Đồ án tốt nghiệp: Ứng dụng robot 5 bậc tự do và camera công nghiệp để phát triển sản phẩm lỗi

Đồ án nghiên cứu tốt nghiệp công nghệ kỹ thuật điều khiển và tự động hóa ứng dụng robot 5 bậc tự do kết, áp dụng công nghệ tiên tiến, tối ưu giải pháp kỹ thuật cho bài

• Tác giả: Trương Trọng Sang
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Tử Đức
• Trường học: Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Công nghệ Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa
• Đề tài: Ứng dụng robot 5 bậc tự do kết hợp với camera công nghiệp phát hiện sản phẩm lỗi
• Loại tài liệu: Đồ án tốt nghiệp
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
• 1.1. Mục tiêu nghiên cứu
• 1.2. Nội dung nghiên cứu
• 1.3. Giới hạn đề tài
• 2. CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
• 2.1. Giới thiệu chung về PLC
• 2.2. Tổng quan về PLC
• 2.3. Đặc điểm của PLC
• 2.4. Vai trò ứng dụng của PLC
• 2.5. PLC dòng Q của MITSUBISHI
• 2.5.1. Tổng quan về PLC dòng Q
• 2.5.2. Các dòng sản phẩm PLC Q series
• 2.5.3. Nguyên lý hoạt động của PLC
• 2.6. Tổng quan về Encoder
• 2.6.1. Phân loại Encoder
• 2.7. Bộ điều khiển động cơ servo
• 2.7.1. Các tính năng nổi bật của bộ điều khiển servo Mitsubishi
• 2.7.2. Ứng dụng của bộ điều khiển servo Mitsubishi
• 2.8. Ngôn ngữ lập trình Motion SFC
• 2.8.1. Sơ lược về ngôn ngữ SFC
• 2.8.2. Trình tự PLC thực hiện các bước trong chương trình SFC
• 2.8.3. Bảng và biểu tượng chương trình SFC
• 2.9. Các bài toán động học của Robot
• 2.9.1. Bài toán đặt trục
• 2.9.2. Động học thuận
• 2.9.3. Động học nghịch
• 2.9.4. Qui hoạch quỹ đạo
• 2.9.5. Quy trình điều khiển Robot cơ bản
• 2.10. Tổng quan về Cognex VisionPro
• 2.10.1. QuickBuild: Môi trường phát triển ứng dụng thị giác máy trực quan
• 2.10.2. Các tính năng chính của Cognex VisionPro
• 2.10.3. Ứng dụng của Cognex VisionPro
• 2.11. Phương pháp xác định vị trí bàn làm việc chứa đối tượng vật thể
• 2.11.1. Các phương pháp xác định vị trí bàn làm việc
• 2.11.2. Lựa chọn phương pháp phù hợp
• 2.12. Phương pháp xác định nắp, ron, nhãn, lô sản xuất và hạn sử dụng bằng thị giác máy
• 2.12.1. Xác định nắp và ron bằng Cognex VisionPro CogHistogramTool
• 2.12.2. Xác định nhãn, lô sản xuất và hạn sử dụng bằng Cognex VisionPro OCR Tool
• 3. THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG
• 3.1. Thi công phần cứng
• 3.2. Yêu cầu thiết kế
• 3.3. Thiết kế và bố trí phần cứng
• 3.4. Thi công phần điện
• 3.5. Lựa chọn thiết bị
• 3.5.1. Lựa chọn van và xylanh khí nén
• 3.5.2. Lựa chọn camera
• 3.6. Thi công thiết kế giao diện người dùng
• 3.6.1. Giao diện SoftGot2000
• 3.7. Các bài toán giải thuật cho Robot
• 3.7.1. Đặt trục cho cánh tay robot
• 3.7.2. Xây dựng bảng DH. Tính toán động học thuận
• 3.7.3. Tính toán động học nghịch
• 3.7.4. Hướng của robot. Không gian làm việc
• 3.8. Giải thuật xử lý ảnh
• 3.9. Điều khiển Robot
• 4. CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH HỆ THỐNG
• 4.1. Kiểm chứng động học thuận
• 4.2. Kiểm chứng động học nghịch
• 4.3. Kiểm tra lỗi sản phẩm
• DANH SÁCH HÌNH ẢNH
• DANH SÁCH BẢNG
• DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Tóm tắt

I. Tổng quan về ứng dụng robot 5 bậc tự do và camera công nghiệp

Ứng dụng robot 5 bậc tự do kết hợp với camera công nghiệp đang trở thành xu hướng trong phát triển sản phẩm, đặc biệt trong việc phát hiện sản phẩm lỗi. Hệ thống này tận dụng công nghệ robot và tự động hóa để tối ưu hóa quy trình sản xuất, giảm thiểu sai sót và nâng cao chất lượng sản phẩm. Robot 5 bậc tự do với khả năng di chuyển linh hoạt trong không gian 3 chiều, kết hợp với camera công nghiệp để phân tích hình ảnh, giúp phát hiện lỗi sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả.

1.1. Robot 5 bậc tự do trong công nghiệp

Robot 5 bậc tự do là một trong những giải pháp công nghiệp hiệu quả, đặc biệt trong các hệ thống robot yêu cầu độ linh hoạt cao. Với khả năng thực hiện các động tác phức tạp, robot này được sử dụng rộng rãi trong các ngành sản xuất như lắp ráp, đóng gói và kiểm tra chất lượng. Sự kết hợp giữa robot công nghiệp và cảm biến công nghiệp như camera giúp tăng cường độ chính xác và hiệu suất của hệ thống.

1.2. Vai trò của camera công nghiệp

Camera công nghiệp đóng vai trò quan trọng trong việc phân tích dữ liệu hình ảnh để phát hiện sản phẩm lỗi. Với công nghệ hình ảnh tiên tiến, camera này có khả năng thu thập và xử lý hình ảnh với độ chính xác cao, giúp hệ thống nhận diện các lỗi sản phẩm một cách nhanh chóng và hiệu quả. Sự kết hợp giữa camera công nghiệp và robot 5 bậc tự do tạo nên một hệ thống robot hoàn chỉnh, đáp ứng nhu cầu tối ưu hóa sản xuất.

