Đồ án nghiên cứu hệ thống phân loại sản phẩm lỗi mã barcode

BỘ CÔNG THƯƠNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
------

ĐỒ ÁN CƠ ĐIỆN TỬ
TÊN ĐỀ TÀI
Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh
Giáo viên hướng dẫn: T.S Phan Đình Hiếu
Sinh viên thực hiện:

Đỗ Thăng Long – 2018606289
Hồng Văn Lợi – 2018606336
Lê Hữu Huy – 2018606545

Khoa:

Cơ khí – K13

Hà Nội - 2021


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: Đồ án cơ điện tử
Khóa: K13
2. Tên nhóm : Nhóm 4
Họ và tên thành viên:
1. Đỗ Thăng Long
MSV: 2018606289
Lớp: CĐT 4 – K13

2. Hoàng Văn Lợi
MSV: 2018606336
Lớp: CĐT 4 – K13
3. Lê Hữu Huy
MSV: 2018606545
Lớp: CĐT 4 – K13
II. Nội dung học tập
1. Tên chủ đề: Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý
ảnh.
2. Hoạt động của sinh viên
- Nội dung 1: Tổng quan về hệ thống (L4.2)
- Nội dung 2: Cơ sở lý thuyết về hệ thống (L4.2)
- Nội dung 3: Tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống (L4.1, L4.3)
- Nội dung 4: Viết báo cáo
3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch và mơ hình sản phẩm (nếu có)
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành đồ án theo đúng thời gian quy định (từ ngày 13/9/2021 đến ngày
2/12/2021).
2. Báo cáo nội dung nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng đánh giá.
IV. Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
1. Tài liệu học tập:
[1] Tài liệu hướng dẫn đồ án môn học Cơ Điện tử, Bộ môn Cơ điện tử.
[2] Nguyễn Văn Khang, Nguyễn Phong Điền, Cơ điện tử, NXB KH&KT.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án (nếu có):
Máy tính, linh kiện và dụng cụ điện tử theo nhu cầu sử dụng.
KHOA CƠ KHÍ

TS. Nguyễn Anh Tú

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Phan Đình Hiếu

MƠ TẢ HỆ THỐNG
1. Mô tả nhiệm vụ công nghệ


Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi hoạt động theo sơ đồ hình 1:
Nhấn nút START, sản phẩm được đưa vào băng tải, băng tải vận chuyển các sản
phẩm qua điểm kiểm tra (1). Hai camera IP sẽ thu nhận hình ảnh và gửi tín hiệu về bộ xử
lý.Nếu:
- Các sản phẩm bị lỗi mã barcode (mã vạch): xylanh 1 tiến ra, đẩy sản phẩm ra khỏi
băng tải xuống thùng 1
- Các sản phẩm bị lỗi số lượng: xylanh 2 tiến ra, đẩy sản phẩm ra khỏi băng tải
xuống thùng 2.
- Các sản phẩm đúng sẽ được đưa tới cuối băng tải và rơi xuống thùng 3.

3
(1)

1

2

Hình 1 Sơ đồ quỹ đạo làm việc của robot trong nhà máy
Ký hiệu

Chú thích
Chiều dịch chuyển của sản
phẩm

(1)

Điểm kiểm tra
Thùng 1
Thùng 2
Thùng 3
Camera đọc mã vạch


Camera đọc số lượng sản
phẩm



Sản phẩm
Cảm biến hồng ngoại
Xylanh
Băng tải

2. Cấu trúc thiết bị
- Cấu trúc của hệ thống được mơ tả như trên hình 1, trong đó:
Thiết bị
Cảm biến tiệm cận

Loại sử dụng
Cảm biến hồng ngoại

Camera

Camera IP

Xylanh

Xylanh khí nén

Bộ điều khiển

Bộ điều khiển PLC

3. Đặc tính kỹ thuật
- Bảng thông số kỹ thuật hệ thống phân loại sản phẩm lỗi sử dụng xử lý ảnh:
Thông số

Giá trị

Băng tải (dài x rộng)

800x100 (mm)

Thùng 1 (dài x rộng)

200x200 (mm)

Thùng 2 (dài x rộng)

200x200 (mm)

Thùng 3 (dài x rộng)

200x200 (mm)

Hệ thống ( dài x
rộng x cao)

1200x400x500 (mm)


Tốc độ phân loại sản
phẩm trung bình

10 sản phẩm/phút

4. Nội dung báo cáo
Chương 1: Tổng quan về hệ thống phân loại sản phẩm lỗi sử dụng xử lý ảnh
1.1. Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống.
1.2. Các vấn đề đặt ra.
1.3. Phương pháp nghiên cứu.
1.4. Giới hạn, phạm vi nghiên cứu, thiết kế.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết hệ thống phân loại sản phẩm lỗi sử dụng xử lý ảnh
2.1. Kết cấu hệ thống cơ khí.
2.2. Kết cấu hệ thống điện công suất.
2.3. Kết cấu hệ thống đo và xử lý tín hiệu.
2.4. Kết cấu hệ thống điều khiển và truyền thơng.
Chương 3: Tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống
3.1. Tính tốn, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ cơ khí.
3.2. Tính tốn, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ thống điện, điện công suất.
3.3. Lựa chọn thiết bị cho hệ điều khiển.
3.4. Thiết kế chương trình điều khiển.
Kết luận

