Thiết kế, chế tạo máy tự động kiểm tra và phân loại nhãn in trên sản phẩm trong công đoạn đóng gói

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

HỒ ĐẮC VĂN NHÂN

THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY TỰ ĐỘNG KIỂM TRA
VÀ PHÂN LOẠI NHÃN IN TRÊN SẢN PHẨM
TRONG CÔNG ĐOẠN ĐÓNG GÓI
Chuyên ngành : Kỹ thuật Cơ Điện tử
Mã số

: 60.52.01.14

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ
KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

Đà Nẵng - Năm 2017


Công trình được hoàn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

Phản biện 1 : PGS.TS. LÊ CUNG

Phản biện 2 : PGS.TS. LÊ VIẾT NGƯU

Luận văn đã được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt
nghiệp thạc sĩ kỹ thuật cơ điện tử họp tại Trường Đại học Bách
Khoa vào ngày 17 tháng 6 năm 2017.

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
 Trung tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học
Bách Khoa
 Thư viện Khoa Cơ điện tử, Trường Đại học Bách Khoa ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Nước ta đang trong quá trình công nghiệp hóa –hiện đại hóa
đất nước, do đó việc đẩy mạnh vai trò của lao động sang tạo cải tiến
trong công việc để nâng cấp công nghệ và hợp lý hóa sản xuất nâng
cao chất lượng , tăng năng suất lao động là việc rất cần thiết. Hiện
nay chi phí nhân công ngày tăng cao, từ năm 2010 đến năm 2016
mức lương tối thiểu tăng 200% đối với doanh nghiệp FDI. Thêm vào
đó ngày càng nhiều công ty mới xuất hiện từ các quốc gia Ấn Độ,
Trung Quốc, Braxin cạnh tranh về cả công nghệ và giá thành. Do vậy
yêu cầu không ngừng cải tiến thiết bị máy móc tại các phân xưởng
sản xuất nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí lao động
đang là vấn đề hết sức được chú trọng.
Bên cạnh đó, yêu cầu của khách hàng ngày càng khắc khe, các
tiêu chuẩn trong đo lường, kiểm tra truy vết sản phẩm được đòi hỏi
chỉnh chu và kỹ lưỡng trước khi giao sản phẩm đến khách hàng.
Trong nhà máy hiện nay, chủ yếu vẫn sử dụng lao động thủ công để
kiểm tra công đoạn dán nhãn mã vạch trong công đoạn đóng gói.
Công đoạn này đòi hỏi sự tập trung cao của công nhân để kiểm tra sự
sai sót trong việc in ấn nhãn, mà trong đó các lỗi hay gặp như :nhãn
in mờ, không rõ nét, nhãn không in, sai code sản phẩm…Do vậy dẫn
đến các sản phẩm đóng gói không đạt yêu cầu được gửi đến khách

hàng, vấn đề này khi xảy ra ảnh hưởng rất nghiêm trọng đến công tác
quản lý chất lượng của nhà máy cũng như uy tín của công ty chưa kể
các khoảng đền bù khá lớn do sai sót.
Đứng trước thực tế đó, nhiều giải pháp được đưa ra, trong đó
việc sử dụng robot scara được trang bị hệ thống vision dùng để phân