II. Phát triển sản phẩm lỗi với hệ thống robot và camera

Việc phát triển sản phẩm lỗi đòi hỏi sự chính xác và hiệu quả trong quá trình kiểm tra. Ứng dụng robot kết hợp với camera công nghiệp giúp tự động hóa quá trình này, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tăng cường độ chính xác. Hệ thống này không chỉ phát hiện lỗi sản phẩm mà còn cung cấp dữ liệu để tối ưu hóa sản xuất, giúp doanh nghiệp nâng cao chất lượng sản phẩm và giảm chi phí.

2.1. Quy trình sản xuất tự động hóa

Quy trình sản xuất được tự động hóa thông qua việc sử dụng robot 5 bậc tự do và camera công nghiệp. Hệ thống này giúp kiểm soát chất lượng sản phẩm một cách liên tục và chính xác, từ đó giảm thiểu lỗi sản phẩm và tăng hiệu suất sản xuất. Công nghệ robot và tự động hóa đóng vai trò then chốt trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

2.2. Giải pháp công nghiệp cho sản phẩm lỗi

Giải pháp công nghiệp sử dụng robot 5 bậc tự do và camera công nghiệp giúp phát hiện và phân loại sản phẩm lỗi một cách hiệu quả. Hệ thống này không chỉ giúp doanh nghiệp tiết kiệm thời gian và chi phí mà còn cung cấp dữ liệu để cải thiện quy trình sản xuất. Công nghệ hình ảnh và phân tích dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của hệ thống.

III. Tối ưu hóa sản xuất với hệ thống robot và camera

Tối ưu hóa sản xuất là mục tiêu hàng đầu của các doanh nghiệp trong thời đại công nghiệp 4.0. Ứng dụng robot 5 bậc tự do kết hợp với camera công nghiệp giúp tăng cường hiệu suất và độ chính xác trong quy trình sản xuất. Hệ thống này không chỉ giúp phát hiện lỗi sản phẩm mà còn cung cấp dữ liệu để cải thiện quy trình sản xuất, giúp doanh nghiệp đạt được mục tiêu tối ưu hóa sản xuất.

3.1. Công nghệ robot và tự động hóa

Công nghệ robot và tự động hóa đang thay đổi cách thức sản xuất trong các ngành công nghiệp. Robot 5 bậc tự do với khả năng di chuyển linh hoạt và camera công nghiệp với khả năng phân tích hình ảnh chính xác, tạo nên một hệ thống hoàn chỉnh giúp tăng cường hiệu suất và độ chính xác trong quy trình sản xuất.

3.2. Phân tích dữ liệu và tối ưu hóa

Phân tích dữ liệu từ camera công nghiệp giúp doanh nghiệp hiểu rõ hơn về các vấn đề trong quy trình sản xuất, từ đó đưa ra các giải pháp tối ưu hóa sản xuất. Công nghệ hình ảnh và phân tích dữ liệu đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao hiệu suất và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng công nghiệp lần thứ tư (Công nghiệp 4.0), quá trình tự động hóa sản xuất đóng vai trò quyết định đến việc nâng cao năng suất, tiết giảm chi phí vận hành và duy trì tính ổn định của chất lượng sản phẩm công nghiệp. Robot công nghiệp trở thành thành phần cốt lõi nhằm giải phóng sức lao động của con người khỏi những công việc nặng nhọc, độc hại và lặp đi lặp lại. Trong các dạng cấu trúc robot, cánh tay robot 5 bậc tự do có ưu thế khi kết hợp hài hòa giữa không gian làm việc tương đối rộng và giải thuật điều khiển ít phức tạp hơn so với robot 6 trục. Tuy nhiên, việc ứng dụng robot đơn thuần khó đáp ứng được các yêu cầu kiểm soát chất lượng linh hoạt nếu thiếu khả năng cảm nhận thị giác. Do đó, việc tích hợp thị giác máy tính công nghiệp vào hệ thống điều khiển robot là giải pháp kỹ thuật cần thiết để phân loại và phát hiện lỗi sản phẩm tự động.

Đề tài "Ứng dụng robot 5 bậc tự do kết hợp với camera công nghiệp phát hiện sản phẩm lỗi" do sinh viên Trương Trọng Sang và Bùi Trần Đình Vỹ thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Tử Đức tại Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh xác định các mục tiêu và nhiệm vụ nghiên cứu sau:

1. Xây dựng hệ thống tích hợp: Phát triển mô hình tích hợp phần cứng và phần mềm giữa cánh tay robot FANUC LR Mate 100iB 5 bậc tự do, camera Cognex và cơ cấu bàn xoay phục vụ quá trình kiểm tra lỗi sản phẩm.
2. Phát triển thuật toán xử lý ảnh: Nghiên cứu, xây dựng thuật toán thị giác máy tính trên nền tảng camera Cognex nhằm nhận diện và phân loại các dạng hư hỏng, khuyết tật trên sản phẩm.
3. Tối ưu hóa tốc độ bàn xoay: Xác định vận tốc quay phù hợp của bàn xoay nhằm đảm bảo camera thu nhận đủ dữ liệu hình ảnh sắc nét, không bị nhòe và thuật toán xử lý kịp thời.
4. Thiết kế giao diện người dùng: Xây dựng hệ thống giám sát và vận hành trên giao diện SoftGot2000 kết hợp ứng dụng C# cho phép thao tác điều khiển, cài đặt thông số và hiển thị kết quả kiểm tra.
5. Đánh giá hiệu quả: Thực nghiệm hệ thống trong mô hình thực tế để kiểm chứng độ chính xác của giải thuật động học robot, khả năng nhận dạng lỗi và hiệu suất phân loại.

