ĐỒ án môn học cơ điện tử đề tài NGHIÊN cứu, THIẾT kế hệ THỐNG PHÂN LOẠI sản PHẨM THEO màu sắc sử DỤNG TAY gắp

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

ĐỒ ÁN MƠN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
Đề Tài: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN
PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP
Giáo viên hướng dẫn

: ThS. Lê Văn Nghĩa

Nhóm sinh viên thực hiện : Nhóm 1
Nguyễn Thành An

MSV: 2019603570

Ngơ Diệp Anh

MSV: 2019603278

Nguyễn Tiến Chiến

MSV: 2019600890

Lớp: ME6052001

Khóa: 14

Hà Nội - 2022

TIEU LUAN MOI download :


CHƯƠNG 1:

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1. Lý do chọn đề tài
Với điều kiện cụ thể ở nước ta công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa thì
cần sử dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các q trình
sản xuất, gia cơng, chế biến sản phẩm. Điều này hình thành các hệ thống sản xuất
linh hoạt.
Xuất phát từ những đợt đi thực tế tại các nhà máy, các khu công nghiệp và
tham quan các doanh nghiệp sản xuất đã thấy rất nhiều khâu tự động hóa trong quá
trình sản xuất . Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động
hóa là hệ thống phân loại sản phẩm.

Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động
Đặc biệt là hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc. Tuy nhiên đối với
những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa chưa được áp hồn tồn trong
khâu phân loại mà cịn sử dụng nhân cơng, chính vì lý do đó nhiều khi cho năng
suất thấp chưa đạt hiệu quả cao. Từ những nhu cầu sản xuất thực tế và quá trình
học tập, nghiên cứu tại trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội và sự góp ý và hướng
dẫn của thầy Nguyễn Xuân Thuận, nhóm đã tiến hành “Nghiên cứu, thiết kế hệ
thống phân loại sản phẩm theo màu sắc”.

TIEU LUAN MOI download :


1.2. Các vấn đề đặt ra

Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo
màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ bảo trì, sửa chữa, lắp đặt.
Để thiết kế được chúng ta cần thiết kế cơ khí và điều khiển được động cơ và
hệ thống hoạt động tự hác như là: vật liệu mơ hình, nguồn cung cấp, tính tốn
thơng số chi tiếtđộng dựa trên lập trình và điều khiển của PLC. Ngồi ra cịn có
các vấn đề k...
Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
-

Vấn đề cơ khí: phân tích tính tốn và lựa chọn vật liệu, thơng số kỹ

thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn,
nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
-

Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động.

-

Vấn đề an toàn: đảm bảo an tồn cho người sử dụng và sản phẩm

khơng bị lỗi, hỏng.
1.3. Phương pháp nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc” , đã
được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện. Đồng thời cũng đã
có nhiều sinh viên thiết kế những mơ hình đơn giản. Mơ hình này cũng đã được
thiết kế và đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một sản phẩm cơ điện tử
điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp dụng phương pháp nghiên
cứu sau:
Phương pháp tuần tự và đồng thời

Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: việc đầu tiên là nghiên cứu
mơ hình cụ thể sau đó xây dựng mơ hình chứa đầy đủ những dự định sẽ có trong
thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định thơng số cơ
bản. Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài.

TIEU LUAN MOI download :


Phương pháp thực nghiệm
Mơ hình hóa phần cơ, mơ phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế trước khi
chế tạo hoàn thiện.
Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như yêu cầu, hoặc chưa có
trên thị trường. Sau đó chế tạo thật mơ hình. Cho chạy thử hết công suất, sau khi đã
chạy hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để rút ra giới hạn của hệ
thống từ đó cho ra phương án cải tiến hay để thay thế. Từ đó rút ra các đánh giá về
hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận tốc của băng tải, mức độ chịu lực,
giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng, năng suất của hệ thống...).
1.4. Phạm vi giới hạn
Hệ thống phân loại sản phẩm là một đề tài đã được nghiên cứu và được phát
triển từ lâu. Hiện nay trong các nhà máy xí nghiệp có rất nhiều hệ thống phân loại
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:
-

Hệ thống nhận dạng và phân loại theo màu sắc.