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU..................................................................................................................7
Chương 1.
1.1

Tổng quan về hệ thống......................................................................8

Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống...................................................8

1.1.1

Hệ thống phân loại sản phẩm................................................................8

1.1.2

Xử lý ảnh...............................................................................................9

1.2

Các vấn đề đặt ra.......................................................................................11

1.3

Phương pháp nghiên cứu..........................................................................11

1.4

Giới hạn, phạm vi nghiên cứu...................................................................12

Chương 2.
2.1

Cơ sở lý thuyết.................................................................................14

Kết cấu hệ thống cơ khí............................................................................14

2.1.1

Băng tải...............................................................................................14

2.1.2

Xylanh.................................................................................................15

2.2

Kết cấu hệ thống điện cơng suất...............................................................19

2.2.1

Nguồn cấp điện...................................................................................19

2.2.2

Động cơ DC........................................................................................21

2.3

Kết cấu hệ thống đo và xử lý tín hiệu.......................................................22

2.3.1

Tổng quan về xử lý ảnh.......................................................................22

2.3.2

Labview và xử lý ảnh dùng labview....................................................26

2.3.3

Giới thiệu về OPC...............................................................................29

2.3.4

Cảm biến tiệm cận quang....................................................................31

2.3.5

Thiết bị thu nhận ảnh (Camera IP)......................................................31

2.4

Kết cấu hệ thống điều khiển và truyền thông............................................32

2.4.1
Chương 3.

Bộ điều khiển trung tâm......................................................................32
Tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống.............................................36


3.1

Tính tốn, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ cơ khí...............................36

3.1.1

Hệ thống giá đỡ...................................................................................36

3.1.2

Tính tốn, lựa chọn xylanh..................................................................38

3.1.3

Tính tốn các thơng số băng tải...........................................................40

3.2

Tính tốn, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ thống điện........................43

3.2.1

Tính tốn, lựa chọn động cơ cho băng tải............................................43

3.2.2

Tính tốn, lựa chọn bộ truyền đai răng................................................47

3.3

Lựa chọn thiết bị cho hệ điều khiển..........................................................50

3.3.1

Lựa chọn Role điều khiển...................................................................50

3.3.2

Lựa chọn cảm biến..............................................................................51

3.3.3

Lựa chọn camera.................................................................................52

3.3.4

Lựa chọn bộ điều khiển trung tâm.......................................................52

3.4

Thiết kế chương trình điều khiển..............................................................55

3.4.1

Thiết kế chương trình xử lý ảnh..........................................................55

3.4.2

Thiết kế chương trình điều khiển PLC................................................59

3.4.3

Mô phỏng............................................................................................63

Kết luận.................................................................................................................. 65
Tài liệu tham khảo.................................................................................................67
Phụ lục.................................................................................................................... 68


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1:Cơng nhân nhà máy phân loại sản phẩm...................................................10
Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm...................................................................11
Hình 1.3: Xử lý ảnh trong dây chuyền kiểm tra sản phẩm.......................................12
Hình 1.4: Xử lý ảnh trong việc nhận diện biển số xe trong bãi đỗ xe thơng minh...13
Hình 2.1: Cấu tạo chung của băng tải......................................................................17
Hình 2.2: Cấu tạo của xylanh..................................................................................18
Hình 2.3: Cấu tạo van 5/2........................................................................................19
Hình 2.4: Role trung gian........................................................................................19
Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý.......................................................................................20
Hình 2.6: Cấu tạo của nguồn xung..........................................................................21
Hình 2.7: Sơ đồ nguyên lý nguồn tổ ong.................................................................22
Hình 2.8: : Động cơ DC...........................................................................................23
Hình 2.9: Cấu tạo chi tiết động cơ DC.....................................................................24
Hình 2.10: Cấu trúc xử lý ảnh.................................................................................25
Hình 2.11: Quá trình xử lý hình ảnh........................................................................25
Hình 2.12: Sơ đồ phân tích và xử lý ảnh và lưu đồ thơng tin giữa các khối............27

Hình 2.13: Sơ đồ chức năng của VI để thu thập hình ảnh từ camera.......................31
Hình 2.14: Hình ảnh mơ tả OPC server...................................................................32
Hình 2.15: Hình ảnh mơ tả OPC servo UA.............................................................32
Hình 2.16: Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang.............................................33
Hình 2.17: Thành phần hệ thống PLC.....................................................................35
Hình 2.18: Sơ đồ cấu trúc hoạt động của bộ điều khiển PLC..................................36
Hình 3.1: Phần cơ khí hệ thống phân loại sản phẩm lỗi...........................................38
Hình 3.2: Giá đỡ xylanh..........................................................................................38
Hình 3.3: Gía đỡ cảm biến.......................................................................................39
Hình 3.4: Giá đỡ camera..........................................................................................39
Hình 3.5: Xylanh khí nén trịn MAL loại 20mm*100mm........................................41