2
loại và kiểm tra sản phẩm khá khả thi như là robot scara ADTECH,
TOSHIBA THL400, YAMAHA YK400XG, EPSON LS3-401,
những Robot này thường có chi phí đầu tư tương đối cao khoảng từ
20,000-30,000 USD, do vậy việc áp dụng và nhân rộng tại nhà máy
khó triển khai.
Xuất phát nhu cầu thực tế nêu trên, người nghiên cứu đã chon
đề tài “ Thiết kế và chế tạo máy tự động kiểm tra và phân loại
nhãn in trên sản phẩm trong công đoạn đóng gói” để nghiên cứu
và thực hiện luận văn.
2. Mục tiêu nghiên cứu
 Thiết kế cụm máy có chức năng kiểm tra các nhãn in sót lỗi:
sai model, sai code khách hàng, in thiếu nét không rõ nét,hoặc chưa
dán nhãn
 Phân loại các nhãn in đạt yêu cầu (OK) chuyển tiếp sang
công đoạn kế tiếp, loại ra nhãn in không đạt (NG) vào khu vực riêng.
3. Đối tượng và Phạm vi nghiên cứu
3.1. Đối tượng nghiên cứu
 Nghiên cứu ứng dụng Labviews trong xử lý ảnh
 Nghiên cứu hệ thống dẫn động băng tải
 Nghiên cứu thiết kế cụm robot 3 trục XYZ
 Nghiên cứu hệ thống điều khiển PLC và HMI
3.2. Phạm vi nghiên cứu

 Nghiên cứu xử lý ảnh phân tích chuỗi ký tự của phần mềm
Labview ứng dụng trong việc kiểm tra sản phẩm, đo lường , đánh giá
của dây chuyền sản xuất
 Nghiên cứu hệ thống phân loại của các dây chuyền tự động ở
các nhà máy khác


3
4.Phương pháp nghiên cứu
Kết hợp phương pháp khảo sát, lý thuyết và thực nghiệm:
Phương pháp khảo sát: Trên hiện trường dây chuyền sản xuất,
đo cycle time thực hiện thao tác tại công đoạn kiểm tra nhãn in và
phân loại sản phẩm vào khay thành phẩm .Lập checksheet ghi lại các
danh mục cần kiểm tra lỗi nhãn in và các lưu ý đặc biệt khi công
nhân thao tác tại công đoạn này.
Phương pháp lý thuyết: Cơ sở lý thuyết ứng dụng Labview
trong phân tích xử lý ảnh để nhận diện các ký tự.Tính toán thiết kế
các cụm chi tiết máy băng tải, cơ cấu chấp hành khí nén, hệ thống
điều khiển bằng PLC
Phương pháp thực nghiệm: Quan sát mô hình máy mô
phỏng trên file 3D, thử nghiệm các loại camera để biết các mức độ
nhận diện so sánh, đánh giá.
5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
5.1. Ý nghĩa khoa học : làm chủ công nghệ điều khiển hệ
thống thiết bị kiểm tra nhãn in tương tự hệ thống kiểm tra vision
5.2. Ý nghĩa thực tiễn
 Loại bỏ những sai sót nhầm lẫn ở công đoạn in nhãn, nâng
cao chất lượng của quy trình kiểm soát ở công đoạn đóng gói thành
phẩm. Nâng cao uy tín của công ty đối với khách hàng.
 Chi phí đầu tư thấp giảm đến 50% chi phí đầu tư cho 1 hệ

thống robot scara có trang bị hệ thống vision.
 Giảm chi phí nhân công 1 người ở công đoạn kiểm tra nhãn
in sản phẩm. Toàn nhà máy có 30 dây chuyền, như vậy giảm được 30
người và chi phí ước tính cho một nhân công 400 USD/tháng. Tiết
kiệm 12,000 $/tháng


4
6. Cấu trúc của luận văn
MỞ ĐẦU
 Mục tiêu và nội dung nghiên cứu
 Phương pháp nghiên cứu
 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài
Chương 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
Nghiên cứu các loại băng tải nhẹ trong công nghiệp đóng gói,
phân tích công đoạn đóng gói hiện tại, đưa ra các bước thiết kế trang
bị công nghệ cho công đoạn đóng gói cải tiến.
Chương 2: PHÂN TÍCH XỬ LÝ ẢNH BẰNG ỨNG DỤNG
LABVIEW
Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của xử lý ảnh bằng ứng dụng
Labview. Xây dựng giao diện chương trình xử lý ảnh, đồng thời chọn
lựa chọn trang thiết bị phù hợp để thực hiện việc xử lý ảnh.
Chương 3: THIẾT KẾ CỤM MÁY ROBOT GẮP HÚT VÀ
TRUYỀN ĐỘNG BĂNG TẢI
Thiết kế xây dựng mô hình 3D của cụm máy robot gắp hút, lựa
chọn trang bị công nghệ bố trí phù hợp của cơ cấu truyền động băng
tải và robot gắp hút
Chương 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN
TỰ ĐỘNG PLC VÀ THIẾT LẬP GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI
Lựa chọn trang bị điện để lập trình và Thiết kế chương trình

