắp đặt sản phẩm được thiết kế tổng thể gồm 5 khối chức năng chính: khối cấp nguồn và rơ-le trung gian, khối điều khiển trung tâm PLC, khối điều khiển truyền động Servo Drive, khối chấp hành động cơ Servo và khối cảm biến cùng đầu đọc mã vạch.

Khối chức năng	Mã thiết bị / Cấu hình kỹ thuật	Chức năng trong hệ thống
Khối nguồn nuôi	Bộ nguồn chuyển mạch 24V DC; Khối rơ-le cách ly tín hiệu	Cung cấp điện áp một chiều 24V ổn định cho hệ thống điều khiển, cảm biến, van điện từ và mạch I/O
CPU điều khiển	Mitsubishi Q00JCPU tích hợp trên Base Unit	Đảm nhiệm xử lý logic trung tâm, điều hành chương trình bậc thang, tính toán chu trình gắp đặt
Module định vị	Mitsubishi QD75MH4 (4 trục điều khiển qua mạng SSCNET III)	Phát lệnh vị trí độc lập cho 4 trục servo (Băng tải, trục X, trục Y, trục Z) với chu kỳ truyền thông sợi quang 0,888 ms
Module ngõ vào	Mitsubishi QX40-S1 (32 ngõ vào số 24V DC, kiểu Sink)	Thu nhận tín hiệu từ cảm biến quang, cảm biến tiệm cận, nút bấm điều khiển vật lý
Module ngõ ra	Mitsubishi QY80 (16 ngõ ra bán dẫn Transistor 12-24V DC, kiểu Sink)	Xuất lệnh điều khiển kích hoạt rơ-le trung gian, điều khiển nam châm điện và đèn báo trạng thái
Bộ khuếch đại servo	04 bộ Mitsubishi MR-J3-B (Giao tiếp mạng SSCNET III)	Nhận lệnh điều khiển từ QD75MH4 qua cáp quang, cấp dòng điều khiển mô-men, tốc độ và vị trí cho động cơ
Động cơ chấp hành	04 động cơ AC Servo Mitsubishi dòng HF-KP (Absolute Encoder 262.144 xung/vòng)	Dẫn động 3 trục vít me bi (X, Y, Z) và dẫn động trục băng chuyền cấp phôi
Đầu đọc mã vạch	Cognex DataMan 70 (DM70 Series)	Đọc mã vạch gắn trên phôi di chuyển trên băng tải, xuất dữ liệu mã vạch về hệ thống xử lý
Cảm biến hành trình	Omron EE-SX672 (Quang điện); APM-D3A1 (Tiệm cận); Omron E3XR-CE4	Xác định vị trí giới hạn hành trình các trục, xác định điểm gốc Zero (Home) và phát hiện phôi trên băng tải
Cơ cấu gắp phôi	Ống nâng trục Z trang bị nam châm điện (Electromagnet)	Hút và nhả các chi tiết phôi nhiễm từ trong quá trình bốc dỡ sản phẩm

Về thiết kế cơ khí, hệ thống sử dụng kết cấu khung nhôm định hình kết hợp hệ thống dẫn hướng tuyến tính và trục vít me bi cho cả ba trục tọa độ X, Y, Z. Trục X đảm nhiệm hành trình di chuyển ngang dọc theo phương băng tải; trục Y di chuyển vuông góc để đưa cơ cấu đến bàn chứa phôi; trục Z điều khiển chuyển động tịnh tiến thẳng đứng mang đầu hút nam châm điện nâng hạ sản phẩm. Động cơ servo trục 1 được ghép nối trực tiếp vào tang trống của băng tải để điều khiển cấp phôi tuần tự theo vị trí quét của camera Cognex DataMan 70.