Hình 3.6: Trạng thái hoạt động của van và xylanh..................................................41
Hình 3.7: Van điện từ khí nén 5/2 Airtac.................................................................42
Hình 3.8: Mơ hình băng tải trên phần mềm solidworks...........................................43
Hình 3.9: Lực tác dụng lên băng tải.........................................................................45
Hình 3.10: Động cơ NF5475E.................................................................................48
Hình 3.11: Puli GT2 loại 16 răng.............................................................................51
Hình 3.12: Puli GT2 loại 60 răng............................................................................51
Hình 3.13: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển.............................................................52
Hình 3.14: Relay Omron MY2N-GS.......................................................................52
Hình 3.15: Cảm biến tiệm cận quang điện E18 – D50NK.......................................53
Hình 3.16: Webcam Dahua Z2+..............................................................................54
Hình 3.17: PLC S7-300 CPU 313C-2DP.................................................................56
Hình 3.18: Chương trình xử lý ảnh đếm số lượng sản phẩm...................................57
Hình 3.19: Các bước xử lý ảnh................................................................................57
Hình 3.20: Xác định ảnh mẫu có sẵn.......................................................................58
Hình 3.21: So sánh với ảnh mẫu..............................................................................58
Hình 3.22: Kết quả đạt được khi phân loại số lượng...............................................59

Hình 3.23: Báo lỗi số lương sản phẩm.....................................................................59
Hình 3.24: Chương trình đọc mã barcode................................................................59
Hình 3.25: Các bước xử lý mã barcode...................................................................60
Hình 3.26: Xử lí ảnh đọc barcode............................................................................60
Hình 3.27: Báo lỗi barcode......................................................................................61
Hình 3.28: Sơ đồ nối dây các chân PLC.................................................................62
Hình 3.29: Sơ đồ nối các chân cảm biến..................................................................62
Hình 3.30: Sơ đồ van điều khiển xylanh..................................................................63
Hình 3.31: Sơ đồ động cơ băng tải..........................................................................63
Hình 3.32 Lưu đồ giải thuật hệ thống......................................................................64
Hình 3.33: Mơ phỏng trên phần mềm Factoty IO....................................................65


Hình 3.34: Bảng điều khiển và bộ đếm số lượng sản phẩm.....................................65
Hình 3.35: Sơ đồ kết nối giữa phần mềm TIA portal và factory IO.........................66

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật của xylanh CDJ2D10 – 5B.......................................41
Bảng 3.2: Thông số kĩ thuật van điện từ khí nén 5/2 hãng airtrac...........................42
Bảng 3.3: Hiệu suất các bộ truyền đai chủ yếu [1].................................................47
Bảng 3.4: Thông số kỹ thuật động cơ servo NF5475E...........................................48
Bảng 3.5: Bảng tra thông số các modun m của bộ truyền đai răng.........................50
Bảng 3.6: Bảng thông số kỹ thuật của Relay Omron MY2N-GS...........................53
Bảng 3.7: Thông số kỹ thuật cảm biến tiệm cận quang điện E18 – D50NK...........53
Bảng 3.8: Thông số kỹ thuật Wedcam Dahua Z2+.................................................54
Bảng 3.9: Bảng thông số kỹ thuật PLC S7-300 CPU 313C- 2DP...........................56
Bảng 3.10: Bảng địa chỉ I/O...................................................................................61


MỞ ĐẦU

Ngày nay cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, kỹ thuật điệnđiện tử và điều khiển tự động đóng vai trị hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa
học, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thơng tin… Do đó chúng ta phải nắm
bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự nghiệp phát triển nền
khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động
nói riêng.Với những kỹ thuật tiên tiến như vi xử lý, PLC, xử lý ảnh được ứng dụng vào
lĩnh vực điều khiển, thì các hệ thống điều khiển cơ khí thơ sơ, với tốc độ xử lý chậm chạp
ít chính xác được thay thế bằng các hệ thống điều khiển tự động với các lệnh chương
trình đã được thiết lập trước.
Trong quá trình hoạt động ở các nhà xưởng, xí nghiệp hiện nay, việc hạn chế tối đa
sức lao động của công nhân là nhu cầu rất cần thiết, bên cạnh đó ngành cơng nghiệp ngày
càng phát triển các cơng ty xí nghiệp đã đưa tự động hóa vào sản xuất để thuận tiện cho
việc quản lý dây chuyền và sản phẩm cho toàn bộ hệ thống một cách hợp lý, tiết kiệm
được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng và đạt hiệu quả cao trong sản
xuất nhằm đáp ứng kịp thời cho đời sống xã hội.
Trên cơ sở đó nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu và thiết kế mơ hình
“Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng phương pháp xử lý ảnh”. Hệ thống có ứng
dụng trong thực tiễn là phân loại sản phẩm bị các lỗi như: lỗi barcode (mã vạch), sai số
lượng, sai kích thước sản phẩm…Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi hoạt động trên ứng
dụng xử lý ảnh để phát hiện sản phẩm lỗi. Sau đó dùng xylanh để phân loại các sản phẩm
bị lỗi.
Trong quá trình thực hiện đề tài này, do thời gian có hạn và chắc chắn khơng tránh
khỏi thiếu sót, rất mong được sự quan tâm và đóng góp ý kiến của các thầy cơ giáo để
nhóm thực hiện bổ sung vào vốn kiến thức của mình.
Để hồn thành đề tài này nhóm nghiên cứu xin gửi lời cảm ơn đến Thầy Phan Đình
Hiếu giáo viên hướng dẫn đã chỉ bảo và hướng dẫn tận tình để chúng tơi có thể hồn
thành tốt đề tài “Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng phương pháp xử lý ảnh”.”.
Xin chân thành cảm ơn!


