Đồ án Thiết kế Hệ thống chiết rót, phân loại chai PET ứng dụng công nghệ xử lý ảnh (300 trang)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên sinh viên
Trần Bảo Khánh
Đặng Xuân Hải
Nguyễn Mạnh Tú

Lớp
KTCĐT02
KTCĐT02
KTCK06

Khóa
58
58
58

MSSV
20132083
20131217
20134491

Chuyên ngành
Hệ
Kỹ thuật cơ điện tử Chính quy
Kỹ thuật cơ điện tử Chính quy

Kỹ thuật cơ khí
Chính quy

1. Tên đề tài:
Nghiên cứu, thiết kế dây chuyền đóng chai tự động.
2. Nội dung thuyết minh
Phần 1

Tổng quan về hệ thống đóng chai tự động

Phần 2

Thiết kế hệ thống cơ khí dây chuyền đóng chai tự động

Phần 3

Thiết kế hệ thống điều khiển

Phần 4
Thiết kế hệ thống kiểm tra chai sau chiết
3. Các bản vẽ: 8 bản vẽ A0
Tên bản vẽ
Cấu tạo dây chuyền
Vị trí gắn cảm biến
Đầu vào ra PLC
Sơ đồ thuật toán
Chương trình PLC
Sơ đồ khối tổng quan xử lý hình ảnh
Quá trình xử lý hình ảnh

Số lượng
01
01
01
02
01
01
01

Kích thước
A0
A0
A0
A0
A0
A0
A0

Hà Nội, ngày … tháng 06 năm 2018
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

SINH VIÊN THIẾT KẾ


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………


- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:

Thuyết minh:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Bản vẽ:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
NHẬN XÉT KHÁC:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Hà Nội, ngày … tháng 06 năm 2018
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

TS. Trần Thị Thanh Hải

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN DUYỆT
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
TIẾN TRÌNH THỰC HIỆN ĐỒ ÁN:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
NỘI DUNG ĐỒ ÁN:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………

…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………


- HÌNH THỨC TRÌNH BÀY:
Thuyết minh:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
Bản vẽ:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
NHẬN XÉT KHÁC:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
- Ý KIẾN ĐÁNH GIÁ:
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
…………………………………………………………………………………………………
….………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày…tháng 06 năm 2018
GIÁO VIÊN DUYỆT


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

MỤC LỤC
LỜI MỞ ĐẦU................................................................................................................................1
PHẦN 1: TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÓNG CHAI TỰ ĐỘNG.............................................1
1. Tổng quan dây chuyền chiết rót đóng chai tự động trong công nghiệp...................2
2. Hệ thống chiết rót đóng nắp chai.................................................................................4
3. Phân loại.........................................................................................................................5
3.1.

Theo ngành sản xuất.................................................................................................5

3.1.

Theo cách đóng nắp................................................................................................10

4. Xác định các thông số đầu vào...................................................................................11
Kết luận...............................................................................................................................12
PHẦN 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ DÂY CHUYỀN ĐÓNG CHAI TỰ ĐỘNG.....13
ĐẶT VẤN ĐỀ...............................................................................................................................14
NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA HỆ THỐNG......................................................................15
CHƯƠNG I TÍNH TOÁN THIẾT KẾ BĂNG TẢI..................................................................17
1.1.

Băng tải.....................................................................................................................17

1.1.1. Tính toán cho băng tải đầu vào và đầu ra..............................................................19
1.1.2. Tính toán lựa chọn động cơ....................................................................................20
1.2.

Bộ truyền động.........................................................................................................26

1.2.1. Giới thiệu và lựa chọn bộ truyền............................................................................26
1.2.2. Tính toán bộ truyền đai...........................................................................................26
CHƯƠNG II: TÍNH TOÁN CƠ CẤU MAN.............................................................................34
2.1.

Tính toán các thông số hình học của cơ cấu Man.................................................34

2.1.1. Khái niệm chung......................................................................................................34
2.1.2. Tính toán hình học bánh man................................................................................35
2.2.

Tính toán động học của cơ cấu Man......................................................................37

2.3.

Tính toán và lựa chọn động cơ...............................................................................42

CHƯƠNG III: HỆ THỐNG CHIẾT RÓT CHẤT LỎNG.......................................................44
3.1.

Khái niệm chung......................................................................................................44

3.2.

Các dạng chiết rót chất lỏng thông dụng...............................................................45

3.2.1. Cơ cấu rót tới định mức...........................................................................................45
3.2.2. Cơ cấu rót có bình lường và van trượt....................................................................46
3.2.4. Cơ cấu rót chân không............................................................................................48
3.2.5. Nguyên lí chiết rót kiểu van....................................................................................48
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

CHƯƠNG IV: HỆ THỐNG CẤP PHÔI TỰ ĐỘNG................................................................53
4.1.