Đối tượng nghiên cứu của đồ án là cánh tay robot công nghiệp FANUC LR Mate 100iB 5 bậc tự do, hệ thống điều khiển chuyển động đa trục họ PLC Q-Series của Mitsubishi, hệ thống thị giác máy tính Cognex và các mẫu sản phẩm có chứa nắp, ron, tem nhãn cùng các thông số in ấn. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện tại phòng thí nghiệm Bộ môn Tự động điều khiển, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP. Hồ Chí Minh trong mốc thời gian từ ngày 28/02/2024 đến ngày 25/06/2024. Đề tài giới hạn không gian gắp vật của robot ở tọa độ cố định, kiểm tra 5 dạng lỗi ngoại quan cụ thể trên sản phẩm mẫu và khống chế tốc độ quay của bàn xoay trong ngưỡng xử lý của hệ thống quang học.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án xây dựng trên nền tảng lý thuyết điều khiển chuyển động công nghiệp kết hợp với kỹ thuật thị giác máy tính và động học tay máy:

• Hệ thống điều khiển khả trình (PLC): Sử dụng cấu trúc PLC dòng Q của hãng Mitsubishi Electric. Nghiên cứu khai thác nguyên lý hoạt động theo chu trình quét tuần tự (quét ngõ vào, thực thi chương trình, quét ngõ ra, xử lý ngắt, truyền thông và tự chẩn đoán lỗi). Kiến trúc điều khiển áp dụng mô hình đa CPU gồm CPU logic Q03UDECPU kết hợp CPU điều khiển chuyển động chuyên dụng Motion CPU Q173DS.
• Lý thuyết động cơ Servo và Encoder: Khảo sát nguyên lý điều khiển vòng kín cho servo AC, sử dụng bộ mã hóa vị trí (Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối) để phản hồi sai lệch vị trí, vận tốc về bộ điều khiển Driver Servo Mitsubishi qua giao thức mạng cáp quang chuyên dụng.
• Ngôn ngữ lập trình Motion SFC (Sequential Function Chart): Áp dụng chuẩn lập trình đồ họa tuần tự Motion SFC để quản lý các bước điều khiển chuyển động (step), điều kiện chuyển tiếp (transition), nhánh song song và nhánh lựa chọn nhằm điều khiển chuyển động đồng bộ các trục servo thông qua Motion CPU Q173DS.
• Động học robot: Thiết lập hệ tọa độ các khâu khớp theo quy tắc Denavit-Hartenberg (D-H) dựa trên phương pháp của John J. Craig. Từ bảng thông số D-H, nhóm tác giả xây dựng ma trận chuyển đổi thuần nhất để giải bài toán động học thuận (Forward Kinematics), tìm vị trí và hướng khâu chấp hành cuối. Đồng thời, giải thuật động học nghịch (Inverse Kinematics) được thiết lập dạng giải tích để quy đổi tọa độ không gian làm việc sang các góc khớp tương ứng. Phương pháp quy hoạch quỹ đạo sử dụng đa thức bậc 3 và đa thức bậc 5 nhằm làm mịn vận tốc và gia tốc chuyển động của các trục khớp.
• Xử lý ảnh công nghiệp với Cognex VisionPro: Khai thác môi trường phát triển ứng dụng QuickBuild. Trong đó, công cụ CogHistogramTool được ứng dụng để phân tích biểu đồ tần số mức xám phục vụ phát hiện sự hiện diện của nắp và ron cao su; công cụ CogOCRTool (Optical Character Recognition) được sử dụng để phân đoạn và nhận dạng ký tự quang học nhằm kiểm tra tính hợp lệ của tem nhãn, số lô sản xuất và hạn sử dụng.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được tiến hành qua các giai đoạn: tính toán lý thuyết ma trận động học, mô phỏng trên máy tính, chạy kiểm chứng thực tế từng trục ở chế độ JOG, kiểm nghiệm độ chính xác của bài toán động học thuận và nghịch qua việc đối chiếu tọa độ mô phỏng với chuyển động thực, và cuối cùng là thực nghiệm phân loại sản phẩm trên bàn xoay qua nhiều cấp tốc độ và khối lượng mẫu khác nhau.

Thiết kế và triển khai hệ thống

Đồ án thực hiện tích hợp hoàn chỉnh hệ thống phần cứng cơ điện tử, mạng truyền thông công nghiệp và phần mềm điều khiển - giám sát theo các phân hệ sau:

Nhóm chức năng	Thiết bị / Module	Thông số kỹ thuật & Vai trò
Bộ điều khiển trung tâm	Mitsubishi Base Q38B, Nguồn Q61P	Khung đế 8 slot gắn các module, bộ nguồn cấp điện 100-240VAC cho rack PLC
CPU điều khiển logic	Mitsubishi Q03UDECPU	Xử lý logic chung, quản lý tín hiệu I/O và truyền thông Ethernet
CPU Motion	Mitsubishi Q173DS / Q173D(S)	Điều khiển chuyển động đa trục chuyên dụng, lập trình bằng ngôn ngữ Motion SFC
Module xuất số	Mitsubishi QY42P	64 ngõ ra transistor dùng kích hoạt các cơ cấu phụ trợ và van khí nén
Driver Servo	Mitsubishi MR-J3W-22B, MR-J4W2-22B	Bộ khuếch đại servo điều khiển 2 trục độc lập, kết nối mạng SSCNETIII/H
Động cơ Servo	Mitsubishi HG-KR23B, HF-MP13	Động cơ servo xoay AC điều khiển chuyển động các trục robot và bàn xoay
Robot công nghiệp	FANUC LR Mate 100iB	Cánh tay robot 5 bậc tự do đảm nhận thao tác gắp và phân loại sản phẩm
Cơ cấu chấp hành khí	SMC SY5220-5MZ-01, SMC MHZ2-20D	Van điện từ 5/2 và xylanh tay kẹp khí nén kẹp giữ sản phẩm
Thiết bị bảo vệ	MCCB EA52AC, CB CP30-BA	Đóng cắt, bảo vệ ngắn mạch và quá tải cho mạch động lực và điều khiển
Hệ thống thị giác máy	Cognex CAM-CIC-10MR-10G	Camera công nghiệp độ phân giải 10MP, kết nối giao tiếp mạng GigE
Quang học & Bản quyền	Fujinon HF8XA-5M, Key VisionPro	Ống kính tiêu cự 8mm chuyên dụng chống méo hình; USB Dongle kích hoạt VisionPro