Chương 1.

Tổng quan về hệ thống

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống
1.1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai diễn ra từ nửa cuối thế kỉ 19 đã thúc đẩy
các ngành sản xuất biến chuyển nhanh chóng với hàng loạt dây chuyền sản xuất, tiêu
chuẩn chất lượng, tự động hóa… Các hệ thống có sự tự động hóa ngày càng cao, cũng
như độ chính xác trong q trình làm việc.
Trước kia, việc phân loại sản phẩm chủ yếu được thực hiện bời con người, bằng sự
quan sát và dựa vào kinh nghiệm, rồi sau đó chọn ra sản phẩm đạt yêu cầu và loại bỏ sản
phẩm bị lỗi. Công việc này đòi hỏi sự tập trung cao mà lặp đi lặp lại nhiều lần nên khó
đảm bảo được độ chính xác cao và ổn định trong công việc. Nhưng giờ đây với sự phát
triển của thời đại công nghệ 4.0 việc đó đã được thực hiện tự động hóa bởi hệ thống các
thiết bị kỹ thuật chuyên dụng giúp phân loại sản phẩm bị lỗi một cách nhanh và chính xác
hơn.

Hình 1.1:Công nhân nhà máy phân loại sản phẩm
“Phân loại sản phẩm lỗi” là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều tròng
thực tế hiện nay. Với việc dùng sức người, đối với các cơng việc địi hỏi sự tập trung cao
và có tính lặp lại, thì các cơng nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc.
Chưa kể đến nhưng khâu phân loại sản phẩm lỗi dựa trên các chi tiết kỹ thuật rất nhỏ mà
mắt thường khó có thể nhận ra được ví dụ như mã barcode, QR… Điều đó sẽ làm ảnh


hưởng trực tiếp đến chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống
nhận dạng và “ phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh” ra đời là một sự phát triển tất yếu
nhằm đáp ứng nhu cầu này.

Hình 1.2: Hệ thống phân loại sản phẩm

“Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh” ra đời giúp quá trình giám sát
và kiểm tra sản phẩm trở nên chính xác hơn, nâng cao chất lượng sản phẩm, từ đó gia
tăng sự cạnh tranh trên thị trường hàng hóa. Sự khác biệt giữa hệ thống phân loại sản
phẩm lỗi bằng hình ảnh đối với các hệ thống phân loại sản phẩm khác là thay vì sử dụng
các cảm biến để nhận biết lỗi, hệ thống sử dụng các camera máy ảnh để chụp ảnh sản
phẩm cần phân loại, sau đó đưa hình ảnh so sánh với ảnh gốc chuẩn để xác định sự sai
khác, và phân biệt chủng loại sản phẩm. Ưu điểm của phương pháp này là độ chính xác
cao hơn so với các hệ thống phân loại sản phẩm khác.
1.1.2 Xử lý ảnh
Xử lý ảnh là kỹ thuật áp dụng trong việc tăng cường và xử lý các ảnh thu nhận được
từ các thiết bị như camera, webcam. Nó là một lĩnh vực mang tính khoa học cơng nghệ,
là một trong những cách tiếp cận phân tích, tổng hợp hình ảnh theo ý tưởng và mục đích
của người sử dụng. Do đó xử lý ảnh đã được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực quan
trọng như: quân sự, lĩnh vực y tế, lĩnh vực giải trí…

Q trình xử lý ảnh là q trình biến đổi ảnh đầu vào nhằm nhận dạng những
gì mong muốn. Kết quả có thể là một ảnh được cắt từ ảnh chính hoặc kết luận từ
bức ảnh.


Các phương pháp xử lý ảnh bắt đầu từ các ứng dụng chính: nâng cao chất lượng
và phân tích ảnh. Ứng dụng đầu tiên được biết đến là nâng cao chất lượng ảnh báo được
truyền từ Luân đôn đến New York từ những năm 1920. Vấn đề nâng cao chất lượng ảnh
có liên quan tới phân bố mức sáng và độ phân giải của ảnh. Việc nâng cao chất lượng ảnh
được phát triển vào khoảng những năm 1955. Điều này có thể giải thích được vì sau thế
chiến thứ hai, máy tính phát triển nhanh tạo điều kiện cho quá trình xử lý ảnh số được
thuận lợi hơn. Năm 1964, máy tính đã có khả năng xử lý và nâng cao chất lượng ảnh từ
mặt trăng và vệ tinh Ranger 7 của Mỹ bao gồm: làm nổi đường biên, lưu ảnh. Từ năm
1964 đến nay, các phương tiện xử lý, nâng cao chất lượng, nhận dạng ảnh phát triển
không ngừng. Các phương pháp tri thức nhân tạo như mạng nơ-ron nhân tạo, các thuật

toán xử lý hiện đại và cải tiến, các công cụ nén ảnh ngày càng được áp dụng rộng rãi và
thu được nhiều kết quả khả quan hơn.
Ngày nay, với thời đại cơng nghệ phát triển thì ứng dụng xử lý ảnh được sử dụng
phổ biến rộng rãi trong đời sống như photoshop, face ID, touch ID (nhận dạng vân

tay), ảnh y tế, nhận diện biển số xe và cả trong các dây chuyền sản xuất cơng
nghiệp…