Về phương diện triển khai mạng và dây dẫn: Toàn bộ 4 bộ Servo Drive MR-J3-B được kết nối nối tiếp (daisy chain) với module QD75MH4 qua các sợi cáp quang chuyên dụng SSCNET III. Giải pháp này loại bỏ hoàn toàn các bó dây phát xung tốc độ cao phức tạp vốn dễ bị can nhiễu công nghiệp trong phương pháp phát xung thông thường (CW/CCW hoặc Pulse/Direction). Các tín hiệu cảm biến hành trình giới hạn (Upper limit, Lower limit) và cảm biến vị trí Home (OMRON EE-SX672) được đấu dây trực tiếp về các chân ngõ vào chuyên dụng của module QD75MH4 hoặc thông qua module mở rộng QX40-S1 để thực hiện chức năng bảo vệ an toàn hành trình bằng cả phần cứng lẫn thông số phần mềm.

Nội dung chính theo từng chương

Chapter 1: Introduction

Chương mở đầu trình bày tổng quan về tính cấp thiết của đề tài trong bối cảnh tự động hóa quy trình phân loại sản phẩm công nghiệp. Tác giả nêu rõ mục tiêu thiết kế và chế tạo hoàn chỉnh mô hình gắp đặt sản phẩm chính xác dựa trên mã vạch, sử dụng 4 động cơ servo phối hợp hệ thống điều khiển PLC dòng Q. Chương này xác định các phương pháp nghiên cứu áp dụng (nghiên cứu lý thuyết kết hợp chế tạo thực nghiệm), đồng thời vạch rõ giới hạn đề tài ở mô hình thực nghiệm 3 trục cơ khí kết hợp băng chuyền tải, sử dụng nam châm điện gắp phôi định vị trên cơ sở phân tích mã vạch.

Chapter 2: Theoretical Basis

Chương 2 cung cấp cơ sở lý thuyết chi tiết về các thiết bị phần cứng tự động hóa. Nội dung tập trung phân tích cấu trúc phần cứng, phân loại (Compact PLC và Modular PLC), ưu nhược điểm và nguyên lý quét vòng lặp của PLC Mitsubishi dòng MELSEC-Q; các bảng thông số kỹ thuật của CPU (Q00JCPU, Q02HCPU...), module nguồn cấp (Q61P, Q62P, Q63P), module ngõ vào số (QX40, QX40-S1, QX80) và module ngõ ra số (QY10, QY80). Tiếp đó, chương phân tích nguyên lý hoạt động của động cơ AC Servo, cấu trúc điều khiển phản hồi kín, phân loại servo (quay góc giới hạn, quay liên tục, tuyến tính) và ứng dụng thực tiễn trong công nghiệp. Trọng tâm của chương đi sâu vào bộ điều khiển Servo Drive MR-J3 (các phiên bản MR-J3-A điều khiển xung/tương tự và MR-J3-B giao tiếp mạng quang SSCNET III), thông số phát xung (Pulse/Signal, CW/CCW, Pulse/Pulse), quy trình thiết lập điểm Home (Zero Point Return), cùng cấu tạo, phân loại của bộ mã hóa xung quang học (Encoder tuyệt đối và tương đối). Cuối cùng, tác giả giới thiệu phần mềm giám sát HMI GT SoftGOT2000 và phương thức kết nối điều khiển trên máy tính.

Chapter 3: Design and Construction

Chương 3 trình bày chi tiết quá trình tính toán, thiết kế và thi công phần cứng mô hình. Tác giả lập sơ đồ khối chức năng của hệ thống (gồm khối nguồn, khối điều khiển PLC, khối servo drive, khối động cơ servo, khối đầu đọc mã vạch Cognex DM70, và khối cảm biến quang/tiệm cận Omron). Nội dung chương công bố các bảng thông số kỹ thuật chi tiết của từng thiết bị được lựa chọn: đế Base Unit, CPU Q00JCPU, module định vị QD75MH4, module QX40-S1, QY80, bộ nguồn 24V DC, servo drive MR-J3-B, động cơ HF-KP, cảm biến quang điện OMRON EE-SX672, cảm biến tiệm cận APM-D3A1 và cảm biến OMRON E3XR-CE4. Phần tiếp theo của chương cung cấp toàn bộ sơ đồ chân, sơ đồ đấu nối dây thực tế giữa PLC, module vào/ra, rơ-le trung gian, module định vị QD75MH4 với 4 bộ driver servo qua mạng cáp quang. Bản vẽ bố trí mặt bằng thiết bị (Layout) và hình ảnh thực tế của mô hình sau khi gia công hoàn thiện (các góc chụp trước, sau và cạnh bên) được trình bày đầy đủ nhằm chứng minh tính khả thi cơ khí của hệ thống 3 trục X-Y-Z kết hợp băng tải.