trên PLC Delta cùng với chương trình giám sát giao diện HMI điều
khiển tọa độ robot gắp hút.


5
CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU
1.1. TỔNG QUAN NHÀ MÁY FOSTER ELECTRIC ĐÀ NẴNG
Foster Electric, một trong những tập đoàn hàng đầu chuyên sản
xuất các thiết bị điện tử, hệ thống loa, tai nghe, micro speaker, loa
thiết bị âm thanh, loa xe hơi... có trụ sở chính đặt tại Tokyo-Nhật Bản
đến nay tập đoàn đã có hơn 32 nhà máy, chi nhánh hoạt động trên
khắp thế giới.
1.2. DÂY CHUYỀN ĐÓNG GÓI SẢN PHẨM
1.2.1. Quy trình đóng gói và kiểm tra hiện tại
Quy trình đóng gói là phân đoạn cuối cùng của công đoạn hoàn
thành sản phẩm. Trong công đoạn này bao gồm : công đoạn in tem,
kiểm tra tem nhãn, đóng gói quét tem in và bỏ vào khay chứa.
Có thể mô hình hóa công đoạn này theo sơ đồ như sau:

Sơ đồ 1.1. Quy trình đóng gói hiện tại


6
1.2.2. Ưu điểm và hạn chế của quy trình hiện tại
Ưu điểm:
+ Quy trình đơn giản dễ thực hiện
+ Đào tạo lao động đơn giản
Khuyết điểm:
+ Bỏ lọt qua lỗi in tem bị sai,tem bị hỏng in mờ , mất nét
+ Hiệu suất công đoạn chưa cao.

+ Không thống kê chính xác những lỗi in tem bị sai so với tiêu
chuẩn
+ Thời gian hoàn thành 1 sản phẩm khá lâu.
1.2.3. Cải tiến quy trình đóng gói bằng máy tự động kiểm
tra nhãn in trên hộp sản phẩm và phân loại vào khay chứa

Sơ đồ 1.2. Quy trình đóng gói cải tiến

Sơ đồ 1.3. Bảng so sánh kết quả trước và sau khi cải tiến


7
1.2.4. Cấu tạo nhãn in và phân biệt các lỗi trên nhãn in
a. Mẫu nhãn in

Hình 1.3. nhãn in sản phẩm
b. Cấu tạo
S31: Mã code sản phẩm Samsung
160929: ngày sản xuất được hiểu Năm 2016 tháng 09 ngày 29
01: Sản xuất tại chuyển số 01
105: Số thứ tự sản phẩm được đóng gói
c. Các lỗi chất lượng in trên tem nhãn
Có thể phân ra các lỗi như sau:
 Lỗi in sai Model. Nguyên nhân có nhiều model triển khai
trên 1 line nên khi triển khai sản xuất do cài đặt sai ban đầu gây lỗi
in sai model
 Lỗi in mờ,in mất nét
 Nhãn in bị nhăn, rách
 Nhãn không đọc được barcode
1.3. BĂNG TẢI TRONG LĨNH VỰC ĐÓNG GÓI NGÀNH

CÔNG NGHIỆP NHẸ
Các băng tải thường dùng để di chuyển các vật liệu đơn chiếc
theo phương ngang, phương thẳng đứng hoặc phương xoắn. Trong
các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như
những phương tiện vận chuyển các linh kiện nhẹ và trong một số
ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm,hóa chất và một số