Hình 1.3: Xử lý ảnh trong dây chuyền kiểm tra sản phẩm
1.2 Các vấn đề đặt ra
Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng xử
lý ảnh có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lắp đặt, bảo trì, sửa chữa.
Để thiết kế được hệ thống nhóm tác giả cần thiết kế cơ khí, ứng dụng xử lý ảnh
trong việc phân tích hình ảnh, xử lý số liệu và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt


động tự động dựa vào lập trình và điều khiển của PLC. Ngồi ra cịn có các vấn đề khác
như là: vật liệu mơ hình, nguồn cung cấp, tính tốn thông số chi tiết...
Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
- Vấn đề cơ khí: phân tích tính tốn và lựa chọn vật liệu, thông số kỹ thuật của các
chi tiết sao cho thỏa mãn mục tiêu đề ra: nhỏ, gọn, chắc chắn, bền, có tính thẩm mỹ cao,
dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
- Vấn đề nhận biết sản phẩm lỗi: Ứng dụng xử lý ảnh để phân tích hình ảnh từ
camera để xử lý số liệu phân loại sản phẩm lỗi.
- Vấn đề về điều khiển: điều khiển bằng PLC và hệ thống điều khiển khí nén
- Vấn đề an tồn: đảm bảo cho sản phẩm khơng bị hỏng trong quá trình phân loại,

1.3 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài “Phân loại sản phẩm lỗi bằng ứng dụng xử lý ảnh” được nghiên cứu bằng hai
phương pháp: phương pháp lý thuyết, phương pháp mô phỏng

- Phương pháp lý thuyết:
+) Tham khảo các tài liệu có liên quan đến các ứng dụng xử lý ảnh để nghiên cứu
các thuật tốn, phương pháp xử lý ảnh, và từ đó đưa ra phương pháp tối ưu nhất để xây
dựng hệ thống.
+) Tìm hiểu về cơ sở lý thuyết, ứng dụng, cách viết chương trình điều khiển “phân
loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh” cho bộ điều khiển PLC.
+) Nghiên cứu giáo trình, tài liệu về các mơn học có liên quan như: kĩ thuật tự động
hóa, cảm biến và hệ thống do lường… Tham khảo và tổng hợp kiến thức từ các nguồn tài
liệu khác nhau như sách báo, internet…
+) Nghiên cứu các mơ hình phân loại sản phẩm trên thực tế và các đề tài nghiên cứu
về phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý ảnh để thấy được cấu tạo, cách thức hoạt động của
hệ thống từ đó rút ra kinh nghiệm áp dụng vào đề tài nghiên cứu của mình.
- Phương pháp mơ phỏng:
+) Tính tốn các phần động học, động lực học của hệ thống
+) Sử dụng phần mềm Solidworks để thiết kế và mô phỏng hệ thống cơ khí


+) Mơ hình hóa q trình hoạt động của hệ thống trên phần mềm TIA Portal
(SIMATIC STEP 7& WinCC) và Factory IO từ đó tối ưu hóa thiết kế trước khi chế tạo
hoàn thiện.
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu
Hệ thống phân loại sản phẩm lỗi bằng phương pháp xử lí ảnh là một đề tài đã được
nhiều sinh viên các trường nghiên cứu và phát triển. Hiện nay trong các nhà máy xí
nghiệp có rất nhiều hệ thống tương tự hoàn thiện cả về chất lượng và thẩm mỹ.
Tuy nhiên, trong phạm vi một đề tài nghiên cứu, với những giới hạn về kiến thức,
thời gian và kinh phí, đề tài giới hạn bởi những tính năng sau:
- Kích thước hệ thống (dài x rộng x cao): 1200x400x500 (mm)
- Hệ thống tiếp nhận tín hiệu: camera và các cảm biến hồng ngoại.
- Hệ thống điều khiển: bộ điều khiển bằng PLC điều khiển cả hệ thống và hệ thống
khí nén điều khiển cơ cấu xylanh đẩy sản phẩm lỗi.

- Cơ cấu đẩy sản phẩm lỗi: xylanh khí nén
- Động cơ truyền chuyển động cho băng tải: Động cơ DC.
- Hệ thống dẫn động: Băng tải (dài x rộng): 800x100mm.
- Điện áp cung cấp: điện áp xoay chiều 220V.
Phạm vi nghiên cứu:
- Về nội dung nghiên cứu: Đề tài tập trung nghiên cứu về phương pháp xử lí ảnh áp
dụng vào hệ thống phân loại sản phẩm lỗi. Ở đây, chúng em phân loại sản phẩm sai số
lượng sản phẩm, lỗi barcode (mã vạch).
- Về hình thức nghiên cứu:
 Xây dựng giải thuật và chương trình điều khiển.
 Nghiên cứu về quy trình hoạt động của hệ thống từ đó đưa ra các phương án xây
dựng hệ thống hợp lí.
 Đề ra các bài tốn cần thiết để tính tốn thiết kế hệ thống như lựa chọn và tính
tốn động cơ băng chuyền, tính tốn vận tốc băng chuyền, năng suất phân loại…
 Nghiên cứu các phần mềm hỗ trợ xử lý ảnh, phần mềm mô phỏng: Labview,
SolidWorks…
 Thiết kế giao diện điều khiển và giám sát trên WinCC cho hệ thống.