-

Kích thước dài x rộng x cao = 1500 x 700 x 400 (mm).

-

Khối lượng: (10-15) Kg.

-

Hệ thống điều khiển: Arduino UNO, Servo

-

Cơ cấu phân loại sản phẩm: Tay gắp phân loại sản phẩm.

-

Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều.

-

Hệ thống dẫn động: Băng chuyền.

-

Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220 VAC và điện áp một

chiều 24 VDC.

TIEU LUAN MOI download :

CHƯƠNG 2:

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1. Khái niệm bậc tự do của robot
Về mặt động học, có thể xem robot loại tĩnh tại như là một chuỗi động hở
với một khâu cố định gọi là giá và các khâu đông. Mỗi khâu động là một vật rắn
được liên kết hoặc nối động với nhau nhờ các khớp động. Để dễ dàng thực hiện
việc điều khiển độc lập các khớp nối động, người ta thường sử dụng những loại
khớp chỉ cho phép tthực hiện một chuyển động tương đối giữa hai khâu được liên
kết. Do đó, các khớp động thường được sử dụng là các khớp tịnh tiến và khớp bản
lề.
Thông thường các robot có trên một bậc tự do. Số bậc tự do hay bậc chuyển
động của robot là số khả năng chuyển động độc lập của nó trong khơng gian hoạt
động. Trong lĩnh vực robot học (robotic) người ta hay gọi mỗi khả năng chuyển
động (có thể là chuyển động thẳng, dọc theo song song với một trục hoặc chuyển
động quay quanh trục) là một trục, tương ứng theo đó là một tọa độ suy rộng dùng
để xác định vị trí của trục trong khơng gian hoạt động. Mỗi trục của robot đều có
cơ cấu tác động và cảm biến vị trí được điều khiển bởi một bộ xử lý riêng.
2.2. Bậc huyển động cơ bản hay chuyển động định vị
Về mặt nguyên lý cấu tạo, robot là một tập hợp các khâu được liên kết với
nhau thông qua các khớp chuyển động để hình thành một chuỗi động hở. Khớp
động được sử dụng trên các robot thường là các khớp tịnh tiến hoặc khớp bản lề để
dễ chế tạo, dễ dẫn đọng bằng nguồn độc lập và cũng dễ điều khiển. Robot dùng
trong đề tài sử dụng động cơ servo để điều khiển khớp chuyển động. Các chuyển
động độc lập có thể là các chuyển động tịnh tiến hoặc chuyển động quay. Mỗi khâu
động trên robot, về nguyên tắc có ít nhất là một khả năng chuyển động độc lập và

TIEU LUAN MOI download :

thường là một. Như vậy khái niệm bậc tự do hay bậc chuyển động cũng chính là số
khả năng chuyển động độc lập mà một robot có thể thực hiện được.
Trường hợp mỗi khâu động trên robot có một khả năng chuyển động độc lập
thì robot có bao nhiêu khâu động sẽ có bấy nhiêu bậc chuyển động và cũng có từng
ấy khớp động hay trục. Các chuyển động cơ bản, hay chuyển động chính trên một
robot là những chuyển động có ảnh hưởng quyết định ddeeesn dạng hình học của
khơng gian hoạt động của nó như đã trình bày ở phần phân loại. Các chuyển động
này thực hiện việc chuyển dời cổ tay của robot trong không gian hoạt động được
gọi là các chuyển động định vị.
Phần ngoài cùng của robot hay còn gọi là khâu tác động cuối ( End Effector)
thường có dạng của một tay gấp, một bộ phận làm việc với đối tượng thao tác, có
thể tác động trực tiếp với đối tượng thao tác hoặc được thay thế bở các dụng cụ
công nghệ như là ống đưa dây hàn trên robot hàn, đầu phun sơn hoặc phun men,
đầu vặn bu-lông, đai ốc trong dây truyền lắp ráp tự động, v.v… Chuyển động kẹp
của tay gắp khơng dduowjc kể khi tính bậc chuyển động của robot bởi vì chuyển
động này khơng ảnh hưởng đến vị trí, tọa độ của tay máy. Để thuận tiện trong việc
điều khiển, mỗi bậc chuyển động của robot thường là có nguồn dẫn động riêng, có
thể là nguồn dẫn khí nén, dầu ép hay điện
2.3. Bậc chuyển động bổ sung (Bậc chuyển động định hướng)
Mỗi robot đều yêu vầu một bộ phận công tác trang bị ở khâu tác động cuối
(End Effector), có thể là một bộ gắp, kẹp hoặc súng phun sơn, phun vữa, ống dẫn dây
hàn, v.v… có đủ độ linh hoạt trong chuyển động để đảm bảo khả năng hồn thành
nhiệm vụ cơng nghệ đặt ra. Để hồn toàn định hướng đến tư thế làm việc đối với đối
tượng thao tác cũng cần tối thiểu ba bậc chuyển động, tương tự như các chuyển động
soay của cổ tay người, các khớp loại 5 được sử dụng để xoay quanh