Hạ tầng truyền thông trong hệ thống được thiết lập theo hai tuyến:

• Tuyến điều khiển chuyển động: Sử dụng mạng cáp quang tốc độ cao SSCNETIII/H kết nối trực tiếp từ Motion CPU Q173DS đến các bộ Driver Servo MR-J3W-22B và MR-J4W2-22B, bảo đảm khả năng chống nhiễu điện từ và đồng bộ hóa chu kỳ điều khiển vị trí ở mức mili-giây.
• Tuyến truyền thông dữ liệu và giám sát: Thiết lập mạng cục bộ Ethernet kết nối máy tính điều khiển (PC/Laptop), CPU PLC Q03UDECPU, Camera Cognex và cổng mạng thông qua bộ chuyển mạch Hub Switch để truyền dữ liệu xử lý ảnh, lệnh điều khiển chu trình và trạng thái hệ thống.

Về phần mềm và giao diện người dùng:

• Giao diện SoftGot2000: Mô phỏng giao diện màn hình cảm ứng HMI của Mitsubishi, bao gồm các trang chức năng: JOG (vận hành nhấp từng trục bằng tay), Go ABS (chạy về vị trí gốc hoặc vị trí tọa độ tuyệt đối), POS (thiết lập và hiển thị tọa độ các điểm gắp/đặt), ERROR (hiển thị mã lỗi và cảnh báo sự cố phần cứng/phần mềm), AUTO (giám sát chu trình chạy tự động liên tục).
• Giao diện ứng dụng C#: Xây dựng giao diện kết nối trên máy tính gồm khối chức năng CONNECT (thiết lập giao thức với PLC và Camera Cognex), khối tải chương trình điều khiển, và khu vực hiển thị trực tiếp kết quả phân loại sản phẩm đạt chuẩn (OK) hoặc lỗi (NG) kèm thông tin phân tích cụ thể.

Nội dung chính theo từng chương

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nội dung chương trình bày bối cảnh công nghiệp hóa gắn liền với làn sóng Công nghiệp 4.0; phân tích vai trò của tự động hóa và cánh tay robot công nghiệp trong dây chuyền sản xuất hiện đại. Tác giả đi sâu giới thiệu dòng robot 5 bậc tự do FANUC LR Mate 100iB, phân tích lý do chọn cấu hình 5 bậc do tính cân bằng giữa tầm với và thuật toán điều khiển. Đồng thời, chương 1 giới thiệu vai trò của camera công nghiệp Cognex trong thị giác máy, nêu rõ 5 mục tiêu nghiên cứu, nội dung chi tiết theo từng giai đoạn thực hiện và các giới hạn kỹ thuật của đề tài.

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Chương 2 tổng hợp toàn bộ nền tảng lý thuyết của các thiết bị và thuật toán sử dụng trong đồ án:

• Phân tích cấu trúc phần cứng, đặc điểm vận hành và chu trình vòng quét của PLC dòng Q Mitsubishi (phân định các dòng từ siêu nhỏ gọn đến cao cấp).
• Trình bày nguyên lý hoạt động của động cơ bước và động cơ servo AC, cấu trúc vòng kín và bộ điều khiển servo Mitsubishi (các dòng MR-J4, MR-J3).
• Phân loại bộ mã hóa xung Encoder (Encoder tuyệt đối và Encoder tương đối), cơ chế đọc xung pha A, B, Z.
• Cấu trúc ngôn ngữ lập trình Motion SFC trên CPU Motion Q173DS, các biểu tượng đồ họa mô tả chu trình chuyển động.
• Phương pháp đặt trục tọa độ Denavit-Hartenberg theo John J. Craig, các bước thiết lập phương trình động học thuận, giải thuật động học nghịch và kỹ thuật quy hoạch quỹ đạo bậc 3, bậc 5.
• Tổng quan phần mềm Cognex VisionPro, giao diện QuickBuild, phương pháp xác định vị trí bàn làm việc và các giải thuật kiểm tra nắp/ron bằng CogHistogramTool, kiểm tra nhãn/số lô/hạn sử dụng bằng CogOCRTool.

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ VÀ THI CÔNG HỆ THỐNG

Trình bày chi tiết quy trình thi công hệ thống thực tế:

• Yêu cầu thiết kế kỹ thuật, bố trí mặt bằng không gian làm việc giữa bàn xoay, camera Cognex và robot FANUC LR Mate 100iB.
• Tính toán lựa chọn và đấu nối thiết bị điện: bảng thông số kỹ thuật của MCCB EA52AC, CB CP30-BA, Base Q38B, Nguồn Q61P, CPU Q03UDECPU, Motion CPU Q173DS, module xuất số QY42P, Driver MR-J3W-22B, MR-J4W2-22B, Servo HG-KR23B, HF-MP13, van khí SMC SY5220-5MZ-01 và tay kẹp MHZ2-20D.
• Thiết kế sơ đồ mạch động lực, mạch điều khiển, sơ đồ kết nối cáp quang mạng SSCNETIII/H và sơ đồ mạng Ethernet.
• Thiết kế chi tiết các trang giao diện SoftGot2000 (JOG, Go ABS, POS, ERROR, AUTO) và giao diện phần mềm trên C#.
• Thiết lập hệ trục D-H cho robot 5 bậc tự do, xây dựng bảng thông số D-H, tính toán giải tích nghiệm động học thuận và nghịch, phân tích hướng và không gian làm việc của robot.
• Xây dựng lưu đồ giải thuật xử lý ảnh trên camera Cognex và lưu trình vận hành tự động toàn hệ thống (chế độ AUTO).