 Lập trình trên PLC điều khiển mơ hình phân loại sản phẩm lỗi bằng xử lý
ảnh.

Chương 2.

Cơ sở lý thuyết

2.1 Kết cấu hệ thống cơ khí
2.1.1 Băng tải
2.1.1.1 Giới thiệu chung về băng tải.
Băng tải (băng chuyền) hiểu đơn giản là một thiết bị vận chuyển dùng để vận

chuyển các đồ vật từ điểm này sang điểm khác, từ vị trí A sang vị trí B. Nó giúp tiết kiệm
sức lao động, số lượng nhân công, giảm thời gian và tăng năng suất lao động. Vì vậy
băng chuyền, băng tải là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất,
lắp ráp của các nhà máy, xí nghiệp. Góp phần tạo nên một mơi trường sản xuất năng
động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao.
Trong các hệ thống phân loại sản phẩm băng tải là một bộ phận không thể thiếu, có
nhiệm vụ vận chuyển phơi tới vị trí thao tác, bên dưới có trang bị hệ thống con lăn.
Nguồn động lực chính của băng tải chính là động cơ điện: động cơ điện 1 chiều, động cơ
3 pha lồng sóc hay servo… tùy vào yêu cầu hệ thống.
2.1.1.2 Cấu tạo và nguyên lý hoạt động của băng tải

- Cấu tạo của băng tải:
Một băng tải thông thường gồm có:
 Khung băng tải: thường được làm bằng một loại nhơm định hình, thép sơn






tĩnh điện, hoặc inox…
Dây băng tải
Bộ điều khiển băng tải: PLC, biến tần, role, contactor…
Con lăn đỡ/ con lăn bị động.
Con lăn kéo/ con lăn chủ động.
Động cơ giảm tốc: công suất từ 25W đến 2,2kW…


Hình 2.4: Cấu tạo chung của băng tải

- Nguyên lý hoạt động của băng tải:
Khi động cơ được bật, rulô chủ động quay làm cho dây băng tải chuyển động nhờ
lực ma sát giữa rulô và dây băng băng tải. Để tạo ra lực ma sát giữa rulô và dây băng tải
khi dây băng tải gầu bị trùng thì ta điều chỉnh rulô bị động để dây băng tải căng ra tạo lực
ma sát giữa dây băng tải và rulô chủ động, lực ma sát giữa dây băng tải và rulô sẽ làm
cho băng tải chuyển động tịnh tiến. Khi các vật liệu rơi xuống trên bề mặt dây băng tải,
nó sẽ được di chuyển nhờ vào chuyển động của băng tải.
Để tạo ra momen đủ lớn cho băng tải cần nối trục động cơ với hộp giảm tốc. Hai
đầu băng tải có pully, băng tải là vịng kín quấn quanh pully này. Băng tải làm từ vật liệu
nhiều lớp, thường là cao su. Lớp dưới là thành phần chịu kéo và tạo hình cho băng tải,
lớp trên là lớp phủ.
2.1.2 Xylanh
2.1.2.1 Xylanh
Xylanh có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất
thành năng lượng cơ học – chuyển động thằng hoặc chuyển động quay. Thông thường
xylanh được lắp cố định, pittong chuyển động. Trong một số trường hợp có thể pittong cố
định, xylanh chuyển động.
Trong hệ thống phân loại sản phẩm bằng phương pháp xử lí ảnh, xylanh có nhiệm
vụ đẩy sản phẩm lỗi, không đạt yêu cầu ra khỏi băng chuyền sản phẩm.
Cấu tạo của xylanh khí nén bao gồm:


-

Thân trụ
Trục piston
Piston
Các lỗ cấp – thốt khí...

Hình 2.5: Cấu tạo của xylanh

Nguyên lí hoạt động: Giống với các cơ cấu thủy lực và điện, hành trình pittong của
cơ cấu khí nén trong xylanh cũng bao gồm chuyển động đẩy và rút nhưng sự khác biệt tại
đầu ra là rất lớn. Hệ thống khí nén hoạt động nhờ lực ép được đưa vào xylanh từ một hệ
thống bơm hơi hoặc một bộ khí nén ngồi. Khi áp suất tăng lên, lực ép sẽ tạo ra chuyển
động tịnh tiến cho pittong dọc ống xylanh, đồng thời cung cấp cho pittong một lực đẩy
trong quá trình di chuyển. Hành trình ngược lại của pittong diễn ra khi lượng khí bơm
vào được rút lại và áp suất trong xylanh giảm đi.
2.1.2.2 Van điện từ khí nén 5/2
Van 5/2 là một loại van đảo chiều điều khiển xi lanh tác dụng kép, động cơ.
Van khí nén 5/2 điện từ là các van đảo chiều 5/2 điện từ điều khiển gián tiếp qua
van phụ trợ được sử dụng rộng rãi cho điều khiển đảo chiều xilanh lép, động cơ.