TIEU LUAN MOI download :

khâu tác động cuối trong mặt phẳng ngang, mặt phẳng đứng và quay quanh
trục của nó
Các bậc chuyển động xoay cổ tay nói trên được gọi là các chuyển động định
hướng nhằm tăng khả năng linh hoạt, giúp robot có thể dễ dàng định hướng của
khâu tác động cuối đạt đến tư thế cần thiết để tác động lên đối tượng tao tác, cũng
như tăng khả năng tránh chướng ngại vật trong khơng gian thao tác nhằm cải thiện
tính chất động lực học của robot.
Tuy nhiên, điều cần lưu ý ở đây là thêm càng nhiều bậc chuyển động một
mặt sẽ làm tăng sự linh hoạt của robot, mặt khác cũng kéo theo hệ quả làm tăng
thêm sai số dịnh chuyển, tức là làm tăng sai số tích lũy trong điều khiển vị trí
của khâu tác động cuối.
2.4. Bài tốn động học
2.4.1. Bài toán động học thuận
Trong đại đa số các trường hợp, tay máy là một chuỗi động hở, được cấu tạo
bởi một số khâu (Links), được nối với nhau nhờ các khớp. Một đầu của chuỗi nối
với giá (Bơse), cịn đầu kia nối với phần cơng tác. Mỗi khâu hình thành cùng với
khớp phía trước nó một cặp khâu – khớp. Tuỳ theo kết cấu của mình mà mỗi loại
khớp đảm bảo cho khâu nối sau nó các khả năng chuyển động nhất định.
Mỗi khớp (thực chất là cặp khâu – khớp) được đặc trưng bởi 2 loại thông số:

– Các thông số không thay đổi giá trị trong quá trình làm việc của tay máy
được gọi là tham số.
– Các thông số thay đổi khi tay máy làm việc được gọi là các biến khớp.
Hai loại khớp thông dụng nhất trong kỹ thuật tay máy là khớp trượt và
khớp quay. Chúng đều là loại khớp có một bậc tự do.

TIEU LUAN MOI download :


Bài tốn thuận nhằm mơ tả thế (vị trí và hướng) của phần công tác dưới

dạng hàm số của các biến khớp. Cho trước cơ cấu và quy luật của các yếu tố
chuyển động thể hiện bằng các tọa độ suy rộng q ta phải xác định quy luật
chuyển động của điểm trên khâu tác động cuối nói riêng hoặc của điểm bất kỳ
trên một khâu nào đó của robot nói chung trong hệ trục tọa độ vng góc (hệ trục
tọa độ Descartes). Bài toán động học thuận ở robot có nội dung gần giống như
bài tốn phân tích động học cơ cấu.

Kích thước động
d và vị trí của các
khâu thành viên
(tọa độ suy rộng)
q

Bài toán động học thuận

Bài toán động học ngược

Vị trí và hướng của
khâu tác động
cuối trong hệ tọa
độ Descartes: xp,
yp, zp, zi

Sơ đồ mô tả bài toán động
học 2.5. Thuật giải cho bài toán động học thuận

Hình 1

TIEU LUAN MOI download :

Việc giải bài toán động học thuận bao gồm các bước sau đây:
1.