CHƯƠNG 4: VẬN HÀNH HỆ THỐNG

Nội dung chương tập trung vào công tác kiểm chứng và đo đạc thực nghiệm:

• Kiểm chứng động học thuận: So sánh kết quả mô phỏng với góc quay trục thực tế trên mô hình qua các bộ góc khớp cụ thể ($\theta_1 = 0^\circ, \theta_2 = 90^\circ, \theta_3 = -90^\circ, \theta_4 = 0^\circ, \theta_5 = 0^\circ$; $\theta_1 = 0^\circ, \theta_2 = 0^\circ, \theta_3 = 0^\circ, \theta_4 = 0^\circ, \theta_5 = 0^\circ$; $\theta_1 = 90^\circ, \theta_2 = 0^\circ, \theta_3 = 90^\circ, \theta_4 = 0^\circ, \theta_5 = 0^\circ$; $\theta_1 = 0^\circ, \theta_2 = 0^\circ, \theta_3 = 0^\circ, \theta_4 = 90^\circ, \theta_5 = 0^\circ$).
• Kiểm chứng động học nghịch: Tiến hành 3 lần kiểm nghiệm độc lập, đối chiếu giữa tọa độ đặt và góc khớp hồi quy để xác minh tính chính xác của giải thuật.
• Thực nghiệm kiểm tra lỗi sản phẩm: Phân loại chi tiết mẫu đạt chuẩn (OK) và các dạng lỗi không đạt (NG). Tiến hành thực nghiệm 8 lần trên khay đựng sản phẩm, lập bảng kết quả đối chiếu phân loại theo từng cấp tốc độ quay của bàn xoay và theo số lượng sản phẩm đưa vào hệ thống.

Kết quả và đóng góp

Đồ án đạt được các kết quả kỹ thuật cụ thể dựa trên số liệu thực nghiệm:

• Đấu nối và tích hợp thành công hệ thống phần cứng hoàn chỉnh, giải quyết được triệt để vấn đề nhiễu tín hiệu xung điều khiển động cơ servo của robot FANUC LR Mate 100iB thông qua mạng cáp quang SSCNETIII/H.
• Xây dựng chính xác mô hình toán động học cho robot 5 bậc tự do. Kết quả kiểm chứng động học thuận qua 4 bộ thông số góc khớp và kiểm chứng động học nghịch qua 3 lần thử nghiệm cho thấy vị trí thực tế của khâu chấp hành cuối bám sát tọa độ tính toán lý thuyết và mô phỏng.
• Hoàn thiện thuật toán thị giác máy trên Cognex VisionPro (QuickBuild), phân loại chính xác các trạng thái sản phẩm theo tiêu chí đối chiếu:

Trạng thái sản phẩm	Tiêu chí nhận diện kỹ thuật	Công cụ thị giác máy	Đánh giá
Đạt chuẩn (OK)	Đầy đủ nắp, ron, tem nhãn, số lô, hạn sử dụng rõ nét	Histogram + OCR	Chấp nhận
Lỗi mất nắp (NG)	Mức xám vùng cổ chai không đạt ngưỡng quy định	CogHistogramTool	Loại bỏ
Lỗi mất ron (NG)	Không phát hiện vòng đệm cao su tại rãnh nắp	CogHistogramTool	Loại bỏ
Lỗi mất nhãn hiệu (NG)	Không nhận diện được vùng biên dạng và ký tự nhãn	CogOCRTool	Loại bỏ
Lỗi mất hạn sử dụng (NG)	Ký tự HSD bị thiếu, nhòe hoặc không quét được ký tự	CogOCRTool	Loại bỏ
Lỗi mất lô sản xuất (NG)	Thiếu chuỗi ký tự định danh mã lô sản xuất	CogOCRTool	Loại bỏ

• Đánh giá khả năng vận hành thông qua 8 lượt thực nghiệm liên tục trên khay đựng sản phẩm, thu thập dữ liệu về độ chính xác phân loại tương ứng với từng cấp tốc độ quay của bàn xoay và mật độ sản phẩm đưa vào kiểm tra.
• Xây dựng thành công hệ thống giao diện điều khiển đa cấp: giao diện SoftGot2000 hỗ trợ kỹ thuật viên thao tác cấu hình tham số chuyển động, và giao diện C# trực quan hóa kết quả phân loại phục vụ giám sát thời gian thực.
• Đóng góp tự nêu của nhóm tác giả: Làm chủ quy trình công nghệ tích hợp hệ thống điều khiển đa trục phức tạp bằng Motion CPU chuyên dụng của Mitsubishi, kết hợp thành công thuật toán thị giác máy tính công nghiệp cấp cao với robot 5 bậc tự do trong một bài toán kiểm soát chất lượng khép kín.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên giới hạn đề tài và quá trình vận hành thực tế được ghi nhận trong văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật:

• Cơ chế gắp đặt của robot chỉ thực hiện tại một vị trí tọa độ cố định, chưa có khả năng bám bắt động đối tượng khi vật thể đang di chuyển trên băng tải liên tục.
• Vận tốc của bàn xoay bị khống chế trong một ngưỡng nhất định nhằm đảm bảo thời gian phơi sáng của camera Cognex CAM-CIC-10MR-10G và tốc độ xử lý của thuật toán; nếu tăng tốc độ quay quá cao, ảnh chụp sẽ bị nhòe dẫn đến nhận dạng sai.
• Hệ thống mới chỉ tập trung phân loại 5 dạng lỗi ngoại quan cơ bản đã được lập trình sẵn trên mẫu chai lọ, chưa mở rộng cho các dạng hư hỏng phức tạp khác như nứt vỡ, móp méo hay lệch ren nắp.
• Độ ổn định của thuật toán xử lý ảnh còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường nhà xưởng như biến động ánh sáng bên ngoài, bụi bám vào thấu kính và rung động cơ khí từ các cơ cấu chấp hành.
• Chi phí đầu tư trang thiết bị công nghiệp (PLC Q-Series, Motion CPU, camera Cognex, robot FANUC) tương đối lớn, đòi hỏi nguồn vốn đầu tư ban đầu cao.