Chapter 4: Program, Control and Analysis

Chương 4 là phần nội dung trọng tâm về mặt điều khiển học và thuật toán. Tác giả xây dựng lưu đồ thuật toán chi tiết cho chương trình chính (Main program) và các chương trình con (Sub program), phân định rõ chu trình vận hành ở hai chế độ: Chế độ thủ công (Manual Mode) phục vụ kiểm tra thiết bị, kích hoạt từng trục chuyển động, chạy JOG, tìm điểm gốc Home; và Chế độ tự động (Auto Mode) vận hành tuần tự theo chu trình nhận diện mã vạch - phân loại - gắp - đặt phôi. Chương này hướng dẫn chi tiết quy trình cấu hình tham số hệ thống trên các phần mềm chuyên dụng:

• Thiết lập thông số PLC Parameters trên phần mềm GX Works2 cho CPU Q00JCPU.
• Thiết lập các thông số điều khiển chuyển động chi tiết cho module định vị QD75MH4: cấu hình đơn vị điều khiển (pulse, mm, inch, degree), bước dịch chuyển trên mỗi vòng quay, tốc độ định vị tối đa, thời gian tăng/giảm tốc, kiểu hồi gốc Home cho từng trục riêng biệt (Trục 1: Băng tải; Trục 2: Trục X; Trục 3: Trục Y; Trục 4: Trục Z).
• Thiết lập thông số cho Servo Drive MR-J3-B (Servo Parameters) và bảng dữ liệu vị trí (Positioning Axis Data) với các giá trị tọa độ định vị điểm - điểm cho từng ngăn chứa phôi trên bàn phân loại.
• Toàn bộ chương trình điều khiển dạng sơ đồ bậc thang (Ladder Diagram) được hiển thị minh bạch kèm địa chỉ bit/thanh ghi cụ thể.
• Thiết kế giao diện giám sát HMI trên phần mềm GT Designer3 và chạy trên nền tảng GT SoftGOT2000, bao gồm màn hình chính (Main Screen), màn hình điều khiển bằng tay (Manual Mode Screen) hiển thị trạng thái tọa độ thực tế và màn hình vận hành tự động (Auto Mode Screen).

Chapter 5: Results

Chương 5 tóm tắt và đánh giá kết quả đạt được sau khi chạy thử nghiệm toàn bộ hệ thống. Mô hình phần cứng hoàn thiện đáp ứng tốt các yêu cầu thiết kế ban đầu: kết cấu cơ khí hoạt động ổn định, không có hiện tượng kẹt cơ hoặc rung lắc mạnh khi đổi chiều chuyển động; mạng truyền thông quang SSCNET III duy trì kết nối liên tục, không xảy ra lỗi truyền thông ngắt quãng giữa QD75MH4 và 4 servo drive; đầu đọc mã vạch Cognex DataMan 70 nhận dạng chính xác mã sản phẩm trên băng chuyền; cơ cấu nam châm điện thực hiện chuẩn xác thao tác hút giữ phôi và thả phôi vào đúng ô tọa độ quy định trên bàn chứa tương ứng với mã đã quét.