Giới thiệu về hệ thống cấp phôi tự động................................................................53

4.2.

Giới thiệu một số cơ cấu cấp phôi..........................................................................53

4.2.1. Phễu cấp phôi có phiến trượt chuyển động lên xuống..........................................53
4.2.2. Cơ cấu cấp phôi rời kiểu đĩa ma sát........................................................................55
4.2.3. Cơ cấu cấp phôi kiểu phễu rung.............................................................................56

4.3.

Tổng quan.................................................................................................................57

4.3.1. Cơ sở lý thuyết tính toán phễu rung.......................................................................57
4.3.2. Tính toán phễu rung trong hệ thống cấp nắp chai................................................59
CHƯƠNG V: CÁC CƠ CẤU PHỤ TRONG HỆ THỐNG......................................................63
5.1.

Cụm kẹp chai cho nguyên công vặn nắp trên mâm man.....................................63

5.2.

Cụm cánh gạt phôi lỗi.............................................................................................65

5.3.

Hệ thống cơ khí bộ phận kiểm tra chai sau chiết.................................................67

CHƯƠNG VI: HỆ THỐNG KHÍ NÉN VÀ TÍNH TOÁN XILANH......................................70
6.1.

Giới thiệu hệ thống khí nén và các thành phần....................................................70

6.1.1. Khái niệm chung......................................................................................................70
6.1.2. Ưu, nhược điểm cơ bản...........................................................................................70
6.2.

Cấu trúc của hệ thống khí nén...............................................................................70

6.2.1. Các phần tử của hệ thống khí nén..........................................................................71
6.2.2. Piston xilanh............................................................................................................71
6.2.3. Van tiết lưu...............................................................................................................79
6.2.4. Van giảm áp..............................................................................................................80
6.2.5. Van an toàn..............................................................................................................81
6.2.6. Van phân phối..........................................................................................................82
6.3.

Tính xi lanh..............................................................................................................82

6.3.1. Xi lanh băng tải:......................................................................................................83
6.3.2. Xi lanh dẫn hướng vặn nắp chai:...........................................................................85
6.3.3. Xi lanh kẹp chai.......................................................................................................86
CHƯƠNG VII: THIẾT KẾ QUY TRÌNH GIA CÔNG CÁC CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH........88
7.1.

Phân tích chức năng làm việc và yêu cầu kỹ thuật của chi tiết...........................88

7.1.1. Chức năng làm việc.................................................................................................88
7.1.2. Phân tích tính công nghệ của chi tiết.....................................................................88
7.1.3. Xác định đường lỗi công nghệ và phương pháp gia công.....................................90
7.1.4. Phân tích chọn chuẩn định vị.................................................................................90
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

7.2.

Tính tra lượng dư gia công.....................................................................................91

7.3.

Thứ tự các nguyên công..........................................................................................93

Kết luận...............................................................................................................................99
PHẦN 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN ĐÓNG CHAI BẰNG
PLC.............................................................................................................................................100
CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ PLC VÀ CÁC MODULE MỞ RỘNG..............................101
1.1.

Tổng quan về PLC Mitsubishi..............................................................................101

1.1.1. Tổng quan chung về PLC......................................................................................101
1.1.2. Sự khác biệt giữa PLC Siemens và PLC Mitsubishi............................................104
1.1.3. Các dòng PLC Mitsubishi FX...............................................................................105
1.1.4. Module mở rộng.....................................................................................................106
1.1.5. Các loại PLC FX3U...............................................................................................107
1.2.

Lựa chọn phương án điều khiển...........................................................................110

1.3.

Các phần tử điều khiển.........................................................................................111

1.3.1. Cảm biến.................................................................................................................111
1.3.2. Servo.......................................................................................................................117
1.3.3. Biến tần..................................................................................................................122
1.4.

Kết luận chương 1.................................................................................................132

CHƯƠNG II: CÁC VÙNG NHỚ BÊN TRONG.......................................................................133
2.1.

Các vùng nhớ vào, ra.............................................................................................133

2.2.

Vùng nhớ trung gian.............................................................................................133

2.3.

Vùng nhớ trạng thái..............................................................................................134

2.4.

Vùng nhớ Timer.....................................................................................................134

2.5.

Vùng nhớ Counter.................................................................................................135

2.6.

Vùng nhớ dữ liệu...................................................................................................136

2.7.

Bộ đếm tốc độ cao HSC.........................................................................................137

2.8.