8
ngành công nghiệp khác thì dùng để vận chuyển sản phẩm hoàn
thành và chưa hoàn thành ở các giai đoạn, các phân xưởng, đồng thời
cũng như loại bỏ các sản phẩm không dùng được.
1.4. CHỌN CÔNG VIỆC ĐỂ THIẾT KẾ, TRANG BỊ CÔNG
NGHỆ
Máy tự động này phải bao gồm các module vận hành được bố trí
như sau:
+ Cụm băng tải chuyển sản phẩm sau khi in dán tem
+ Cụm máy phân tích ảnh
+ Cụm robot có cơ cấu gắp hút
+ Cụm băng tải chuyển sản phẩm hoàn thiện OK
+ Module điều khiển chương trình và các thiết bị sensor phát hiện
vật thể
Có thể mô hình hóa các module bẳng sơ đồ như bên dưới :

Sơ đồ 1.4. Sơ đồ mô hình hóa máy tự động kiểm tra


9
CHƯƠNG 2. PHÂN TÍCH XỬ LÝ ẢNH BẰNG ỨNG DỤNG
LABVIEW

2.1. GIỚI THIỆU LABVIEW

2.1.1. Xử lý ảnh và các vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh .
2.1.2. Những vấn đề cơ bản trong hệ thống xử lý ảnh
2.2. NHỮNG KHÁI NIỆM CƠ BẢN CỦA LABVIEW
2.2.1. VI (Vitual Instrument) - Thiết bị ảo
2.2.2. Front Panel và Block Diagram
2.2.3. Icon & Connector
2.3. CÁC KỸ THUẬT LẬP TRÌNH TRÊN LABVIEW:
2.3.1. Tool palette
2.3.2. Controls Palette (bảng điều khiển)
2.3.3. Function palette
2.4. CÁC KIỂU DỮ LIỆU
2.4.1. Variables (biến)
2.4.2. String
2.5. SUBVI VÀ CÁCH XÂY DỰNG SUBVI
2.5.1. Khái niệm SubVI
2.5.2. Xây dựng SubVI
2.6. LỰA CHỌN TRANG BỊ XỬ LÝ ẢNH VÀ THIẾT LẬP
GIAO DIỆN CHƯƠNG TRÌNH XỬ LÝ ẢNH TRÊN LABVIEW
2013
2.6.1. Thiết lập trang bị
2.6.2. Khởi tạo giao diện chương trình xử lý ảnh của
LABVIEW
a. Sử dụng các thanh công cụ trên màn hình ta thiết lập
giao diện như sau


10

Số 1:

Mã hóa code 39

Số 2:

Trạng thái NG/OK

Số 3:

Hiển thị barcode từ camera xử lý ảnh

Số 4:

Trạng thái kiểm tra Passed và NG của barcode

Số 5:

Thông số cài đặt để kiểm tra nhãn in

Số 6:

Hiển thị ký tự từ camera xử lý ảnh

Số 7:

Trạng thái Passed và NG của chuỗi ký tự

Số 8:

Cổng COM kết nối Camera vào Máy tính

Số 9:

Độ trễ thời gian ghi dữ liệu từ camera

Số 10: Thông số truyền từ RS232 to COM truyền thông đến
PLC
Sô 11: Số bit dữ liệu truyền xuống PLC
Sô 12: Hiển thị lệnh đẩy xuống PLC
Số 13: Trạng thái kết nối hoặc mất kết nối với PLC
Sô 14: Trạng thái chạy hoặc dừng liên tục quét hình ảnh từ
camera


11
2.6.3. Cấu hình cho Camera xử lý ảnh
a. Cấu hình cho Vision Acquisition từ Block program

b. Thiết lập cấu hình cho Camera đọc dữ liệu barcode bằng
phương thức OCR/ORV


12
2.6.4. Cấu trúc chương trình Labview
a. Khối dữ liệu truyền lệnh xuống PLC

b. Khối thông tin giao diện chương trình

13
c. Khối chương trình xử lý ảnh và barcode


14
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ CẤU MÁY TỰ ĐỘNG PHÂN
LOẠI VÀ KIỂM TRA NHÃN IN
3.1. CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA KHI CHỌN, THIẾT KẾ TRANG
BỊ CÔNG NGHỆ
3.1.1. Yêu cầu chung mô hình máy phân loại và kiểm tra
nhãn in