Chapter 6: Conclusion – Development

Chương kết luận tổng hợp lại toàn bộ khối lượng công việc đã hoàn thành trong khuôn khổ đồ án, khẳng định nhóm tác giả đã làm chủ quy trình thiết kế, tích hợp và lập trình hệ thống điều khiển vị trí nhiều trục công nghiệp bằng thiết bị chuyên dụng của Mitsubishi Electric. Đồng thời, tác giả chỉ ra các mặt hạn chế còn tồn đọng và đề xuất các hướng mở rộng, nâng cấp kỹ thuật cho các nghiên cứu tiếp theo.

Kết quả và đóng góp

Đồ án ghi nhận các kết quả thực nghiệm và giá trị kỹ thuật thực tế sau quá trình triển khai:

• Kết quả kỹ thuật trên mô hình thực nghiệm:

  • Chế tạo hoàn thiện mô hình cơ điện tử 4 bậc tự do độc lập (3 trục chuyển động tịnh tiến không gian X-Y-Z kết hợp 1 trục chuyển động băng tải) dẫn động bằng 4 động cơ AC Servo Mitsubishi HF-KP và 4 bộ driver MR-J3-B.
  • Tích hợp thành công cấu hình điều khiển trung tâm PLC Mitsubishi Q00JCPU với module điều khiển vị trí chuyên dụng QD75MH4 qua mạng cáp quang SSCNET III, bảo đảm thời gian đáp ứng lệnh định vị tính bằng mili-giây và khả năng đồng bộ chuyển động ổn định.
  • Xử lý phản hồi vị trí đạt độ phân giải cao nhờ bộ mã hóa vòng quay tuyệt đối 262.144 xung/vòng tích hợp sẵn trên động cơ HF-KP; loại bỏ hiện tượng sai lệch tích lũy sau nhiều chu trình chạy lặp lại.
  • Xây dựng hoàn chỉnh chương trình điều khiển bậc thang trên GX Works2 tích hợp xử lý tín hiệu đầu đọc mã vạch công nghiệp Cognex DM70, cho phép hệ thống tự động phân loại và di chuyển đầu hút nam châm điện đặt sản phẩm chính xác vào các ô chứa định sẵn.
  • Thiết kế thành công giao diện người - máy HMI trên máy tính bằng GT SoftGOT2000, cho phép người vận hành giám sát trực quan tọa độ các trục, trạng thái cảm biến I/O và chuyển đổi linh hoạt giữa hai chế độ vận hành Manual/Auto.

• Đóng góp của đồ án:

  • Cung cấp một tài liệu kỹ thuật hoàn chỉnh về quy trình tích hợp mạng truyền thông sợi quang SSCNET III với module định vị QD75MH4 của Mitsubishi Electric – một cấu hình điều khiển vị trí công nghiệp hiện đại nhưng ít có tài liệu hướng dẫn từng bước bằng tiếng Việt.
  • Xây dựng thành công một mô hình đào tạo thực hành có tính trực quan cao cho sinh viên ngành kỹ thuật điều khiển, cơ điện tử trong việc tiếp cận các bài toán điều khiển nhiều trục (Multi-axis Motion Control) và xử lý dữ liệu nhận dạng công nghiệp.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên nội dung tự đánh giá trong văn bản, tác giả đã chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện tại và vạch ra định hướng mở rộng:

• Hạn chế kỹ thuật:

  • Cơ cấu gắp phôi ở đầu trục Z hiện chỉ sử dụng nam châm điện (Electromagnet), do đó phạm vi hoạt động của mô hình bị giới hạn, chỉ bốc dỡ được các sản phẩm có vật liệu từ tính (kim loại chứa sắt), chưa xử lý được các dạng vật liệu phi kim (nhựa, gỗ, giấy, hộp carton).
  • Đầu đọc mã vạch Cognex DM70 được bố trí đọc theo vị trí cố định trên băng chuyền; hệ thống chưa tích hợp công nghệ thị giác máy tính (Machine Vision) nâng cao để nhận diện sản phẩm theo hình thái, màu sắc, khuyết tật bề mặt hoặc khi sản phẩm bị đặt lệch góc lớn.
  • Quy mô mô hình dừng lại ở mức thử nghiệm phòng lab; tốc độ vận hành của băng chuyền và các trục servo chưa được đẩy lên mức công suất tối đa của thiết bị công nghiệp nhằm bảo đảm độ an toàn cơ học cho khung nhôm mô hình.

