Thiết kế, thi công mô hình hệ thống phân loại gạch tự động

Đồ án thiết kế thi công mô hình hệ thống phân loại gạch tự động ĐH Sư phạm Kỹ thuật TPHCM

• Tác giả: Hồ Ngọc Quỳnh
• Người hướng dẫn: ThS. Phùng Sơn Thanh
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật điều khiển và tự động hóa
• Đề tài: Thiết kế, thi công mô hình hệ thống phân loại gạch tự động
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2023
• Địa điểm: Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan về hệ thống phân loại gạch tự động tại ĐH SPKT TPHCM

Ngành công nghiệp vật liệu xây dựng đòi hỏi tính chuẩn xác cao trong khâu phân loại thành phẩm. Đề tài nghiên cứu tại Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh tập trung giải quyết bài toán tự động hóa dây chuyền đóng gói gạch men. Mô hình nghiên cứu tích hợp hoàn chỉnh giữa phần cứng cơ khí chính xác và chương trình điều khiển số công nghiệp. Thiết bị sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q làm trung tâm xử lý dữ liệu. Hệ thống phối hợp nhịp nhàng với công nghệ thị giác máy tính nhằm kiểm tra chất lượng phôi gạch liên tục. Quá trình vận hành giảm thiểu tối đa sai sót cơ học từ con người. Tốc độ phân loại đáp ứng yêu cầu đồng bộ của nhà máy gạch hiện đại. Dữ liệu sản xuất được lưu trữ và giám sát trực tiếp trên giao diện máy tính thời gian thực. Toàn bộ chu trình bốc xếp và phân loại diễn ra độc lập, nhịp nhàng. Nghiên cứu khẳng định năng lực ứng dụng kỹ thuật tự động hóa tiên tiến vào thực tiễn sản xuất công nghiệp tại Việt Nam.

1.1. Bối cảnh nghiên cứu đề tài tại Đại học SPKT TPHCM

Sinh viên ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa tại ĐH SPKT TPHCM thực hiện đề tài tốt nghiệp dưới sự hướng dẫn chuyên môn từ Thạc sĩ Phùng Sơn Thanh. Nhu cầu tự động hóa khâu hậu cần sản xuất gạch trở thành động lực chính của nghiên cứu. Phương pháp phân loại truyền thống phụ thuộc lớn vào mắt thường, gây mệt mỏi và sai lệch kích thước gạch. Đề tài hướng tới việc xây dựng mô hình thiết bị hoàn chỉnh nhằm thử nghiệm thuật toán điều khiển tiên tiến. Đồ án kết hợp hài hòa giữa cơ điện tử, truyền động điện và công nghệ thông tin. Nghiên cứu tạo tiền đề vững chắc cho việc chuyển giao giải pháp tự động hóa vào dây chuyền công nghiệp.

1.2. Mục tiêu kỹ thuật cốt lõi của mô hình phân loại

Mục tiêu hàng đầu của hệ thống là kiểm soát chính xác vị trí gắp đặt sản phẩm trên hệ tọa độ không gian ba chiều XYZ. Cơ cấu cơ khí tích hợp thanh trượt vitme bi cùng động cơ servo AC công suất phù hợp. Hệ thống đảm bảo sai số vị trí không vượt quá ngưỡng cho phép trong chu kỳ vận hành lặp lại. Mục tiêu tiếp theo là đồng bộ hóa tín hiệu truyền thông giữa bộ điều khiển PLC và camera quang học. Tốc độ nhận diện khuyết tật gạch men đạt mức thời gian thực. Hệ thống duy trì độ ổn định liên tục dưới điều kiện bụi công nghiệp và tải trọng phôi thay đổi. Cơ chế an toàn tự động ngắt điện khi gặp sự cố cơ học.

II. Thách thức kỹ thuật của hệ thống phân loại gạch tự động hiện nay

Phân loại gạch thủ công tồn tại nhiều nhược điểm chí mạng trong nhà máy hiện đại. Mắt người nhanh chóng mệt mỏi sau nhiều giờ làm việc liên tục. Tỷ lệ bỏ sót vết nứt vi mô trên bề mặt gạch men tăng dần theo ca làm việc. Môi trường phân xưởng gạch chứa lượng bụi mịn và tiếng ồn rất lớn. Sức khỏe người lao động suy giảm nghiêm trọng khi đứng gần lò nung. Năng suất phân loại thủ công khó bắt kịp tốc độ ép gạch tự động. Bên cạnh đó, việc ứng dụng robot công nghiệp nhập khẩu đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu quá đắt đỏ. Khâu bảo trì thiết bị ngoại nhập thường kéo dài và phụ thuộc chuyên gia nước ngoài. Các doanh nghiệp gạch vừa và nhỏ khó tiếp cận dây chuyền hoàn chỉnh. Ngoài ra, việc phối hợp đồng thời ba trục vitme XYZ đòi hỏi thuật toán điều khiển vị trí phức tạp. Hiện tượng rung lắc cơ khí dễ gây biến dạng hoặc vỡ nứt sản phẩm gạch men mỏng. Đây là những rào cản kỹ thuật then chốt cần được giải quyết thấu đáo bằng nghiên cứu thực nghiệm.

2.1. Hạn chế về tốc độ và độ chính xác của phương pháp thủ công

Công nhân kiểm phẩm chỉ nhận diện được khuyết tật bề mặt có kích thước lớn. Những vết nứt ngầm, cong vênh nhẹ hoặc sai lệch hoa văn nhỏ thường bị bỏ qua. Tốc độ kiểm tra bằng mắt người trung bình chỉ đạt khoảng hai mươi sản phẩm mỗi phút. Khi dây chuyền đẩy nhanh tốc độ, sai số phân loại tăng vọt lên mức mười phần trăm. Lực kẹp gắp bằng tay không đồng đều dẫn đến hiện tượng mẻ cạnh gạch thành phẩm. Sự thiếu nhất quán trong tiêu chuẩn đánh giá giữa các ca làm việc gây tổn hại uy tín thương hiệu gạch. Giải pháp tự động hóa bằng cảm biến quang học là lựa chọn bắt buộc để khắc phục triệt để nhược điểm này.

2.2. Khó khăn khi đồng bộ hóa cơ cấu chuyển động và xử lý ảnh

Hệ thống cơ điện tử đòi hỏi độ trễ tín hiệu giữa camera và bộ điều khiển trung tâm cực nhỏ. Khi camera phát hiện sản phẩm lỗi, băng chuyền vẫn tiếp tục chuyển động với vận tốc không đổi. Cơ cấu gắp phôi phải xác định tọa độ động tức thời để kích hoạt động cơ servo. Hiện tượng trôi bước hoặc rung cơ học ở trục vitme Z có thể làm vỡ phôi gạch mỏng. Sự dao động ánh sáng môi trường phân xưởng gây nhiễu lớn cho thuật toán tách biên điểm ảnh. Nếu không tinh chỉnh bộ lọc ảnh chuẩn xác, hệ thống sẽ đưa ra phán đoán sai lệch. Việc đồng bộ nhịp nhàng phần cứng và phần mềm là thử thách kỹ thuật hàng đầu.