- Cấu tạo của van 5/2:
Sở dĩ van được lấy tên 5/2 là có 5 cổng làm việc (vào (1), ra (2,4) và
xả riêng cho mỗi trạng thái (3,5), có hai trạng thái.

hai cửa


Hình 2.6: Cấu tạo van 5/2
-

Cửa số 1 là cửa có vai trị cấp khí. (vào)
Cửa số 2 và 4 đóng vai trị làm việc bình thường. (ra)
Cửa số 3 và 5 là cửa đóng vai trị xả khí.

- Ngun lý hoạt động của van 5/2:
Hoạt động của van như sau: Khi chưa có dịng điện, dưới tác dụng của lực lị xo van
hoạt động ở vị trí bên trái, lúc đó cửa số 1 thơng với cửa số 2 và cửa số 5 thông với cửa 4,
cửa 3 bị chặn. Khi có tác động điện, van 5/2 đảo trạng thái làm cửa số 1 thông với cửa số

4, cửa số 3 thông với cửa 2 và cửa số 5 bị chặn.
2.1.2.3 Role trung gian
Rơ le trung gian là một kiểu nam châm điện có tích hợp với hệ thống tiếp điểm. Rơ
le trung gian là một công tắc chuyển đổi hoạt động bằng điện, nó là bao gồm hai trạng
thái ON và OFF. Ở trạng thái ON hay OFF của nó phụ thuộc vào có dịng điện chạy qua
nó hay khơng.

Hình 2.7: Role trung gian
Cấu tạo gồm: lõi thép động, lõi thép tĩnh và cuộn dây. Cuộn dây bên trong gồm là
cuộn cường độ, cuộn điện áp hoặc cả cuộn điện áp và cuộn cường độ. Lõi thép động


được găng bởi lò xo cùng định vị bằng một vít điều chỉnh. Cơ chế tiếp điểm bao gồm tiếp
điểm thuận và tiếp điểm nghịch.
Ngun lý hoạt động:
Khi có dịng điện chạy qua rơ le, dòng điện này sẽ chạy qua cuộn dây bên trong và
tạo ra một từ trường hút. Từ trường hút này tác động lên một đòn bẩy bên trong làm đóng
hoặc mở các tiếp điểm điện và làm thay đổi trạng thái của rơ le. Số tiếp điểm điện bị thay
đổi có thể là một hay nhiều tùy thuộc vào thiết kế.
Sơ đồ nguyên lý:

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý
Trong đó:

- Chân 13 - 14 là chân cuộn hút.
- Chân 9 - 1, 12 - 4 là các tiếp điểm thường đóng.
- Chân 9 - 5, 12 - 4 là tiếp điểm thường mở.

2.2 Kết cấu hệ thống điện công suất
2.2.1 Nguồn cấp điện

Nguồn switching hay thường gọi là nguồn xung là bộ nguồn có tác dụng biến đổi từ
nguồn điện xoay chiều sang nguồn một chiều bằng chế độ dao động xung tạo bằng mạch
điện tử kết hợp với biến áp xung. Bộ nguồn DC Switching thường có nhiều mức đầu ra
khác nhau như 6V, 12V, 24V, 36V… để cấp nguồn nuôi cho những thiết bị khác nhau.


Cấu tạo:

Hình 2.9: Cấu tạo của nguồn xung

- Biến áp xung: Cũng cấu tạo gồm các cuộn dây quán trên một lõi từ giống như
biến áp thơng thường chỉ có điều biến áp này sử dụng lõi ferit còn biến áp
thường sử dụng lỗi thép kỹ thuật điện . Với cùng một kích thước thì biến áp
xung cho cơng suất lớn hơn biến áp thường rất nhiều lần. Ngoài ra biến áp xung

-

hoạt động tốt ở dải tần cao còn biến áp thường chỉ hoạt động ở dải tần thấp.
Cầu chì: Bảo vệ mạch nguồn bị ngắn mạch.
Cuộn chống nhiễu, tụ lọc sơ cấp, diode chỉnh lưu: Có nhiệm vụ biến đổi điện áp
xoay chiều 220V thành điện áp một chiều tích trữ trên tụ lọc sơ cấp để cung cấp

-

năng lượng cho cuộn sơ cấp của máy biến áp xung.
Sị cơng suất: Đây là một linh kiện bán dẫn dùng như một cơng tắc chuyển
mạch , đó có thể là transistor, mosfet, IC tích hợp, IGBT có nhiệm vụ đóng cắt
điện từ chân (+) của tụ lọc sơ cấp vào cuộn dây sơ cấp của biến áp xung rồi cho

-

xuống mass.
Tụ lọc nguồn thứ cấp: Dùng để tích trữ năng lượng điện từ cuộn thứ cấp của
biến áp xung để cấp cho tải tiêu thụ. Chúng ta biết rằng khi cuộn sơ cấp của
biến áp được đóng cắt điện liên tục bằng sị cơng suất thì xuất hiện từ trường
biến thiên dẫn đến cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra.
Điện áp này được chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc (tụ điện) thứ cấp