Kết luận chương 2.................................................................................................139

CHƯƠNG III: LẬP TRÌNH ĐIỀU KHIỂN DÂY CHUYỀN ĐÓNG RÓT CHAI..............140
3.1.

Các thông số đầu vào/ra........................................................................................140

3.2.

Sơ đồ thuật toán.....................................................................................................142

3.2.1. Phân loại nắp chai.................................................................................................142
3.2.2. Chiết rót chai..........................................................................................................143
3.2.3. Vặn nắp chai..........................................................................................................144
3.2.4. Sơ đồ khối chung cho việc sản xuất......................................................................145
3.3.

Màn hình điều khiển.............................................................................................146

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú

Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

3.3.1. Màn hình điều khiển.............................................................................................146
3.3.2. Nút bấm..................................................................................................................147
3.4.

Chương trình điều khiển.......................................................................................148

3.4.1.

Ladder....................................................................................................................148

3.4.2. Giải thích chương trình.........................................................................................149
3.5.

Hướng phát triển...................................................................................................153

3.5.1. Phân loại chai khuyết tật.......................................................................................154
3.5.2. Đẩy sau khi có đủ 6 sản phẩm..............................................................................155
3.5.3. Đóng thùng các chai..............................................................................................156
3.6.

Kết luận chương 3.................................................................................................157

Kết luận.............................................................................................................................158
PHẦN 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA SẢN PHẨM...............................................159

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG KIỂM TRA SẢN PHẨM TRONG DÂY
CHUYỀN CHIẾT RÓT CÔNG NGHIỆP...............................................................................160
1.1.

Nhiệm vụ kiểm tra sản phẩm trong dây chuyền chiết rót chai PET công nghiệp.
.................................................................................................................................160

1.1.1. Kiểm tra nắp đầu vào.............................................................................................160
1.1.2. Kiểm tra phôi chai..................................................................................................163
1.1.3. Kiểm tra chai trước khi chiết rót...........................................................................164
1.1.4. Kiểm tra chai đầy...................................................................................................166
1.1.5. Kiểm tra nhãn........................................................................................................167
1.1.6. Kiểm tra mã code trên chai....................................................................................167
1.2. Các phương pháp kiểm tra phân loại trong dây chuyền chiết rót chai PET công
nghiệp................................................................................................................................168
1.2.1. Các công nghệ kiểm tra chất lượng sản phẩm.....................................................168
1.2.2. Phương pháp phân loại.........................................................................................169
1.3.

Hệ thống kiểm tra, phân loại sản phẩm ứng dụng công nghệ xử lý ảnh..........171

1.3.1. Sự phát triển của công nghệ thị giác máy và xử lý ảnh.......................................171
1.3.2. Các thành phần của hệ thống thị giác máy tính – xử lý ảnh..............................172
1.3.3. Yêu cầu bài toán và thông số đầu vào...................................................................173
CHƯƠNG II: THIẾT KẾ HỆ THỐNG KIỂM TRA MỨC CHẤT LỎNG, NẮP VÀ
NHÃN CHAI PET.....................................................................................................................175
2.1.

Các thành phần của hệ thống và lựa chọn thiết bị phần cứng..........................175

2.1.1. Mô tả tổng quan mô hình hệ thống......................................................................175
2.1.2. Lựa chọn Camera..................................................................................................175
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

2.1.3. Cảm biến phát hiện chai........................................................................................178
2.1.3.1.

Truyền tải tín hiệu, dữ liệu...............................................................................178

2.1.3. Board mạch Arduino.............................................................................................179
2.1.4. Hệ thống ánh sáng.................................................................................................179
2.2.

Sơ đồ lưu chuyển tín hiệu trong hệ thống...........................................................181

2.3.

Thiết kế mô hình hệ thống....................................................................................182

CHƯƠNG III: XÂY DỰNG PHẦN MỀM..............................................................................183
3.1.

Các kỹ thuật, thuật toán xử lý hình ảnh..............................................................183

3.2.1. Thu nhận ảnh........................................................................................................183
3.2.2. Vùng ảnh quan tâm – ROI (Region Of Interest)..................................................190
3.2.3. Một số kỹ thuật tiền xử lý, nâng cao chất lượng ảnh..........................................194
3.2.4. Các phép toán hình thái học và ứng dụng...........................................................200
3.2.5. Một số kỹ thuật phát hiện biên..............................................................................205
3.2.6. Đường bao (Contours)...........................................................................................210
3.2.7. Một số kỹ thuật nhận dạng đối tượng...................................................................211
3.2.