• Hướng nghiên cứu và phát triển tiếp:

  • Cải tiến cơ cấu chấp hành ở trục Z: Thiết kế thay thế hoặc kết hợp linh hoạt giữa đầu hút chân không (Vacuum suction cup) và tay kẹp khí nén/cơ khí để mở rộng khả năng gắp đặt nhiều loại hình học và chủng loại vật liệu khác nhau.
  • Tích hợp camera công nghiệp kết hợp thuật toán xử lý ảnh thông minh để nhận dạng đa tiêu chí (màu sắc, kích thước, phân loại hình dạng sản phẩm 2D/3D) thay vì chỉ dựa vào mã vạch đơn lẻ.
  • Nâng cấp truyền thông quản lý dữ liệu sản xuất bằng cách kết nối hệ thống PLC với mạng công nghiệp Ethernet/SCADA hoặc hệ thống quản trị sản xuất (MES/IoT), phục vụ việc thống kê, lưu trữ và theo dõi sản lượng thời gian thực từ xa.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên, giảng viên và kỹ sư ứng dụng trong các lĩnh vực:

• Đối tượng tham khảo: Sinh viên các ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Công nghệ Kỹ thuật Điện - Điện tử, Kỹ thuật Cơ điện tử và Kỹ thuật Robot đang thực hiện đồ án môn học, khóa luận tốt nghiệp hoặc nghiên cứu các bài toán liên quan đến điều khiển vị trí nhiều trục (Motion Control).
• Phần nội dung có giá trị tham khảo cao nhất:
  • Toàn bộ nội dung Chương 3 và Chương 4: Cụ thể là bảng hướng dẫn từng bước cấu hình tham số vị trí trên module QD75MH4 (Positioning Data, Home Return Parameters, Axis Parameters) và cấu hình Servo Parameters cho driver MR-J3-B qua phần mềm GX Works2.
  • Sơ đồ đấu nối dây chuẩn xác giữa các module phần cứng QX40-S1, QY80, QD75MH4, rơ-le trung gian và cảm biến hành trình Omron, giúp người làm kỹ thuật tránh được các lỗi chạm chập hoặc đấu sai cực tính Sink/Source trong thực tế.
  • Phương pháp thiết kế và liên kết giao diện mô phỏng HMI trực tiếp trên máy tính thông qua phần mềm GT SoftGOT2000 mà không cần đầu tư màn hình HMI phần cứng rời đắt tiền.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống trong đồ án sử dụng tổng cộng bao nhiêu trục servo và mỗi trục đảm nhiệm chuyển động gì?
Hệ thống sử dụng tổng cộng 4 động cơ AC Servo Mitsubishi dòng HF-KP kết nối với 4 bộ Servo Drive MR-J3-B. Nhiệm vụ cụ thể của 4 trục được phân công trong chương trình QD75MH4 gồm: Trục 1 dẫn động băng chuyền cấp phôi; Trục 2 dẫn động trục tịnh tiến X (chuyển động ngang); Trục 3 dẫn động trục tịnh tiến Y (chuyển động dọc vuông góc đưa phôi sang bàn đặt); Trục 4 dẫn động trục tịnh tiến Z (nâng hạ ống hút mang nam châm điện).