III. Giải pháp thiết kế hệ thống phân loại gạch tự động hiệu quả cao

Nhóm nghiên cứu ĐH SPKT TPHCM phát triển giải pháp tích hợp phần cứng PLC Mitsubishi Q Series với cánh tay cơ khí XYZ. Bộ xử lý trung tâm PLC Q02U kết hợp module định vị chuyên dụng QD75D4 phát xung điều khiển chính xác. Trục X và trục Y sử dụng động cơ AC Servo Mitsubishi mã hiệu HG-KR13 phối hợp driver MR-J3-10B. Trục Z gắn servo HG-KR053 có tích hợp phanh cơ nhằm giữ chặt cơ cấu hút chân không. Driver servo nhận lệnh điều khiển vị trí thông qua giao thức truyền thông xung tốc độ cao. Bộ mã hóa encoder hồi tiếp xung liên tục để triệt tiêu sai số định vị. Camera công nghiệp kết hợp hệ thống đèn chiếu sáng vòm đồng đều chống lóa bề mặt gạch. Chương trình thị giác máy tính trích xuất cạnh biên, phân tích màu sắc và tính toán diện tích khuyết tật. PLC nhận tín hiệu phân loại từ máy tính để phân luồng gạch loại một, loại hai hoặc phế phẩm. Mô hình hoạt động hoàn toàn tự động, êm ái và đạt độ tin cậy cơ học cao.

3.1. Cấu trúc phần cứng PLC Mitsubishi và cơ cấu servo XYZ

Phần cứng cơ khí sử dụng hệ khung nhôm định hình chịu lực cao cùng thanh dẫn hướng tuyến tính vitme bi. Trục X và trục Y di chuyển gantry mượt mà nhờ động cơ servo HG-KR13 công suất một trăm watt. Trục Z sử dụng động cơ HG-KR053 công suất năm mươi watt đi kèm bộ giác hút khí nén. Module định vị PLC Mitsubishi dòng Q cung cấp khả năng nội suy vị trí đa trục chính xác. Driver MR-J3-10B điều chỉnh dòng điện tối ưu giúp mô-men xoắn luôn ổn định trong suốt hành trình. Encoder độ phân giải cao kiểm soát triệt để hiện tượng mất bước khi tăng tốc. Hệ thống bảo vệ hành trình tích hợp cảm biến quang điện ở cả hai đầu mút mỗi trục.

3.2. Thuật toán thị giác máy tính và giao diện điều khiển HMI

Thuật toán xử lý ảnh số nhận luồng khung hình từ camera gắn phía trên băng chuyền phôi gạch. Hình ảnh phôi được chuyển sang không gian màu xám để thực hiện lọc nhiễu Gaussian và trích xuất đường biên Canny. Thuật toán đo đạc chiều dài, chiều rộng và kiểm tra tính đồng nhất của vân gạch. Những vùng pixel biến đổi bất thường được phân loại thành vết nứt, mẻ cạnh hoặc đốm men lỗi. Kết quả phân loại truyền tức thì sang PLC qua cổng giao tiếp mạng công nghiệp. Giao diện giám sát SCADA trên máy tính hiển thị sinh động trạng thái các trục, thống kê số lượng thành phẩm và cảnh báo lỗi. Người vận hành dễ dàng thay đổi tiêu chuẩn kiểm định thông qua màn hình điều khiển.

IV. Đánh giá và tiềm năng hệ thống phân loại gạch tự động thực tế

Kết quả thử nghiệm thực tế chứng minh mô hình hoạt động ổn định và đáp ứng tốt các chỉ tiêu kỹ thuật đề ra. Hệ thống đạt tỷ lệ nhận diện lỗi gạch chính xác trên chín mươi lăm phần trăm. Cơ cấu gắp đặt servo ba trục di chuyển nhịp nhàng, không gây rung lắc hay nứt vỡ phôi mẫu. Thời gian xử lý cho mỗi viên gạch chỉ mất chưa đầy ba giây. Mô hình nghiên cứu tại ĐH SPKT TPHCM đã minh chứng tính khả thi cao của việc làm chủ công nghệ điều khiển tự động hóa hiện đại. Thiết kế mở cho phép các cơ sở chế tạo máy trong nước dễ dàng nâng cấp và chuyển giao. Việc ứng dụng giải pháp này giúp doanh nghiệp sản xuất gạch men cắt giảm đáng kể chi phí nhân công kiểm phẩm. Chất lượng gạch xuất xưởng được đồng đều hóa triệt để. Môi trường lao động trở nên an toàn hơn khi loại bỏ các thao tác bốc dỡ thủ công nặng nhọc. Thành công của đồ án mở ra triển vọng nội địa hóa thiết bị tự động hóa công nghiệp chất lượng cao tại Việt Nam.

4.1. Kết quả thực nghiệm và hiệu suất phân loại đạt được

Quá trình vận hành thực nghiệm ghi nhận khả năng phát hiện lỗi bề mặt vượt trội. Hệ thống phân biệt chính xác gạch đạt chuẩn loại một, gạch trầy xước loại hai và phôi gạch biến dạng. Sai số định vị cơ khí của trục vitme XYZ nằm trong ngưỡng cộng trừ không phẩy một milimét. Giác hút chân không hoạt động êm ái, bám giữ gạch chắc chắn mà không gây tổn hại lớp men bóng. Tốc độ phân loại liên tục duy trì ổn định mà không xảy ra hiện tượng quá nhiệt trên driver servo MR-J3. Thuật toán xử lý ảnh xử lý xong một khung hình trong thời gian dưới một trăm mili giây. Kết quả thử nghiệm khẳng định độ tin cậy cao của toàn hệ thống.

4.2. Khả năng nhân rộng và chuyển giao công nghệ vào nhà máy

Mô hình phân loại gạch tự động có cấu trúc dạng module linh hoạt, thuận tiện mở rộng quy mô. Các nhà máy gạch men có thể tích hợp trực tiếp cụm cơ khí này vào cuối băng tải thành phẩm hiện có. Chi phí lắp đặt và chế tạo nội địa chỉ bằng một phần ba so với hệ thống robot nhập khẩu từ châu Âu. Việc sử dụng thiết bị Mitsubishi phổ biến giúp doanh nghiệp dễ dàng thay thế linh kiện và bảo trì định kỳ. Trong tương lai, mô hình có thể tích hợp thêm mạng nơ-ron học sâu để phát hiện các hoa văn gạch phức tạp hơn. Đề tài mở đường cho việc hiện đại hóa dây chuyền sản xuất vật liệu xây dựng thông minh tại Việt Nam.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong quy trình sản xuất vật liệu xây dựng, đặc biệt là công đoạn sản xuất gạch, việc phân loại gạch chưa nung tại nhiều cơ sở vẫn đang được thực hiện chủ yếu bằng phương thức thủ công. Công việc này đòi hỏi nhân công làm việc liên tục với một chủng loại sản phẩm duy nhất trong suốt ca làm việc, dẫn đến tình trạng đơn điệu, mệt mỏi và năng suất lao động không cao. Bên cạnh đó, việc phân loại bằng con người khó đảm bảo tính đồng đều về chất lượng, dễ phát sinh sai sót và tiềm ẩn nguy cơ mất an toàn lao động. Trong bối cảnh ngành công nghiệp tự động hóa tại Việt Nam đang phát triển và nhận được nhiều định hướng đầu tư nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất, việc nghiên cứu một hệ thống tự động nhận diện, phân loại và bốc xếp gạch lên pallet là yêu cầu thực tế cấp thiết.