-

để san phẳng điện áp.
Ic quang và Ic 431: Có nhiệm vụ tạo ra một điện áp cố định để khống chế điện
áp ra bên thứ cấp ổn định theo mong muốn. Chúng sẽ làm nhiệm vụ khống chế


dao dộng đóng cắt điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra
bên thứ cấp đạt yêu cầu.
Nguyên lý hoạt động:
-

Khi công tắc điện mở, nguồn điện sẽ được đi qua nguồn tổ ong. Khi đó, cuộn
sơ cấp của biến áp được đóng/cắt điện liên tục bằng sị cơng suất và sẽ xuất

-

hiện từ trường biến thiên.
Cuộn thứ cấp của biến áp cũng xuất hiện một điện áp ra. Điện áp này được
chỉnh lưu qua một vài diode rồi đưa ra tụ lọc nguồn thứ cấp để san phẳng điện

-

áp.
Tiếp theo, các tụ IC quang và IC TL431 sẽ khơng chế dao động đóng/cắt
điện vào cuộn sơ cấp của biến áp xung sao cho điện áp ra bên thứ cấp đạt
yêu cầu.

Hình 2.10: Sơ đồ nguyên lý nguồn tổ ong
2.2.2 Động cơ DC
- Khái niệm:

Động cơ một chiều DC ( DC là từ viết tắt của "Direct Current Motors") là
Động
cơ điều khiển bằng dịng có hướng xác định hay nói dễ hiểu hơn thì đây là loại
động
cơ chạy bằng nguồn điện áp DC- điện áp 1 chiều (khác với điện áp AC xoay
chiều).
Đầu dây ra của đông cơ thường gồm hai dây (dây nguồn- VCC và dây tiếp đấtGND). DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục.


Khi được cung cấp năng lượng, động cơ DC sẽ bắt đầu quay, chuyển điện năng
thành cơ năng. Hầu hết các động cơ DC sẽ quay với cường độ RPM rất cao (số vịng
quay/ phút). Tốc độ khơng tải của động cơ DC nếu khơng giảm tốc có thể đạt từ
1000RPM tới 40.000RPM.

Hình 2.11: : Động cơ DC

- Cấu tạo:
+ Stator: là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện
+ Rotor: phần lõi được quấn các cuộn dây để tạo thành nam châm điện
+ Chổi than (brushes): giữ nhiệm vụ tiếp xúc và tiếp điện cho cổ góp

+ Cổ góp (commutator): làm nhiệm vụ tiếp xúc và chia nhỏ nguồn điện cho
các cuộn dây trên rotor. Số lượng các điểm tiếp xúc sẽ tương ứng với số cuộn dây
trên rotor

Hình 2.12: Cấu tạo chi tiết động cơ DC

- Nguyên lý hoạt động:
Stato của motor điện 1 chiều thường là 1 hoặc gồm nhiều cặp nam châm vĩnh cửu,
(có thể dùng bằng nam châm điện), cịn rotor có các cuộn dây quấn và được nối với
nguồn điện 1 chiều. Đồng thời, bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là làm đổi chiều dòng


điện trong khi chuyển động quay của rotor là chuyển động liên tục. Bộ phận này sẽ gồm
có 1 bộ cổ góp và 1 bộ chổi than được mắc tiếp xúc với cổ góp của động cơ.
Khi trục quay của một động cơ điện 1 chiều được kéo bằng 1 lực tác động từ bên
ngoài, động cơ sẽ hoạt động tương tự như 1 chiếc máy phát điện 1 chiều để nhằm tạo ra
một sức điện động cảm ứng có tên là Electromotive force (EMF). Trong hoạt động, phần
rotor quay sẽ phát ra 1 điện áp (hay còn gọi là sức phản điện động) có tên là counter EMF
(CEMF) hoặc còn được gọi là sức điện động đối kháng.
Sức điện động này hoạt động tương tự như sức điện động được phát ra khi động cơ
được sử dụng với chức năng giống như 1 chiếc máy phát điện. Lúc này, điện áp đặt trên
động cơ sẽ gồm 2 thành phần chính là: sức phản điện động cùng với điện áp giáng tạo ra
do điện trở ở bên trong của các cuộn dây phần ứng.
2.3 Kết cấu hệ thống đo và xử lý tín hiệu
2.3.1 Tổng quan về xử lý ảnh
2.3.1.1 Giới thiệu về xử lý ảnh

Xử lý ảnh là một phân ngành trong xử lý số tín hiệu với tín hiệu là ảnh. Một
phân ngành khoa học rất được quan tâm trong những năm gần đây. Xử lý ảnh có 4
lĩnh vực chính: xử lý nâng cao chất lượng ảnh, nhận dạng ảnh, nén ảnh và truy vấn

ảnh. Sự phát triển của xử lý ảnh đem lại rất nhiều lợi ích cho con người.
Cấu trúc xử lý ảnh:
Ảnh thu nhận

Qúa trình xử lý ảnh

Các giá trị mong
muốn

Hình 2.13: Cấu trúc xử lý ảnh
Quá trình xử lý ảnh chi tiết bao gồm cấc bước sau:
Phân
vùng
Tiền xử
Tìm các yếu
Thu thập
ảnh
lý
tố đặc trưng
hình ảnh
ảnh

Cơ sở tri thức

Nhận dạng
và nội suy
ảnh