2. Phương thức truyền thông điều khiển giữa module PLC QD75MH4 và các bộ điều khiển Servo Drive MR-J3-B là gì?
Hệ thống sử dụng giao thức truyền thông quang học tốc độ cao SSCNET III độc quyền của Mitsubishi Electric. Kết nối này thực hiện qua các dây cáp quang chuyên dụng nối tiếp giữa module QD75MH4 và 4 bộ MR-J3-B với chu kỳ truyền thông đồng bộ đạt 0,888 ms, giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng nhiễu xung điện từ và giảm đáng kể số lượng dây dẫn vật lý so với phương pháp phát xung thông thường.

3. Động cơ servo HF-KP sử dụng loại encoder nào và độ phân giải đạt bao nhiêu xung/vòng?
Các động cơ servo dòng HF-KP sử dụng bộ mã hóa vòng quay vị trí tuyệt đối (Absolute Encoder) với độ phân giải đạt 262.144 xung/vòng (tương đương 18-bit). Nhờ loại encoder này kết hợp với pin lưu vị trí trên servo driver, hệ thống có khả năng lưu giữ chính xác tọa độ thực tế của các trục ngay cả khi mất nguồn điện.

4. Thiết bị đọc mã vạch được sử dụng trong mô hình là loại nào và cơ chế gắp giữ sản phẩm hoạt động ra sao?
Hệ thống sử dụng đầu đọc mã vạch công nghiệp Cognex DataMan dòng DM70 (DM70 series) để quét mã gắn trên phôi khi đi qua băng chuyền. Cơ cấu gắp giữ phôi gắn ở đầu trục Z là một ống nâng thẳng đứng trang bị nam châm điện (Electromagnet), được cấp nguồn đóng/ngắt thông qua rơ-le trung gian điều khiển bởi ngõ ra bán dẫn của module QY80 để hút và nhả các phôi kim loại nhiễm từ.

5. Người vận hành giám sát và điều khiển mô hình thông qua giao diện nào?
Hệ thống không sử dụng màn hình HMI cảm ứng phần cứng độc lập mà sử dụng phần mềm GT SoftGOT2000 cài đặt trực tiếp trên máy tính cá nhân (được thiết kế bằng phần mềm GT Designer3). Giao diện này kết nối trực tiếp với CPU PLC Q00JCPU, cho phép người vận hành chuyển đổi chế độ Manual/Auto, điều khiển chạy thử JOG, định vị gốc Home và theo dõi tọa độ hoạt động của 4 trục thời gian thực.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Robotic Control Model 'Pick and Place' Products Accurately" đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công mô hình cơ điện tử 4 trục tích hợp băng chuyền tải, cơ cấu phân loại mã vạch và bốc xếp sản phẩm chính xác vào ô chứa định sẵn. Bằng việc ứng dụng hệ PLC Mitsubishi MELSEC-Q, module định vị QD75MH4 kết nối mạng cáp quang SSCNET III với 4 bộ truyền động servo MR-J3-B cùng giao diện giám sát GT SoftGOT2000, đề tài đã hiện thực hóa một giải pháp điều khiển vị trí vòng kín công nghiệp hoàn chỉnh và ổn định. Kết quả nghiên cứu không chỉ đáp ứng trọn vẹn các yêu cầu kỹ thuật đặt ra mà còn là tài liệu tham khảo chi tiết về phương pháp tham số hóa và lập trình điều khiển chuyển động nhiều trục trong môi trường sản xuất tự động.