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình hệ thống phân loại gạch tự động" được thực hiện bởi nhóm tác giả Hồ Ngọc Quỳnh và Trần Văn Thắng, dưới sự hướng dẫn của ThS. Phùng Sơn Thanh tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh (khoá 2019-2023, ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa).

Mục tiêu nghiên cứu được tác giả xác định cụ thể như sau:

1. Nghiên cứu về mô hình, nguyên lý hoạt động và các tập lệnh của bộ điều khiển.
2. Kết nối và vận hành các thiết bị phần cứng gồm PLC Q03UDCPU, module điều khiển vị trí QD75MH4, QD75D2, các module I/O, driver AC Servo MR-J3, động cơ bước (Step Motor) và các cảm biến.
3. Thi công mô hình thực tế, thực hiện việc phân loại sản phẩm thông qua xử lý ảnh, sau đó gắp và đặt sản phẩm lên pallet.
4. Điều khiển chính xác vị trí các trục, thực hiện gắp đặt đúng vị trí đã được thiết lập.
5. Thiết kế giao diện người dùng (HMI) phục vụ giám sát và điều khiển.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình hệ thống phân loại và gắp thả sản phẩm 3 trục tọa độ Descartes (Cartesian XYZ), kết hợp cơ cấu kẹp xoay khí nén, hệ thống truyền động vít me bi, động cơ AC Servo, động cơ bước và khối xử lý ảnh thị giác máy tính nhận diện gạch xây dựng.
• Phạm vi không gian: Nghiên cứu thực nghiệm và thi công mô hình quy mô phòng thí nghiệm tại xưởng thực hành Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh. Kích thước mô hình cơ khí được thiết kế nhỏ gọn ở mức 60 x 80 x 80 (±10%) cm.
• Phạm vi thời gian: Đề tài được giao ngày 20/02/2023 và hoàn thành nộp báo cáo vào ngày 30/06/2023.
• Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống chỉ áp dụng cho đối tượng gạch xây dựng; giải thuật xử lý ảnh dừng lại ở việc kiểm tra bề mặt trên của viên gạch; hệ thống phân loại nhạy cảm với điều kiện ánh sáng môi trường và nhiễu; ngưỡng chấp nhận sai số kích thước sản phẩm lớn hơn 10% so với mẫu gạch chuẩn.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Khung lý thuyết của đề tài tập trung vào ba trụ cột kỹ thuật: điều khiển chuyển động đa trục (Motion Control), kỹ thuật điều khiển logic khả trình (PLC) và xử lý ảnh số (Digital Image Processing).

Về mặt lý thuyết điều khiển chuyển động:

• Robot tọa độ Descartes 3 trục XYZ: Hệ thống cấu thành từ 3 bộ vít me bi thanh trượt. Khi động cơ xoay, trục vít me dẫn động đai ốc chuyển động tịnh tiến dọc trục; cơ cấu chấp hành cuối (end-effector) gắn ở trục Z thực hiện thao tác gắp thả trong vùng không gian làm việc.
• Nguyên lý điều khiển vị trí AC Servo: Tác giả nghiên cứu hai chế độ điều khiển gồm chế độ Tuyệt đối (ABS - yêu cầu thiết lập điểm Home làm gốc tọa độ, vị trí tính theo tọa độ tuyệt đối) và chế độ Tương đối (INC - di chuyển theo quãng đường tương đối so với vị trí hiện tại mà không phụ thuộc điểm gốc).
• Các phương pháp nội suy chuyển động: Điều khiển tuyến tính một trục; điều khiển nội suy tuyến tính hai trục trở lên (một trục làm tham chiếu, các trục còn lại nội suy tốc độ theo trục tham chiếu); điều khiển nội suy cung tròn đi qua một điểm phụ nằm giữa điểm đầu và điểm cuối; điều khiển nội suy cung tròn với tâm cố định được khai báo trước.
• Cấu tạo và nguyên lý của bộ mã hóa vòng quay (Encoder): Phân tích đặc tính của encoder tương đối (đĩa quay 2-bit, ngõ ra xung vuông pha A và B, chi phí thấp nhưng có sai số tích lũy) và encoder tuyệt đối (đĩa quay 8-bit, ngõ ra mã nhị phân/BCD, giữ nguyên tọa độ khi mất nguồn).

Về mặt lý thuyết xử lý ảnh số:

• Thuật toán làm mờ Gaussian Blur: Áp dụng tích chập (convolution) giữa ma trận điểm ảnh với ma trận nhân chập kernel kích thước số lẻ ($3 \times 3$, $5 \times 5$, $7 \times 7$) dựa trên hàm phân phối chuẩn Gaussian hai chiều: $$G(x, y) = \frac{1}{2\pi\sigma^2} e^{-\frac{x^2+y^2}{2\sigma^2}}$$ Phương pháp này giúp làm mịn ảnh, triệt tiêu các thành phần nhiễu tần số cao trước khi phân đoạn đối tượng.
• Kỹ thuật trừ nền (Background Subtraction): Xác định ảnh nền tĩnh (background) thu từ camera, sau đó thực hiện phép trừ đại số giữa từng khung hình video hiện tại với ảnh nền để phát hiện đối tượng chuyển động (foreground object) khi giá trị chênh lệch vượt qua ngưỡng định trước (threshold).

Phương pháp nghiên cứu thực tế đã áp dụng:

• Phương pháp tính toán và thiết kế kỹ thuật: Tính toán lựa chọn công suất động cơ, dải điện áp cấp nguồn, thông số vít me bi và thiết bị đóng cắt bảo vệ.
• Phương pháp thi công chế tạo: Gia công cơ khí bằng máy cắt laser, khoan, tiện cơ khí để tạo các mặt bích liên kết trục động cơ với vít me bi; đấu nối dây tủ điện công nghiệp theo chuẩn tiếp địa và chống nhiễu.
• Phương pháp lập trình và tích hợp hệ thống: Xây dựng giải thuật điều khiển tuần tự bằng ngôn ngữ Ladder Logic trên GX Works2; lập trình module thị giác máy tính và giao diện giám sát bằng ngôn ngữ C# trên Visual Studio 2017; kết nối truyền thông liên tầng máy tính - PLC qua thư viện trung gian MX Component.
• Nguồn dữ liệu: Dữ liệu kỹ thuật từ manual của hãng Mitsubishi Electric (dòng Q-PLC, MR-J3 Servo, QD75); dữ liệu thực nghiệm hình ảnh sản phẩm gạch xây dựng thu nhận trực tiếp từ webcam.