Hướng mở rộng nghiên cứu được tác giả định hướng:

• Tích hợp thêm cảm biến hoặc giải thuật visual tracking để robot có thể bám bắt và phân loại sản phẩm chuyển động trực tiếp trên băng chuyền động.
• Nâng cấp các thuật toán xử lý ảnh nhằm thích ứng với điều kiện ánh sáng thay đổi và mở rộng nhận diện nhiều chủng loại khuyết tật sản phẩm khác nhau.
• Tối ưu hóa chu kỳ quét và thuật toán thị giác nhằm nâng cao tốc độ bàn xoay, từ đó gia tăng năng suất kiểm tra tự động của dây chuyền.

Giá trị tham khảo

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

Tài liệu đặc biệt hữu ích ở các nội dung:

• Quy trình toán học thiết lập bảng thông số Denavit-Hartenberg theo chuẩn John J. Craig và phương pháp giải tích bài toán động học thuận/nghịch cho tay máy 5 bậc tự do công nghiệp.
• Tài liệu hướng dẫn thực tế về cấu hình, đấu nối phần cứng hệ thống PLC Mitsubishi đa CPU (Q03UDECPU kết hợp Motion CPU Q173DS) giao tiếp với các bộ Driver Servo MR-J3W và MR-J4W2 qua mạng cáp quang SSCNETIII/H.
• Cấu trúc lập trình điều khiển chuyển động bằng ngôn ngữ Motion SFC chuyên dụng trên phần mềm chuyên ngành của Mitsubishi.
• Kỹ thuật xây dựng ứng dụng xử lý ảnh công nghiệp trên phần mềm Cognex VisionPro QuickBuild (các công cụ CogHistogramTool, CogOCRTool) và giải pháp truyền thông liên kết giữa camera, PLC với giao diện giám sát C#.

Câu hỏi thường gặp

1. Cánh tay robot được sử dụng trong hệ thống là dòng nào và có cấu hình chuyển động ra sao?
Hệ thống sử dụng cánh tay robot công nghiệp FANUC LR Mate 100iB có cấu hình 5 bậc tự do (5 trục chuyển động), hoạt động kết hợp với cơ cấu kẹp phôi khí nén SMC (van SY5220-5MZ-01 và xylanh tay kẹp MHZ2-20D).

2. Bộ điều khiển nào được ứng dụng để điều khiển chuyển động các trục servo của hệ thống?
Hệ thống sử dụng kiến trúc đa CPU của Mitsubishi Electric gồm CPU điều khiển logic Q03UDECPU và CPU điều khiển chuyển động Motion CPU Q173DS, lập trình bằng ngôn ngữ Motion SFC và truyền thông điều khiển các Driver Servo (MR-J3W-22B, MR-J4W2-22B) qua mạng cáp quang SSCNETIII/H.

3. Camera Cognex và phần mềm VisionPro phát hiện những dạng lỗi cụ thể nào trên sản phẩm?
Hệ thống sử dụng camera Cognex CAM-CIC-10MR-10G (ống kính Fujinon HF8XA-5M) cùng phần mềm VisionPro để nhận diện 5 dạng lỗi: lỗi mất nắp chai, lỗi mất ron cao su (sử dụng công cụ CogHistogramTool), lỗi mất nhãn hiệu, lỗi mất hạn sử dụng và lỗi mất số lô sản xuất (sử dụng công cụ CogOCRTool).

4. Giao diện vận hành và giám sát hệ thống được xây dựng trên những nền tảng phần mềm nào?
Đồ án xây dựng hai hệ thống giao diện: giao diện SoftGot2000 (mô phỏng màn hình HMI Mitsubishi với các trang JOG, Go ABS, POS, ERROR, AUTO) để điều khiển trực tiếp các cơ cấu chấp hành và ứng dụng viết bằng ngôn ngữ C# trên máy tính để quản lý truyền thông, nạp chương trình và hiển thị trạng thái phân loại OK/NG.

5. Vì sao tốc độ của bàn xoay lại là một trong những thông số cần tối ưu hóa trong đồ án?
Tốc độ bàn xoay phải được khống chế ở mức phù hợp để đảm bảo camera Cognex thu nhận đủ thời gian phơi sáng và dữ liệu khung hình sắc nét; nếu bàn xoay quay quá nhanh, hình ảnh sẽ bị mờ nhòe chuyển động, khiến các thuật toán phân tích mức xám và nhận dạng ký tự quang học không thể trích xuất chính xác thông tin lỗi.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Trương Trọng Sang và Bùi Trần Đình Vỹ đã thiết kế, chế tạo và vận hành thành công hệ thống tích hợp cánh tay robot 5 bậc tự do FANUC LR Mate 100iB, camera công nghiệp Cognex và bàn xoay phục vụ phát hiện sản phẩm lỗi. Nghiên cứu đã làm chủ bài toán động học tay máy, ứng dụng hiệu quả nền tảng điều khiển chuyển động đa trục Mitsubishi Q-Series qua mạng cáp quang SSCNETIII/H cùng giải thuật thị giác máy tính trên Cognex VisionPro. Kết quả thực nghiệm qua 8 lượt thử nghiệm đã chứng minh hệ thống có khả năng nhận dạng chính xác 5 dạng khuyết tật sản phẩm và thực hiện chu trình phân loại tự động ổn định. Đồ án là tài liệu tham khảo kỹ thuật có giá trị ứng dụng cao cho việc nghiên cứu và triển khai các hệ thống robot kết hợp thị giác máy trong tự động hóa công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN Đưa ra các phương pháp đánh giá, kiểm chứng động học và giao diện người dùng. Ở chương này trình bày về kết quả đạt được và sai đó nhận xét về mục tiêu đã đặt ra từ ban đầu. Kết luận sau khi hoàn thành mô hình. Nêu ra ưu, nhược điểm và hướng phát triển của đồ án trong tương lai.