Đưa robot về vị trí gốc, cịn gọi là vị trí HOME, là vị trí mà dịch

chuyển của các khâu bắt đầu được tính từ đó.
2. Gắn trên mỗi khâu động một hệ trục tọa độ (hệ trục tọa độ tương
đối)
3.

Mô tả chuyển động tương đối giữa cvasc khâu liên tiếp bằng các

tọa độ suy rộng (bao gồm các chuyển động tịnh tiến và chuyển động
quay).\
4.

Định nghĩa (viết) các ma trận Aj cho các khâu tương ứng.

5.

Nhân các ma trận Aj để tính ma trận chuyển đổi TN

6.

Lập phương trình ma trận chuyển đổi của robot và ma trận chuyển

đổi tổng quát thể hiện mối liên hệ về vị trí giữa tọa độ của khâu đầu
cuối trong hệ tọa độ Descartes với tọa độ suy rộng của các khâu thành
phần..

2.6. Xây dựng mơ hình hệ thống nhúng cho robot
Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chun
biệt nào đó, trong bài tốn điều khiển robot, hệ thống nhúng sẽ được xây dựng
trên board điều khiển Arduino Uno R3 với trung tâm là vi điều khiển Atmega328.
Lúc này việc điều khiển các khớp robot chuyển sang bài toán điều khiển động cơ
servo bằng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM), khi đó việc xây dựng các
giải thuật sẽ được tinh giảm hết mức có thể để phù hợp với hệ thống sẽ sử dụng.
Mơ hình của hệ thống điều khiển robot được xây dựng theo dạng vịng hở,
kiểm sốt q trình điều khiển bằng máy tính.Máy tính sẽ thơng qua khối điều
khiển bằng board Arduino để đưa ra các thao tác cho robot bằng cách điều khiển
các servo.


TIEU LUAN MOI download :


2.7. Khối điều khiển
Khối điều khiển được xây dựng trên board Arduino Uno R3 với trung tâm là
vi điều khiển Atmega328. Đây là một board điều khiển tiên tiến, người lập trình có
nhiều thuận lợi khi thao tác với board như sử dụng ngơn ngữ lập trình C để lập
trình, cộng đồng hỗ trợ đơng đảo, có sẵn nhiều thư viện để việc lập trình vi điều
khiển trở nên dễ dàng hơn.
Mạch Arduino Uno là dòng mạch Arduino phổ biến, khi mới bắt đầu làm
quen, lập trình với Arduino thì mạch Arduino thường nói tới chính là dịng
Arduino UNO và R3 là thế hệ thứ 3 của vi điều khiển này.
Arduino UNO có thể sử dụng 3 vi điều khiển họ 8bit AVR là ATmega8,
ATmega168, ATmega328. Trong đề tài này mạch Uno em sử dụng dùng vi điều
khiển ATmega328. Bộ não này có thể xử lí những tác vụ đơn giản như điều khiển
đèn LED nhấp nháy, điều khiển động cơ, xử lí tín hiệu cho xe điều khiển từ xa, làm
một trạm đo nhiệt độ - độ ẩm và hiển thị lên màn hình LCD hay lên webserver…

TIEU LUAN MOI download :


Arduino UNO có thể được cấp nguồn 5V thơng qua cổng USB hoặc cấp
nguồn ngoài với điện áp khuyên dùng là 7-12V DC và giới hạn là 6-20V. Thường
thì cấp nguồn bằng pin vng 9V là hợp lí nhất nếu bạn khơng có sẵn nguồn từ
cổng USB. Nếu cấp nguồn vượt quá ngưỡng giới hạn trên, bạn sẽ làm hỏng
Arduino UNO.

TIEU LUAN MOI download :


Các chân năng lượng:
+

GND (Ground): cực âm của nguồn điện cấp cho Arduino UNO. Khi bạn

dùng các thiết bị sử dụng những nguồn điện riêng biệt thì những chân này phải
được nối với nhau.
+

5V: cấp điện áp 5V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là 500mA.