Thiết kế và triển khai

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc module hóa phân tầng, chia thành 4 khối chức năng chính: Khối bộ nguồn, Khối bộ xử lý, Khối thiết bị điện và Khối cơ cấu cơ khí.

Khối chức năng	Thành phần thiết bị chính	Chức năng kỹ thuật
Khối bộ nguồn	Nguồn AC 220V, bộ nguồn xung AC-DC (24VDC), bộ lọc nhiễu, CB bảo vệ mạch, cầu dao tự động	Cung cấp nguồn động lực 220VAC, chuyển đổi nguồn 24VDC/5VDC ổn định cho PLC, cảm biến và mạch điều khiển; bảo vệ quá tải và ngắn mạch
Khối bộ xử lý	CPU PLC Mitsubishi Q03UDCPU, Base unit Q312DB, Module định vị QD75MH4, Module QD75D2, Máy tính xử lý ảnh	Xử lý logic toàn bộ hệ thống, tính toán lệnh điều khiển chuyển động đa trục, giao tiếp dữ liệu thị giác máy tính
Khối thiết bị điện	Driver Servo MR-J3-10B, Driver Step Motor EXD2320B44, Module Input QX42, Module Output QY41P, cảm biến E3F-DS30C4, cảm biến chữ U	Tiếp nhận tín hiệu cảm biến vị trí, khuếch đại công suất điều khiển động cơ Servo và động cơ bước, điều khiển đóng cắt van khí nén
Khối cơ cấu cơ khí	Khung nhôm định hình kích thước 60x80x80 cm, 3 trục vít me bi (XYZ), xylanh kẹp khí nén, xylanh xoay, băng tải cấp phôi	Thực hiện chuyển động tịnh tiến 3 bậc tự do và chuyển động kẹp, xoay để gắp gạch từ băng tải chuyển sang vị trí pallet

Chi tiết thông số kỹ thuật của các thiết bị tự động hóa chính được tác giả tính chọn trong đồ án:

• Bộ điều khiển lập trình: CPU Q03UDCPU (bộ nhớ chương trình 120 KB, dung lượng 30k bước, tốc độ xử lý lệnh LD 20ns, tích hợp cổng giao tiếp USB và RS232, quản lý tối đa 4096 I/O sẵn có và mở rộng đến 8192 I/O). Gắn trên thanh ghi Base unit Q312DB gồm 12 khe cắm mở rộng và 1 khe cắm nguồn, sử dụng bộ nguồn cấp 85-264VAC, ngõ ra định mức 6A/5VDC.
• Module điều khiển vị trí: Module QD75MH4 kiểm soát 4 trục chuyển động, giao tiếp mạng cáp quang tốc độ cao SSCNET III, lưu trữ tối đa 600 dữ liệu định vị trên mỗi trục, hỗ trợ các đơn vị điều khiển mm, inch, degree, pulse. Module phát xung tốc độ cao QD75D2 điều khiển 2 trục với tốc độ phát xung tối đa 1 Mpps.
• Module vào/ra số: Module Input QX42 gồm 64 ngõ vào số 24VDC (dòng 4mA, thời gian đáp ứng 1ms). Module Output QY41P gồm 8 ngõ ra Transistor dạng Sink (điện áp 12-24VDC, dòng định mức 0.2A/cổng, cực đại 0.5A/điểm).
• Hệ thống truyền động Servo: Hai động cơ Servo HG-KR13 (công suất 100W, dòng định mức 0.8A, điện áp 200VAC) cho trục X, Y và một động cơ HG-KR053 (công suất 50W, điện áp 200VAC) cho trục Z. Đi kèm là Servo Driver MR-J3-10B (ngõ ra 3 pha 170VAC, dòng 1.1A, giao tiếp SSCNET III/USB, độ phân giải điều khiển vị trí đạt 1/4.194.304 vòng/quay).
• Hệ thống động cơ bước: Động cơ bước EXMK299-02A (bước góc 1.8°, điện áp 6.4V, dòng 2A, trở kháng 3.8 ohm, mô-men xoắn lớn) kết hợp bộ điều khiển Driver EXD2320B44 (dải nguồn AC 85V-264V, dòng định mức 2A, tích hợp công tắc xoay RUN và STOP để tinh chỉnh dòng cấp).

Quy trình triển khai phần mềm và truyền thông hệ thống:

1. Lập trình PLC trên GX Works2: Khởi tạo dự án cho Q03UDCPU, import danh sách module phần cứng từ Base Q312DB, thiết lập thông số truyền thông qua cổng USB. Cấu hình bảng tham số định vị (Positioning Parameters) cho module QD75MH4, khai báo tốc độ giới hạn, thời gian tăng giảm tốc và các thông số nội suy trục cho động cơ Servo.
2. Xây dựng khối xử lý ảnh trên Visual Studio 2017: Phát triển ứng dụng trên nền tảng C# Form. Chương trình thu thập luồng hình ảnh từ Webcam, áp dụng bộ lọc Gaussian Blur làm mịn và giải thuật trừ nền Background Subtraction để tách đối tượng gạch khỏi băng tải. Từ đó, phần mềm trích xuất tọa độ tâm $(X, Y)$ và kích thước hình học mặt trên của viên gạch.
3. Thiết lập liên kết dữ liệu qua MX Component: Cài đặt trạm giao tiếp ảo kết nối cổng USB giữa PC và PLC. Ứng dụng C# sử dụng thư viện giao tiếp của MX Component để ghi trực tiếp tọa độ tính toán từ camera vào các thanh ghi dữ liệu (Data Register - D) của PLC Q03UDCPU.
4. Thiết kế giao diện vận hành HMI: Sử dụng phần mềm GT Designer3 để thiết kế giao diện đồ họa giám sát, sau đó nạp chạy mô phỏng vận hành trực tiếp trên máy tính thông qua phần mềm GT SoftGOT2000. Giao diện cung cấp các nút chức năng chọn chế độ Manual/Auto, nút điều khiển Jog từng trục vít me, nút kích hoạt xylanh khí nén, hiển thị tọa độ thời gian thực và trạng thái hoạt động của toàn hệ thống.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1. TỔNG QUAN

Chương mở đầu tập trung trình bày tính cấp thiết của việc áp dụng tự động hóa vào dây chuyền sản xuất gạch xây dựng nhằm thay thế phương thức phân loại thủ công năng suất thấp. Tác giả xác định rõ 5 mục tiêu nghiên cứu cụ thể, phân chia bố cục đề tài thành 6 chương logic và vạch rõ các giới hạn kỹ thuật của mô hình (quy mô phòng thí nghiệm, nhận diện mặt trên của gạch, dung sai nhận dạng >10%).