Giới hạn đề tài • Loại lỗi sản phẩm: Đề tài tập trung vào việc phát hiện một số loại lỗi sản phẩm cụ thể, có thể không bao gồm tất cả các loại lỗi có thể xảy ra. • Tốc độ bàn xoay: Do giới hạn của camera và thuật toán xử lý ảnh, tốc độ bàn xoay có thể bị giới hạn trong một khoảng nhất định để đảm bảo độ chính xác của kết quả kiểm tra. • Robot : gắp vật cố định. • Môi trường làm việc: Hiệu suất của hệ thống có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như ánh sáng, bụi bẩn và rung động.

• Chi phí: Việc triển khai hệ thống có thể yêu cầu đầu tư đáng kể về thiết bị và phần mềm. 14 BỘ MÔN ĐIỂN KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu chung về PLC [2].

Tổng quan về PLC Nằm ở trái tim của hệ thống tự động hóa công nghiệp, PLC (Programmable Logic Controller) như một nhạc trưởng tài ba, điều khiển mọi hoạt động của dàn nhạc máy móc. Với khả năng chịu đựng "khắc nghiệt" của môi trường công nghiệp, từ cái nóng như thiêu đốt đến độ ẩm "ướt át", từ những rung lắc "điên cuồng" đến những nhiễu loạn điện "bất ngờ", PLC vẫn vững vàng thực hiện nhiệm vụ của mình. Không chỉ là một chiếc máy tính kỹ thuật số thông thường, PLC còn là một "bộ não" thông minh, liên tục "đọc" và "hiểu" các tín hiệu từ thế giới máy móc xung quanh. Từ những cảm biến nhỏ bé cho đến những thiết bị công nghiệp đồ sộ, PLC đều có thể giao tiếp và điều khiển chúng một cách nhịp nhàng.

Với khả năng "biến hóa" khôn lường, PLC có thể thực hiện mọi nhiệm vụ, từ đơn giản như bật/tắt thiết bị cho đến phức tạp như điều khiển tốc độ động cơ, vị trí của robot hay thậm chí là cả một dây chuyền sản xuất. Chính nhờ sự linh hoạt và khả năng tùy biến cao này mà PLC đã trở thành "cánh tay phải" đắc lực của các kỹ sư trong việc tự động hóa, giúp nâng cao năng suất, chất lượng và hiệu quả sản xuất. Về cấu tạo, PLC được ví như một "cơ thể" hoàn chỉnh với các bộ phận chính như: • CPU (Central Processing Unit): Bộ não trung tâm, nơi diễn ra mọi hoạt động tư duy và ra quyết định. • Module Input/Output: Cánh cửa giao tiếp với thế giới bên ngoài, nơi tiếp nhận và truyền tải thông tin.

• Analog Input/Output: Đôi tai và miệng tinh tế, giúp PLC "nghe" và "nói" với các tín hiệu analog. PLC không chỉ là một thiết bị, mà còn là một cuộc cách mạng trong tự động hóa công nghiệp, mở ra một kỷ nguyên mới cho sự phát triển của ngành sản xuất. 15 BỘ MÔN ĐIỂN KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT Hình 2.

1 : Cấu trúc cơ bản của một hệ thống PLC • Bộ xử lý trung tâm (CPU): Đây là bộ não của PLC, chịu trách nhiệm thực hiện các phép tính logic, điều khiển chương trình và giao tiếp với các thiết bị khác. • Bộ nhớ: PLC có cả bộ nhớ trong (RAM) để lưu trữ chương trình và dữ liệu tạm thời, và bộ nhớ ngoài (ROM, EEPROM, Flash) để lưu trữ chương trình và dữ liệu vĩnh viễn. • Module vào/ra: Đây là các giao diện kết nối PLC với thế giới bên ngoài. Module vào nhận tín hiệu từ các cảm biến và thiết bị khác, trong khi module ra gửi tín hiệu điều khiển đến các thiết bị chấp hành.

• Nguồn cung cấp: Cung cấp điện năng cho hoạt động của PLC. • Giao diện lập trình: Cho phép người dùng lập trình và cấu hình PLC thông qua máy tính hoặc các thiết bị lập trình chuyên dụng. • Các thành phần khác: Tùy thuộc vào từng loại PLC và ứng dụng cụ thể, PLC có thể có thêm các thành phần khác như module truyền thông, module điều khiển chuyển động, module xử lý tín hiệu analog, v. 16 BỘ MÔN ĐIỂN KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2.

Đặc điểm của PLC PLC sở hữu một loạt các đặc điểm nổi bật làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho việc tự động hóa công nghiệp: • Khả năng lập trình linh hoạt: Một trong những ưu điểm vượt trội của PLC là khả năng lập trình linh hoạt, cho phép người dùng tùy chỉnh chức năng và hoạt động của PLC để phù hợp với yêu cầu cụ thể của từng ứng dụng. PLC hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau, bao gồm: • Ladder Logic (ngôn ngữ bậc thang): Đây là ngôn ngữ lập trình phổ biến nhất cho PLC, với giao diện trực quan dựa trên các sơ đồ mạch điện, giúp người dùng dễ dàng hiểu và tạo ra các chương trình điều khiển. • Function Block Diagram (sơ đồ khối chức năng): Ngôn ngữ này cho phép mô tả hệ thống một cách trực quan bằng các khối chức năng, giúp người dùng dễ dàng nắm bắt được luồng dữ liệu và logic điều khiển. • Structured Text (văn bản có cấu trúc): Ngôn ngữ này tương tự như các ngôn ngữ lập trình bậc cao như Pascal hay C, cung cấp khả năng lập trình phức tạp hơn cho các ứng dụng đòi hỏi tính linh hoạt cao.