- Kiểm soát hàng lỗi nghiêm ngặt , nâng cao chất lượng sản
phẩm

- Đảm bảo chu kỳ máy hoàn thành công đoạn nhỏ hơn hoặc
bằng kiểm tra thủ công

- Máy kiểm tra nhãn in phải được vận hành liên tục đảm bảo
tính ổn định của phép đo.

- Máy có kết cấu gọn gang dễ bố trí lắp đặt trên dây chuyền
- Cơ cấu máy cứng vững, tuổi thọ cao, phụ tùng dễ thay thế
3.1.2.

Lựa chọn cấu tạo của mô hình máy tự động

Hình 3.1. Mô hình máy tự động kiểm tra và phân loại nhãn in

15
3.2. LỰA CHỌN ROBOT GẮP HÚT
3.2.1. Tính toán, thiết kế robot gắp hút
a. Yêu cầu khi tính toán thiết kế
- Cơ cấu cứng vững , hoạt động êm ái.
- Hoạt động chính xác, điều khiển linh động
- Tải trọng đáp ứng có khối lượng nhỏ nhẹ,không yêu cầu khắc
khe về tải trọng
Tổng thể cơ cấu robot gắp hút như hình bên dưới:

Hình 3.2. Cụm cơ cấu robot gắp hút
1. Chân đế
2. Gá trục X
3. Robot trục X
4. Thanh trượt trục X
5. Gá thanh trượt trục XY
6. Robot trục Y
7. Thanh trượt trục Y
8. Gá Trục Z
9. Robot trục Z
10. Thanh trượt trục Z
11. Gá cụm hút gắp
12. Cụm hút gắp


16
3.2.2. Các đặc tính của Robot đơn trục
Là thiết bị truyền động điện từ một thiết bị truyền động vít me
đai ốc bi tuyến tính linh hoạt với dẫn động của động cơ Step hoặc
servo được điều khiển thông minh đa chức năng tích hợp vào nhiều

hệ thống định vị trục Descartes từ thiết bị truyền động thông minh
Các đặc tính của robot đơn trục như sau:
• Nhiều vị trí lặp lại ±0.02mm
• Tốc độ điều khiển lập trình
• Tăng tốc trình và giảm tốc
• Lập trình Torque Control (Push chức năng)
• 50mm đến 1000mm Chiều dài đột quỵ
• Tốc độ 1mm/s đến 1000mm/s tốc độ cao (Phụ thuộc vào mô hình)
• Nối tiếp I / O để kết nối lên đến 16 trục
• Tuổi thọ thọ (5.000km)
• Công suất tiêu thụ thấp (So với khí nén xi lanh)
• Momen Ma=4.9 N.m Mb= 6.8 N.m và Mc=11.7 N.m
3.2.3. Cấu trúc Robocylinder
3.3. LỰA CHỌN CƠ CẤU CHO CHUYỂN ĐỘNG VẬN CHUYỂN
SẢN PHẨM
Chọn tính toán thiết kế phải tiến hành đảm bảo theo các bước sau:
Tính toán và chọn bộ truyền phù hợp với các tiêu chí đặt ra.
Tính toán vận tốc băng tải dựa vào công suất của công ty yêu cầu.
Tính công suất cần thiết của động cơ và chọn động cơ phù hợp.
Tính toán các cơ cấu chi tiết của máy đảm bảo theo tiêu chuẩn
đề ra.
3.3.1. Sử dụng bộ truyền đai
Truyền động đai thường được dùng để truyền dẫn giữa các trục
tương đối xa nhau và yêu cầu làm việc êm. Cấu tạo của nó bao gồm


17
buly và dây đai. Dây đai có thể được làm bằng vải hoặc cao su.
Với phương án bố trí được chọn ở trên thì theo cách này sử
dụng một bộ đai bố trí trực tiếp để thực hiện chuyển động

Ở đây quá trình vận chuyển, phân loại, đóng gói sản phẩm
được thực hiện trên băng tải . Dây đai phải được chọn sao cho hành
trình của cơ cấu gắp được đảm bảo.