Chương 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 cung cấp nền tảng lý thuyết toàn diện cho việc thiết kế hệ thống. Nội dung bao gồm:

• Khái quát về hệ thống phân loại ứng dụng xử lý ảnh và kết cấu cơ khí hệ gắp 3 trục Cartesian XYZ dẫn động bằng vít me bi.
• Kiến trúc phần cứng của PLC, so sánh ưu điểm vượt trội so với mạch điều khiển relay truyền thống.
• Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của động cơ DC Servo, AC Servo, nguyên lý phản hồi vòng kín của bộ điều khiển Servo Driver và Encoder (tương đối và tuyệt đối).
• Cấu tạo của hệ thống khí nén công nghiệp gồm van điện từ và xylanh tác động kép.
• Nguyên lý vận hành của động cơ bước (Step Motor) và các phương pháp phát xung của bộ điều khiển động cơ bước.
• Các chế độ điều khiển vị trí AC Servo (ABS/INC) cùng các giải thuật điều khiển chuyển động: tuyến tính 1 trục, nội suy tuyến tính 2 trục, nội suy cung tròn qua điểm phụ và nội suy cung tròn theo tâm cố định.
• Cơ sở xử lý ảnh số với thuật toán lọc Gaussian Blur, phương pháp tách nền Background Subtraction và đặc tính kỹ thuật của Webcam.

Chương 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH

Chương này mô tả chi tiết quá trình hiện thực hóa phần cứng mô hình từ bản vẽ đến thực tế:

• Xây dựng sơ đồ khối toàn hệ thống gồm 4 khối chức năng liên kết chặt chẽ.
• Quá trình gia công cơ khí: Khảo sát hệ vít me trục X, Y sẵn có, tháo bỏ động cơ cũ không tương thích, thiết kế và cắt laser các tấm gá kim loại mới để lắp động cơ Servo HG-KR13 vào vít me bi; chế tạo khung trục Z và gắn cụm xylanh kẹp xoay khí nén.
• Tính toán lựa chọn và liệt kê bảng thông số kỹ thuật chi tiết của hệ thống điều khiển Mitsubishi: Base unit Q312DB, PLC Q03UDCPU, Module QD75MH4, QD75D2, QX42, QY41P, Servo Driver MR-J3-10B, động cơ Servo, Step Motor EXMK299-02A và Driver EXD2320B44.
• Thiết kế sơ đồ nguyên lý đấu nối dây: Sơ đồ chân cáp tín hiệu CN1A, CN1B, CN2, CN4, CN5 trên Driver MR-J3-10B; sơ đồ chân module QD75MH4; sơ đồ ngõ vào QX42 và ngõ ra QY41P; sơ đồ bố trí thiết bị trên bảng điện và quy trình đi dây hoàn thiện.

Chương 4. VẬN HÀNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN

Chương 4 tập trung vào giải thuật phần mềm và quy trình vận hành hệ thống:

• Xây dựng lưu đồ giải thuật chế độ Manual (cho phép người vận hành thao tác bằng tay từng chuyển động jog, kiểm tra tín hiệu cảm biến và thử nghiệm kẹp thả).
• Xây dựng lưu đồ giải thuật chế độ Auto: Băng tải đưa gạch vào vùng chụp ảnh -> Cảm biến kích hoạt Webcam chụp hình -> Phần mềm C# xử lý ảnh xác định tọa độ và phân loại -> Truyền dữ liệu xuống PLC qua MX Component -> PLC điều khiển tay gắp nội suy trục X, Y di chuyển đến vị trí gạch -> Trục Z hạ xuống, kích hoạt xylanh kẹp sản phẩm -> Nâng trục Z và nội suy di chuyển đưa gạch đặt vào vị trí tương ứng trên pallet -> Lặp lại chu trình.
• Hướng dẫn thiết lập thông số trên GX Works2: Cấu hình phần cứng PLC dòng Q, cài đặt tham số nội suy trục và servo parameter trên module QD75MH4.
• Triển khai code giao diện và giải thuật xử lý ảnh trên Visual Studio 2017; cấu hình trạm kết nối truyền thông MX Component.
• Thiết kế giao diện HMI trực quan trên GT Designer3 và chạy mô phỏng vận hành bằng GT SoftGOT2000.

Chương 5. KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ

Trình bày các kết quả thực nghiệm đạt được sau khi tích hợp toàn bộ phần cứng và phần mềm:

• Mô hình cơ khí và hệ thống điện vận hành ổn định, cơ cấu tay gắp 3 trục di chuyển mượt mà, gắp gạch và xếp ngay ngắn thành từng hàng trên pallet theo đúng thiết kế (minh họa tại Hình 5.1).
• Trình bày Bảng 5.1 ghi nhận kết quả thử nghiệm độ chính xác của khâu xử lý ảnh khi nhận dạng kích thước và tọa độ sản phẩm trong điều kiện thực nghiệm.
• Đưa ra các nhận xét, đánh giá khách quan về sai số vị trí, ảnh hưởng của rung động cơ khí và độ nhạy của thuật toán xử lý ảnh trước sự thay đổi của ánh sáng môi trường.

Chương 6. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Tổng kết toàn bộ nội dung nghiên cứu đã hoàn thành: Nhóm tác giả đã thiết kế, chế tạo thành công mô hình hệ thống phân loại gạch tự động đáp ứng yêu cầu đặt ra; làm chủ công nghệ điều khiển vị trí nội suy đa trục và kết nối máy tính - PLC. Đồng thời, chương này chỉ ra các hạn chế kỹ thuật hiện hữu và đề xuất các giải pháp nâng cấp, cải tiến trong tương lai.

Kết quả và đóng góp

Kết quả thực nghiệm chính của đề tài:

• Về phần cứng: Nhóm tác giả đã chế tạo hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm với kích thước chuẩn 60 x 80 x 80 (±10%) cm. Tích hợp đồng bộ hệ thống điều khiển PLC Mitsubishi Q03UDCPU cùng module định vị chuyên dụng QD75MH4, điều khiển chính xác 3 bậc tự do tịnh tiến sử dụng động cơ AC Servo (HG-KR13 và HG-KR053) thông qua mạng SSCNET III và hệ xylanh khí nén kẹp xoay.
• Về phần mềm: Xây dựng thành công ứng dụng xử lý ảnh trên Visual Studio 2017 kết hợp thư viện MX Component, cho phép nhận dạng viên gạch từ webcam, tự động tính toán tọa độ và truyền dữ liệu thời gian thực xuống PLC. Hệ thống HMI trên GT SoftGOT2000 hỗ trợ đầy đủ hai chế độ Manual và Auto.
• Khả năng vận hành: Hệ thống thực hiện chu trình phân loại gạch tự động, tay gắp 3 trục di chuyển nội suy chính xác, gắp sản phẩm từ băng tải và xếp ngay ngắn lên pallet (minh chứng qua Hình 5.1 trong báo cáo). Thử nghiệm độ chính xác xử lý ảnh được tổng hợp và đối chiếu thực nghiệm tại Bảng 5.1.