Nhờ sự đa dạng về ngôn ngữ lập trình, người dùng có thể dễ dàng tạo ra các chương trình điều khiển phức tạp và tối ưu hóa hiệu suất của hệ thống. • Độ tin cậy cao: PLC được thiết kế để hoạt động trong môi trường công nghiệp khắc nghiệt, nơi có thể chịu tác động của nhiệt độ cao, độ ẩm, rung động và nhiễu điện. Các linh kiện điện tử của PLC được lựa chọn kỹ càng và trải qua quá trình kiểm tra nghiêm ngặt để đảm bảo độ bền và khả năng hoạt động ổn định trong thời gian dài. Ngoài ra, PLC còn được trang bị các tính năng bảo vệ như bảo vệ quá dòng, quá áp và ngắn mạch để ngăn ngừa các sự cố có thể xảy ra và đảm bảo an toàn cho hệ thống.

Điều này giúp giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động ngoài ý muốn, tăng tuổi thọ của thiết bị và tiết kiệm chi phí bảo trì. 17 BỘ MÔN ĐIỂN KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT • Khả năng mở rộng linh hoạt: PLC có kiến trúc mở, cho phép người dùng dễ dàng mở rộng hệ thống bằng cách thêm các mô-đun vào/ra (I/O) để đáp ứng nhu cầu thay đổi của ứng dụng. Các mô-đun này có thể là mô-đun vào/ra kỹ thuật số, mô-đun vào/ra analog, mô-đun truyền thông, mô-đun điều khiển chuyển động, v.

Nhờ đó, người dùng có thể nâng cấp và mở rộng hệ thống một cách linh hoạt mà không cần phải thay thế toàn bộ PLC, giúp tiết kiệm chi phí và thời gian. • Dễ dàng bảo trì và sửa chữa: PLC được thiết kế theo dạng mô-đun, với mỗi mô-đun thực hiện một chức năng cụ thể. Điều này giúp việc bảo trì và sửa chữa trở nên dễ dàng hơn, vì người dùng chỉ cần thay thế mô-đun bị lỗi mà không cần phải tháo dỡ toàn bộ hệ thống. Ngoài ra, nhiều PLC còn được trang bị các tính năng tự chẩn đoán lỗi, giúp người dùng nhanh chóng xác định và khắc phục sự cố, giảm thiểu thời gian ngừng hoạt động và tăng hiệu suất của hệ thống.

• Khả năng giao tiếp đa dạng: PLC có khả năng giao tiếp với nhiều loại thiết bị khác nhau thông qua các giao thức truyền thông khác nhau như Ethernet, Modbus, Profibus, v. Điều này cho phép PLC tích hợp vào các hệ thống tự động hóa lớn hơn, trao đổi dữ liệu với các thiết bị khác như cảm biến, thiết bị truyền động, hệ thống SCADA và giám sát từ xa thông qua mạng lưới. Nhờ đó, người dùng có thể quản lý và điều khiển toàn bộ hệ thống một cách tập trung và hiệu quả. • Hiệu suất cao: PLC có khả năng xử lý dữ liệu và thực hiện các phép tính logic với tốc độ cao, đáp ứng được yêu cầu của các ứng dụng thời gian thực.

Điều này giúp đảm bảo tính chính xác và hiệu quả của hệ thống điều khiển, đặc biệt là trong các ứng dụng đòi hỏi tốc độ phản ứng nhanh như điều khiển robot, điều khiển chuyển động và điều khiển quá trình. Vai trò ứng dụng của PLC PLC đóng vai trò quan trọng trong việc tự động hóa các quy trình công nghiệp. Chúng được sử dụng để điều khiển máy móc, thiết bị và quy trình sản xuất, giúp tăng 18 BỘ MÔN ĐIỂN KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2. CƠ SỞ LÝ THUYẾT năng suất, chất lượng và hiệu quả.

PLC cũng được sử dụng để giám sát và điều khiển các hệ thống an toàn, giúp bảo vệ người lao động và thiết bị. Một số ứng dụng phổ biến của PLC bao gồm: • Điều khiển máy móc: PLC được sử dụng để điều khiển các máy móc công nghiệp như máy CNC (điều khiển số bằng máy tính), máy ép nhựa, máy đóng gói và các loại máy móc tự động khác. • Điều khiển quy trình sản xuất: PLC được sử dụng để điều khiển các quy trình sản xuất như quy trình sản xuất ô tô, quy trình sản xuất thực phẩm, quy trình sản xuất hóa chất và các quy trình sản xuất khác. • Giám sát và điều khiển hệ thống an toàn: PLC được sử dụng để giám sát và điều khiển các hệ thống an toàn như hệ thống báo cháy, hệ thống báo động, hệ thống kiểm soát truy cập và các hệ thống an toàn khác.

Trong đề tài này, PLC đóng vai trò là bộ não của hệ thống điều khiển robot. Nó sẽ nhận tín hiệu từ camera, xử lý dữ liệu và gửi lệnh điều khiển đến robot FANUC LR Mate 100i để thực hiện các thao tác cần thiết như di chuyển, gắp, đặt và kiểm tra sản phẩm. 2: Các dòng PLC Mitsubishi 19 BỘ MÔN ĐIỂN KHIỂN TỰ ĐỘNG CHƯƠNG 2. PLC dòng Q của MITSUBISHI 2.Tổng quan về PLC dòng Q PLC dòng Q của Mitsubishi là một trong những dòng PLC cao cấp và tiên tiến nhất hiện nay, được thiết kế để đáp ứng các yêu cầu khắt khe của các ứng dụng tự động hóa công nghiệp phức tạp.

Dòng PLC này nổi bật với khả năng xử lý tốc độ cao, dung lượng bộ nhớ lớn, khả năng mở rộng linh hoạt và tích hợp nhiều tính năng tiên tiến như điều khiển chuyển động, điều khiển quá trình, mạng lưới và an toàn.