Trích đoạn nội dung tài liệu

MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH CITY UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION FACULTY FOR HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT ELECTRONICS AND ELECTRONIC ENGINEERING TECHNOLOGY ROBOTIC CONTROL MODEL “PICK AND PLACE” PRODUCTS ACCURATELY ADVISOR : MS. LE HOANG LAM STUDENT6 :  LE NGOC ANH TUAN   LE QUOC TUAN S K L 0 1 0 5 9 6 Ho Chi Minh City, 'HFHPEHU 202 MINISTRY OF EDUCATION AND TRAINING HO CHI MINH UNIVERSITY OF TECHNOLOGY AND EDUCATION ELECTRICAL AND ELECTRONIC OF ENGINEERING FACULTY OF HIGH QUALITY TRAINING GRADUATION PROJECT ROBOTIC CONTROL MODEL “PICK AND PLACE” PRODUCTS ACCURATELY Major: ELECTRICAL AND ELECTRONIC ENGINEERING TECHNOLOGY Advisor: MS. LE HOANG LAM Students: LE NGOC ANH TUAN ID: 18142070 LE QUOC TUAN ID: 18142071 Ho Chi Minh City, Dec 2022 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness ----o0o---- Ho Chi Minh City, December 28, 2022 GRADUATION PROJECT ASSIGNMENT Student name: LE NGOC ANH TUAN Student ID: 18142070 Student name: LE QUOC TUAN Student ID: 18142071 Class: 18142CLA Major: Electrical and Electronic Engineering Technology Advisor: MS. LE HOANG LAM Phone number: 0949253277 Date of assignment: Date of submission: 1.

Initial material provided by the advisor …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… 3. Content of the project …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………. Final product …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… CHAIR OF THE PROGRAM ADVISOR (Sign with full name) (Sign with full name) 2 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness ----o0o---- Ho Chi Minh City, December 28, 2022 ADVISOR’S EVALUATION SHEET Student name: LE NGOC ANH TUAN Student ID: 18142070 Student name: LE QUOC TUAN Student ID: 18142071 Major: Electrical and Electronic Engineering Technology Project title: Robotic Control Model “Pick and Place” Products Accurately Advisor: MS. LE HOANG LAM EVALUATION 1.

Content of the project …………………………………………………………………………………………………… …………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………. Approval for oral defense? (Approved or denied) …………………………………………………………………………………………………… 5. Ho Chi Minh City, December 28, 2022 ADVISOR (Sign with full name) 3 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness ----o0o---- Ho Chi Minh City, December 28, 2022 PRE-DEFENSE EVALUATION SHEET Student name: LE NGOC ANH TUAN Student ID: 18142070 Student name: LE QUOC TUAN Student ID: 18142071 Major: Electrical and Electronic Engineering Technology Project title: Robotic Control Model “Pick and Place” Products Accurately Name of reviewer: EVALUATION 1/ Content and work load of the project ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 2/ Strengths ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 3/ Weaknesses ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 4/ Approval for oral defense? (Approved or denied) ……………………………………………………………………………………………………………. 5/ Reviewer’s questions for project evaluation ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… ……………………………………………………………………………………………………………… 6/ Mark……………………(in words………………………………………………………………….) Ho Chi Minh City, December 28, 2022 REVIEWER (Sign with full name) 4 THE SOCIALIST REPUBLIC OF VIETNAM Independence – Freedom – Happiness ----o0o---- Ho Chi Minh City, December 28, 2022 ● DISCLAIMER We hereby declare that the topic "ROBOTIC CONTROL MODEL ‘PICK AND PLACE’ PRODUCTS ACCURATELY" is developed by us based on available models and implemented under the guidance of MS.

Le Hoang Lam. We ensure that the gruadation thesis is not the copy from any other topic. We will take full responsibility if any problem occurs. Ho Chi Minh City, December 28, 2022 Our group 5 ● ACKNOWLEDGEMENTS First of all, our team would like to send our sincere thanks to the teachers of the Faculty of Electrical and Electronic Engineering Technology, as well as the teachers of the University of Technology and Education of Ho Chi Minh City.

We has imparted valuable knowledge and research skills, studying and working during our study and research at the school. Through that, we can understand more about our profession and have the background knowledge to carry out this graduation project. In particular, our team would like to send our sincere thanks to our instructors – MS. Le Hoang Lam - dedicated to guiding, instructing and imparting knowledge and experience to us.

He also supported our group with equipment and research rooms, creating conditions for our group to complete the topic. At the same time, we would like to say thank to the class of 18142CLA. In order to successfully complete this graduation project, in addition to our own efforts, we also received the attention and help of the class 18142CLA.