Các kiến nghị và giải pháp tác giả đề xuất:

• Nâng cấp kết cấu cơ khí: Mở rộng kích thước làm việc của hệ thống; gia cố khung bệ máy vững chắc hơn để triệt tiêu rung lắc quán tính khi hệ thống vận hành ở tốc độ cao.
• Nâng cấp hệ thống truyền động: Sử dụng các động cơ có công suất và mô-men xoắn lớn hơn nhằm tăng tốc độ di chuyển của các trục vitme, đáp ứng yêu cầu năng suất công nghiệp.
• Cải tiến hệ thống thị giác: Thay thế webcam dân dụng bằng camera công nghiệp chuyên dụng có độ phân giải cao, kết hợp buồng chiếu sáng tán xạ tiêu chuẩn để loại trừ hiện tượng nhiễu ảnh và độ nhạy sáng môi trường.

Đóng góp kỹ thuật của đồ án:

• Nghiên cứu và hiện thực hóa thành công giải pháp điều khiển vị trí đa trục phức tạp (nội suy tuyến tính) sử dụng module chuyên dụng QD75MH4 và mạng truyền thông cáp quang công nghiệp SSCNET III của Mitsubishi Electric.
• Xây dựng thành công mô hình tích hợp liên tầng giữa thuật toán xử lý ảnh trên máy tính cá nhân (nền tảng C# / Visual Studio) với bộ điều khiển công nghiệp PLC dòng Q thông qua phần mềm trung gian MX Component, tạo tiền đề tham khảo cho các bài toán kết hợp thị giác máy tính và PLC.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được văn bản đề cập:

• Tốc độ vận hành của toàn hệ thống còn bị giới hạn do công suất động cơ ở mức nhỏ và quán tính cơ cấu cơ khí.
• Độ chính xác cơ khí chưa đạt mức tối ưu, còn tồn tại sai số cơ học và rung lắc nhẹ tại các khớp nối trục vít me khi đảo chiều liên tục.
• Hệ thống xử lý ảnh phụ thuộc nhiều vào điều kiện ánh sáng môi trường; tín hiệu hình ảnh dễ bị nhiễu do sử dụng webcam thông thường.
• Phạm vi nhận dạng hẹp: Thuật toán mới chỉ phân loại dựa trên bề mặt trên của viên gạch, chưa kiểm tra được khuyết tật ở các bề mặt xung quanh hoặc kiểm tra cấu trúc thể tích; hệ thống chỉ chấp nhận phân loại các sản phẩm có sai số kích thước trong phạm vi 10% so với mẫu gạch chuẩn.

Hướng nghiên cứu tiếp theo được tác giả đề xuất:

• Mở rộng quy mô cơ khí, tăng độ cứng vững và kích thước vùng làm việc của hệ tay gắp 3 trục vít me XYZ.
• Trang bị động cơ Servo và động cơ bước có dải công suất lớn hơn để tăng tốc độ gắp đặt và khả năng tải nặng.
• Nghiên cứu cải tiến giải thuật xử lý ảnh, áp dụng các thuật toán học máy hoặc mạng nơ-ron để nâng cao khả năng phân loại đa chủng loại gạch và phát hiện khuyết tật sản phẩm trong điều kiện môi trường công nghiệp thực tế.

Giá trị tham khảo

Đồ án tốt nghiệp là tài liệu tham khảo kỹ thuật hữu ích cho:

• Sinh viên các ngành Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Cơ điện tử, Kỹ thuật Robot đang thực hiện đồ án môn học, đồ án tốt nghiệp liên quan đến điều khiển vị trí chuyển động (Motion Control), robot tọa độ Cartesian hoặc hệ thống phân loại sản phẩm.
• Kỹ sư thiết kế hệ thống tự động hóa công nghiệp đang tìm kiếm giải pháp ghép nối truyền thông giữa ứng dụng phần mềm máy tính (C# .NET) với bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q.

Các nội dung kỹ thuật có giá trị tham khảo cao trong đồ án:

• Sơ đồ đấu nối chi tiết chân tín hiệu phần cứng giữa PLC Mitsubishi dòng Q, module điều khiển vị trí QD75MH4 / QD75D2 với Servo Driver MR-J3-10B và Driver động cơ bước EXD2320B44.
• Phương pháp cấu hình tham số chuyển động (Positioning Parameters) và thiết lập giao tiếp mạng SSCNET III trên phần mềm GX Works2.
• Quy trình lập trình ứng dụng C# trên Visual Studio sử dụng thư viện MX Component để đọc/ghi thanh ghi dữ liệu PLC qua cổng USB.
• Phương pháp thiết kế giao diện điều khiển, giám sát HMI chuyên nghiệp trên phần mềm GT Designer3 và chạy mô phỏng qua GT SoftGOT2000.

Câu hỏi thường gặp

1. Bộ điều khiển trung tâm và các module mở rộng nào được sử dụng trong hệ thống? Hệ thống sử dụng CPU PLC Mitsubishi Q03UDCPU (bộ nhớ 120 KB, tốc độ xử lý lệnh LD 20ns) cắm trên khung Base unit Q312DB gồm 12 khe cắm mở rộng. Các module đi kèm bao gồm: module điều khiển vị trí 4 trục QD75MH4 (kết nối SSCNET III, 600 điểm định vị/trục), module điều khiển vị trí 2 trục QD75D2 (tốc độ xung tối đa 1 Mpps), module đầu vào số 64 kênh QX42 (24VDC) và module đầu ra số 8 kênh bán dẫn QY41P (dạng Transistor Sink, dòng định mức 0.2A/cổng).

2. Động cơ và driver điều khiển các trục chuyển động XYZ là loại nào? Hệ cơ cấu gắp 3 trục sử dụng hai động cơ AC Servo Mitsubishi HG-KR13 (công suất 100W, điện áp 200VAC) cho trục X, Y và một động cơ AC Servo HG-KR053 (công suất 50W, điện áp 200VAC) cho trục Z, đi kèm Servo Driver MR-J3-10B (độ phân giải encoder 1/4.194.304 xung/vòng). Ngoài ra, hệ thống tích hợp động cơ bước Step Motor EXMK299-02A (bước góc 1.8°, trở kháng 3.8 ohm) được điều khiển bởi bộ điều khiển Driver EXD2320B44 (dải nguồn AC 85-264V, dòng 2A).

3. Phần mềm nào được sử dụng để xây dựng thuật toán xử lý ảnh và giải thuật nhận dạng hoạt động ra sao? Thuật toán xử lý ảnh được lập trình bằng ngôn ngữ C# trên môi trường Microsoft Visual Studio 2017, thu nhận tín hiệu từ webcam. Giải thuật áp dụng tích chập làm mờ Gaussian Blur (ma trận lọc kích thước lẻ $3 \times 3$, $5 \times 5$, $7 \times 7$) nhằm triệt tiêu nhiễu, sau đó sử dụng kỹ thuật trừ nền Background Subtraction so sánh khung hình thực tế với ảnh nền chuẩn theo ngưỡng threshold để trích xuất biên dạng, tính toán tọa độ tâm và kích thước viên gạch.