+
3.3V: cấp điện áp 3.3V đầu ra. Dòng tối đa cho phép ở chân này là
50mA.
+

Vin (Voltage Input): để cấp nguồn ngoài cho Arduino UNO, bạn nối cực

dương của nguồn với chân này và cực âm của nguồn với chân GND.
+

IOREF: điện áp hoạt động của vi điều khiển trên Arduino UNO có thể

được đo ở chân này. Và dĩ nhiên nó ln là 5V. Mặc dù vậy bạn khơng được lấy
nguồn 5V từ chân này để sử dụng bởi chức năng của nó khơng phải là cấp
nguồn.
+

RESET: việc nhấn nút Reset trên board để reset vi điều khiển tương

đương với việc chân RESET được nối với GND qua 1 điện trở 10KΩ.
Một vài thông số của Arduino UNO R3
Các thông số của Arduino Uno R3
Vi điều khiển
Điện áp hoạt động
Tần số hoạt động
Dòng tiêu thụ
Điện áp vào khuyên dùng
Điện áp vào giới hạn
Số chân Digital I/O


TIEU LUAN MOI download :


Số chân Analog
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O

Dòng ra tối đa (5V)
Dịng ra tối đa (3.3V)
Bộ nhớ flash
SRAM
EEPROM

2.7.1.

Lập trình cho Arduino:

Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngơn riêng. Ngơn
ngữ này dựa trên ngơn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung. Và Wiring
lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi
là C hay C/C++.
2.8. Khối động cơ Servo
Đảm nhận vai trò nhận các tín việu điều khiển từ khối điều khiển để thực
thi các lệnh tạo nên các hoạt động của cánh tay robot. Servo được sử dụng trong
hệ thống là servo sg90

Servo SG90 trong thực tế

TIEU LUAN MOI download :


Cơ cấu bên trong Servo SG90
Động cơ servo được thiết kế những hệ thống hồi tiếp vịng kín. Tín hiệu ra
của động cơ được nối với một mạch điều khiển. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí
sẽ được hồi tiếp về mạch điều khiển này. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển
động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí
mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm

chính xác. Tiếp đến là thơng số quan trọng nhất, đó là mơ-men xoắn mà động cơ
vận hành. Với servo SG90 thì mơ-men xoắn là 1,8kg /cm có nghĩa là động cơ có
thể kéo vật nặng 1,8kg khi bị treo ở khoảng cách 1cm. Vì vậy, nếu bạn treo tải ở
mức 0,5cm thì động cơ có thể kéo tải 3,6kg tương tự nếu bạn treo tải ở mức 2cm
thì chỉ có thể kéo 0,9kg. Dựa trên tải mà bạn sử dụng trong dự án, bạn có thể chọn
động cơ có mơ-men xoắn thích hợp.
- Cách sử dụng động cơ Servo SG90
Như chúng ta biết có ba dây đi ra từ động cơ này. Để làm cho động cơ này
quay, chúng ta phải cấp nguồn cho động cơ với + 5V bằng cách sử dụng dây Đỏ và
Nâu và gửi tín hiệu PWM đến dây màu Cam. Do đó, chúng ta cần một cái gì đó có
thể tạo ra tín hiệu PWM để làm cho động cơ này hoạt động và ở trong hệ thống này
là tín hiệu điều khiển từ Arduino. Bây giờ, làm thế nào để điều khiển hướng của
động cơ ? Để hiểu điều đó, hãy nhìn vào hình ảnh dưới đây

TIEU LUAN MOI download :


Từ hình ảnh, chúng ta có thể hiểu rằng tín hiệu PWM được tạo ra phải có tần
số 50Hz, đó là khoảng thời gian PWM phải là 20ms. Trong đó On-Time có thể
thay đổi từ 1ms đến 2ms. Vì vậy, khi thời gian bật là 1ms, động cơ sẽ ở 0 ° và khi
1,5ms thì động cơ sẽ là 90 °, tương tự khi là 2ms thì nó sẽ là 180 °. Vì vậy, bằng
cách thay đổi thời gian bật từ 1ms đến 2ms, động cơ có thể được điều khiển từ 0 °
đến 180 °.

TIEU LUAN MOI download :