18
CHƯƠNG 4: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN TỰ
ĐỘNG PLC VÀ THIẾT LẬP GIAO DIỆN GIÁM SÁT HMI
4.1. TỔNG QUAN VỀ PLC
4.2. SO SÁNH PLC VỚI CÁC HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
KHÁC
4.2.1. Hệ thống điều khiển PLC điển hình
4.2.2. Vai trò của PLC
4.2.3. Cấu tạo PLC
4.2.4. Ưu nhược điểm của hệ thống
4.3. PLC HÃNG DELTA
4.3.1. Đặc điểm PLC hãng Delta
4.3.2. Cấu trúc phần cứng PLC hãng Delta
4.3.3. Nguyên lý làm việc PLC hãng Delta
4.3.4. Giới thiệu Series DVP-SV có cổng kết nối Ethernet
4.4. THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN PLC
4.4.1. Sơ đồ khối chương trình PLC
4.4.2. Ngõ IN/OUT trên PLC
STT

INPUT/OUTPUT Ký hiệu

Mô tả

X0

Nút dừng khẩn cấp Estop

2

X1

Sensor FU35FA

3

Y0

Xung ra trục X

4

Y1

Chiều tiến/lùi chạy trục X

Y2

Xung ra trục Y

6

Y3

Chiều tiến/lùi chạy trục Y

7

Y4

Xung ra trục Z

1

5

INPUT

OUTPUT


19
8

Y5

Chiều lên/xuống chạy trục Z

9

Y6

Xung ra băng tải 1

10

Y7

Xung ra băng tải 2

11

Y8

Không sử dụng

12

Y9

Không sử dụng

13

Y10

Nam châm điện


20
4.5. THIẾT KẾ GIÁM SÁT GIAO DIỆN HMI
Giao diện thiết kế HMI trên phần mềm DOPSoft
a. Trạng thái ban đầu màn hình 1

b. Trạng thái ban đầu màn hình số 2

Hiển thị điều khiển tốc độ của động cơ Xxung phát


21
c. Trạng thái ban đầu màn hình số 3
Điều khiển set vị trí lên xuống trục Z, vị trí Home, vị trí
Origin

4.6. KẾT QUẢ
Chương trình đã hoàn thành nội dung của đề tài.Phân loại và
kiểm tra nhãn in bị lỗi trong công đoạn đóng gói.
Kết qủa thể hiện như sau:

Hình 4.5. Giao diện xử lý ảnh Labview


22

Hình 4.6. Mô hình máy thực tế

Hình 4.7. Sản phẩm trên băng chuyền kiểm tra


23

Hình 4.8. Cụm robot gắp hút sản phẩm
KẾT LUẬN
 Ưu điểm
Về cơ bản mô hình máy đã đáp ứng các yêu cầu của máy kiểm

tra và phân loại sản phẩm trong công đoạn đóng gói. Máy hoạt động trơn
tru ổn định. Đáp ứng chu kỳ sản phẩm làm ra đảm bảo nâng suất và hiệu
quả công việc
 Hạn chế
Mô hình chỉ dừng ở phân tích chuỗi ký tự và barcode để điều
khiển PLC chương trình xử lý ảnh chưa có mở rộng vùng quét chụp
ảnh xử lý ảnh. Chưa linh hoạt đáp ứng được nhiều loại hộp sản phẩm
khác nhau.
 Hướng phát triển
Ứng dụng của đề tài nhân rộng trong nhà máy, giảm nhân
công lao động tăng năng suất lao động