4. Cơ chế nào cho phép truyền tọa độ gạch từ phần mềm xử lý ảnh trên máy tính xuống PLC? Ứng dụng C# trên máy tính sử dụng bộ thư viện hàm giao tiếp của phần mềm MX Component (Mitsubishi). MX Component thiết lập một trạm kết nối cổng USB giữa PC và CPU Q03UDCPU, cho phép ứng dụng đọc và ghi trực tiếp dữ liệu tọa độ tâm $(X, Y)$ của viên gạch vào các vùng nhớ thanh ghi số nguyên (Data Register) bên trong PLC theo thời gian thực.

5. Giới hạn kỹ thuật lớn nhất của hệ thống phân loại gạch trong đồ án là gì? Mô hình chỉ được chế tạo ở quy mô nghiên cứu với kích thước 60 x 80 x 80 (±10%) cm. Quá trình xử lý ảnh rất nhạy cảm với sự biến thiên của ánh sáng môi trường, chỉ nhận dạng được bề mặt trên của gạch (chưa quét được các mặt bên hay kiểm tra khuyết tật cấu trúc) và chỉ chấp nhận phân loại chính xác đối với các mẫu gạch có sai số kích thước không vượt quá 10% so với gạch mẫu chuẩn.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế, thi công mô hình hệ thống phân loại gạch tự động" của tác giả Hồ Ngọc Quỳnh và Trần Văn Thắng đã hoàn thành trọn vẹn mục tiêu nghiên cứu và chế tạo một mô hình tự động hóa phân loại, gắp thả sản phẩm 3 trục Cartesian. Đề tài kết hợp thành công khối điều khiển chuyển động công nghiệp hiệu năng cao (PLC Mitsubishi Q03UDCPU, module định vị QD75MH4, Servo Driver MR-J3) với công nghệ xử lý ảnh số trên máy tính qua phần mềm trung gian MX Component. Dù còn một số hạn chế về quy mô cơ khí, tốc độ bốc xếp và tính nhạy sáng của webcam, công trình đã giải quyết tốt bài toán gắp đặt gạch lên pallet một cách đồng bộ và cung cấp tài liệu kỹ thuật có giá trị thực tiễn cao cho chuyên ngành Kỹ thuật Tự động hóa.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, mục tiêu, nội dung nghiên cứu, giới hạn của đề tài Chương 2:CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương này trình bày về cơ sở lý thuyết của hệ thống, các thiết bị, phương pháp điều khiển, xử lý ảnh. Chương 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG MÔ HÌNH Trình bày về việc thiết kế, thi công, tính toán lựa chọn các thiết bị điện phù hợp, các cơ cấu cơ khí. Tìm hiểu việc sử dụng và kết nối các thiết bị điện với nhau. Chương 4: VẬN HÀNH VÀ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN Thực hiện việc viết chương trình điều khiển, các thuật toán xử lý ảnh và giải thuật điều khiển tay gắp.

Sử dụng các ứng dụng hỗ trợ cho việc thực hiện đề tài. Chương 5: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT VÀ ĐÁNH GIÁ Trình bày kết quả đã thực hiện được, đưa ra nhận xét và đánh giá. Chương 6: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Đưa ra kết luận và hướng phát triển cho mô hình. GIỚI HẠN Hệ thống này là một trong số những đề tài đã được nghiên cứu và ứng dụng trong công nghiệp sản xuất.

Áp dụng cho gạch xây dựng. Đề tài chỉ dừng lại ở việc nghiên cứu, mô hình có kích thước nhỏ so với công nghiệp. Quá trình phân loại sản phẩm bằng xử lý ảnh bị ảnh hưởng bởi ánh sáng, tín hiệu nhiễu. Chỉ phân loại được mặt trên của gạch, có sai số về kích thước lớn hơn 10% gạch chuẩn.

16 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Chương 2. TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG Hệ thống phân loại sản phẩm là một hệ thống có khả năng phân loại sản phẩm theo một tiêu chí cụ thể được ứng dụng rất rộng rãi trong hầu hết các lĩnh vực như nông nghiệp, công nghiệp và dịch vụ. Một hệ thống phân loại sản phẩm hiệu quả có thể giúp đơn giản hóa quá trình quản lý sản phẩm, tạo ra sự đồng nhất trong cách thức phân loại và giúp cho việc tìm kiếm và đối chiếu thông tin về sản phẩm trở nên dễ dàng hơn. Các hệ thống phân loại sản phẩm đa dạng và có thể được xây dựng dựa trên nhiều tiêu chí khác nhau, tùy thuộc vào mục đích sử dụng và yêu cầu của tổ chức.

Không chỉ ứng dụng các thiết bị công nghệ hiện đại để phát hiện các thuộc tính của sản phẩm mà ngày nay chúng ta đã tự động hóa quá trình phân loại sản phẩm giúp giảm thiểu sai sót do yếu tố con người, vận hành và thao tác vô cùng dễ dàng, tiết kiệm thời gian và chi phí, nâng cao năng suất và sản lượng của đơn vị sở hữu hệ thống phân loại. Phân Loại Sản Phẩm Ứng Dụng Xử Lý Ảnh. Hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh là một hệ thống tự động hóa được thiết kế để phân loại các sản phẩm dựa trên các hình ảnh của chúng. Hệ thống này sử dụng các thuật toán xử lý ảnh để trích xuất các đặc trưng từ hình ảnh sản phẩm, sau đó sử dụng các thuật toán phân loại sản phẩm dựa trên các đặc trưng đó.

Các thành phần cơ bản của hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh bao gồm: - Thu thập dữ liệu: Hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh cần có một bộ dữ liệu ảnh đủ lớn và đa dạng để huấn luyện các thuật toán học máy. Dữ liệu này có thể được thu thập bằng cách chụp ảnh sản phẩm thực tế hoặc tải ảnh từ các nguồn dữ liệu công cộng. - Xử lý ảnh: Để trích xuất các đặc trưng từ hình ảnh sản phẩm, hệ thống phân loại sản phẩm ứng dụng xử lý ảnh sử dụng các thuật toán xử lý ảnh như lọc, phân ngưỡng, phân vùng và trích xuất đặc trưng. - Phân loại: Để phân loại sản phẩm dựa trên các đặc trưng ta có thể so sánh trực tiếp nếu các đặc trưng đó có thể mô hình hóa dưới dạng toán học.

Ngoài ra người ta còn phân loại sản phẩm bằng các thuật toán máy học như các mô hình như mạng neuron tích chập (CNN), mạng nơ-ron tách biệt, máy vector hỗ trợ (SVM), v. 17 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.1 Tổng quan về hệ thống phân loại 2. Hệ Thống Gắp Thả Vật 3 Trục XYZ Hệ thống được cấu thành từ 3 vitme thanh trượt, các vitme này lần lượt là các trục X,Y,Z. Sử dụng động cơ Servo hay Step motor để làm xoay các trục vitme.

Có khả năng linh hoạt trong việc gắp thả sản phẩm tới nhiều vị trí, do đó được ứng dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sản xuất.2 Hệ gắp thả vật 3 trục X,Y,Z Cấu tạo bên trong các trục chuyển động thường là một động cơ gắn với trục vitme 18 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT bi và trên vitme có gắn đai ốc. Khi động cơ quay, trục vitme qua dẫn đến chuyển động tịnh tiến của đai ốc dọc theo trục. Trên đai ốc được hàn hoặc liên kết với các trục ta sẽ được một Robot Cartesian di chuyển theo trục XYZ và trên đai ốc của trục Z ta gắn cơ cấu gắp, thả vật thì Robot có thể gắp thả được vật nằm trong vùng làm việc của nó. GIỚI THIỆU CHUNG VỀ PLC 2.

Khái Niệm Programmable Logic Controller(PLC) là một thiết bị điều khiển logic có thể lập trình, được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp để tự động hóa các quy trình điện cơ, điều khiển máy móc trên các dây chuyền lắp ráp, được sử dụng nhiều trong các ngành công nghiệp sản xuất, dầu khí, giao thông. PLC được phát triển từ năm 1960, nhằm thay thế các hệ thống điều khiển truyền thống, hệ thống logic relay được kết nối dây cứng và các mối nối thực hiện bằng cách đấu nối và hàn. Hệ truyền thống khó khăn trong việc sửa chữa và thay đổi, không có khả năng linh hoạt như PLC. Do có những ưu điểm vượt trội nên PLC được sử dụng rộng rãi để điều khiển các tín hiệu đầu ra và đầu vào của hệ thống, nó có mặt hầu hết ở các công ty, xí nghiệp, nơi mà có các hệ thống điện.

Để có thể viết được các chương trình logic điều khiển, ta có thể sử dụng nhiều loại ngôn ngữ khác nhau được hỗ trợ như Ladder logic, Function .Block Diagram, Structured Text.Sử dụng phổ biến nhất là ngôn ngữ Ladder logic(LD), đây là dạng ngôn ngữ lập trình đồ họa sử dụng các ký tự để biểu diễn các hoạt động logic, do đó các lập trình viên dễ dàng học, hiểu được và khắc phục sự cố trong chương trình. CPU MEMORY MODULE POWER SUPPLY OUTPUT INPUT Hình 2.3 Sơ đồ khối các thành phần PLC 19 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT Các thành phần cơ bản của PLC - A processor (CPU): Là bộ xử lý của PLC, thực thi các chương trình điều khiển, là một vi xử lý nhỏ, tiết kiệm điện năng. - Input modules: Được sử dụng để kết nối với các thiết bị bên ngoài, chúng nhận tín hiệu analog và digital. Các module đầu vào digital nhận các tín hiệu như ON/OFF hay giá trị logic 0 hoặc 1, nhận từ các công tắc bật tắt, cảm biến, relay.

Các module đầu vào analog thường là các tín hiệu liên tục như dòng điện, nhiệt độ, module sẽ chuyển đổi các tín hiệu này thành tín hiệu số mà PLC có thể hiểu được. - Output modules: Các module đầu ra được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện. Các module đầu ra digital điều khiển các thiết bị như đèn báo, van điện từ, relay. Các module đầu ra analog chuyển đổi tín hiệu số từ PLC thành tín hiệu analog để sử dụng điều khiển các thiết bị như động cơ, thanh gia nhiệt.

- Memory: Bộ nhớ là nơi lưu trữ chương trình và dữ liệu. Có hai loại bộ nhớ trong PLC là RAM và ROM, ROM là bộ nhớ chỉ đọc dùng để lưu trữ chương trình, RAM là bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên dùng để lưu trữ các tín hiệu đầu vào và đầu ra, các biến và giá trị tạm thời. - Power supply: Cung cấp nguồn cho PLC hoạt động, nó chuyển đổi điện xoay chiều thành một chiều. Đặc Điểm Có thiết kế đủ bền để có thể hoạt động trong môi trường khắc nghiệt trong công nghiệp, như bụi bẩn, rung lắc.

Có khả năng hoạt động liên tục không ngừng nghỉ. Dễ dàng lập trình và khắc phục sự cố do sử dụng ngôn ngữ lập trình đơn giản, tiếp cận nhanh, dễ dàng sử dụng. Có khả năng điều khiển các loại thiết bị và hệ thống khác nhau, có các tính năng thông minh như tự phát hiện lỗi, ghi lại nhật ký dữ liệu. PLC có thể được mở rộng để đáp ứng nhu cầu của hệ thống điều khiển.

HỆ THỐNG AC SERVO Các hệ thống AC Servo thường bao gồm ba thành phần chính: động cơ Servo, bộ điều khiển Servo và thiết bị phản hồi. Động cơ Servo là thành phần chuyển đổi năng lượng điện thành chuyển động cơ học. Bộ điều khiển Servo chịu trách nhiệm kiểm soát tín hiệu điều khiển cung cấp cho động cơ. Thiết bị phản hồi cung cấp thông tin về vị trí, tốc độ và mô-men xoắn của trục động cơ, được hệ thống điều khiển sử dụng để điều chỉnh tín hiệu đầu vào cho động cơ.

Hệ thống thường đạt hiệu quả cao hơn các hệ thống điều khiển chuyển động khác như khí nén, thủy lực. Do quá trình chuyển đổi trực tiếp từ điện năng thành chuyển động cơ học mà không cần phải qua các quá trình chuyển đổi trung gian. Động Cơ Servo 20 Chương 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Khái Niệm Động cơ Servo là một loại động cơ điện được điều khiển bằng phương pháp phản hồi vòng khép kín.

Hoạt động bằng cách nhận tín hiệu điện từ bộ điều khiển, điều khiển động cơ tới vị trí mong muốn, động cơ sau đó sử dụng phản hồi vòng khép kín để điều chỉnh vị trí và tốc độ dựa trên tín hiệu mà nó nhận được. Cơ chế này giúp cho động cơ giữ được vị trí của nó khi có lực bên ngoài tác động vào lúc động cơ đang hoạt động. Động cơ được chia làm nhiều loại, dựa vào yếu tố nguồn điện, cấu tạo, có hai loại cơ bản đó là: - Động cơ Servo DC - Động cơ Servo AC 2. Động Cơ Dc Servo DC Servo là một loại động cơ Servo được thiết kế để hoạt động bằng cách sử dụng nguồn điện một chiều.

Có thể cung cấp momen xoắn cao ở tốc độ thấp, có khả năng chuyển động chính xác. Phần cấu tạo có bàn chải(thanh than chì) và commutator, khi động cơ hoạt động thì hai bộ phận này tiếp xúc với nhau tạo ra ma sát, tạo ra sự mài mòn theo thời gian, sẽ ảnh hưởng tới hiệu suất, độ chính xác của động cơ, do đó khi sử dụng động cơ cần phải bảo trì định kỳ.4 Động cơ DC Servo 2.