Xây dựng thuật toán..............................................................................................213

3.2.1. Sơ đồ khối tổng quát..............................................................................................213
3.2.2. Thuật toán kiểm tra mức chất lỏng.......................................................................216
3.2.3. Thuật toán kiểm tra nắp........................................................................................218
3.2.4. Thuật toán kiểm tra nhãn chai..............................................................................221
CHƯƠNG IV: LẬP TRÌNH......................................................................................................224
4.1.

Ngôn ngữ lập trình Python...................................................................................224

4.1.1. Giới thiệu................................................................................................................224
4.1.2. Đặc điểm.................................................................................................................224
4.2.

Thư viện xử lý ảnh OpenCV.................................................................................226

4.3.

Phần mềm Visual Studio Code.............................................................................226

4.4.

Viết chương trình...................................................................................................227

4.4.1. Khai báo thư viện...................................................................................................227
4.4.2. Biến điều khiển chương trình...............................................................................227
4.4.3. Khai báo tham số tiêu chuẩn.................................................................................228
4.4.4. Khởi tạo phương pháp đối sánh............................................................................228
4.4.5. Thu nhận ảnh và tiền xử lý...................................................................................228
4.4.6. Thu nhận dữ liệu mẫu và tiền xử lý......................................................................229
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

4.4.7. Xác định đường tham chiếu REF_LINE.............................................................229
4.4.8. Trích xuất ROIs và tiền xử lý................................................................................230
4.4.9. Chương trình con kiểm tra nắp.............................................................................231
4.4.10. Chương trình kiểm tra mức chất lỏng..................................................................234
4.4.11. Chương trình kiểm tra nhãn.................................................................................236
4.4.12. Xuất kết quả...........................................................................................................237
CHƯƠNG V: QUÁ TRÌNH XỬ LÝ, PHÂN TÍCH HÌNH ẢNH...........................................238
5.1.

Thu nhận ảnh, tiền xử lý và trích xuất ROIs......................................................238

5.2.

Kiểm tra nắp chai trong ROI1.............................................................................240

5.3.

Kiểm tra mức chất lỏng trong ROI2....................................................................241

5.4.

Kiểm tra nhãn trong ROI3...................................................................................242

5.4.1. Bài toán (1) - Kiểm tra có nhãn............................................................................242
5.4.2. Bài toán (2) – Kiểm tra loại nhãn.........................................................................243
CHƯƠNG VI: KẾT LUẬN PHẦN 3.......................................................................................244
TÀI LIỆU THAM KHẢO.........................................................................................................245

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

DANH MỤC HÌNH Ả
Hình 1 - 1: Dây chuyền chiết rót tự động trong công nghiệp........................................2
Hình 1 - 2: Cụm máy chiết rót.......................................................................................3

Hình 1 - 3: Cụm đóng nắp trong dây chuyền chiết rót chai PET...................................3
Hình 1 - 4: Băng tải vận chuyển chai trong dây chuyền................................................4
Hình 1 - 5: Chế phẩm y tế dạng lỏng đựng trong chai PET...........................................5
Hình 1 - 6: Một số loại nước giải khát, bia đóng chai...................................................6
Hình 1 - 7: Một số loại thực phẩm, gia vị dạng lỏng đóng chai....................................6
Hình 1 - 8: Hóa mỹ phẩm dạng lỏng.............................................................................7
Hình 1 - 9: Chất phụ gia, tẩy rửa dạng lỏng đóng chai..................................................7
Hình 1 - 10: Dây chuyền chiết rót chai thủy tinh..........................................................9
Hình 1 - 11: Dây chuyền đóng chai nhựa PET..............................................................9
Hình 1 - 12: Nắp dập của chai Heineken.....................................................................10
Hình 1 - 13: Một số loại nắp vặn chai PET.................................................................10
Y

Hình 2 - 1: Cấu tạo dây chuyền...................................................................................15
Hình 2 - 2: Mô hình băng tải thực tế...........................................................................17
Hình 2 - 3: Các thông số cơ bản của băng tải..............................................................18
Hình 2 - 4: Các lực tác dụng lên tang băng tải...........................................................20
Hình 2 - 5: Động cơ điện một chiều thực tế................................................................21
Hình 2 - 6: Danh sách động cơ một chiều [2]..............................................................23
Hình 2 - 7: Servo HC-KFS13......................................................................................24
Hình 2 - 8: Danh sách động cơ servo [3].....................................................................25
Hình 2 - 9: Cụm đai thực tế.........................................................................................26
Hình 2 - 10: Các thông số của đai sợi tổng hợp [4].....................................................30
Hình 2 - 11: Thông số của khớp nối [5]......................................................................31
Hình 2 - 12: Catalog khớp nối hãng Bảo Long [5]......................................................32
Hình 2 - 13: Thông số ổ bi đỡ chặn [6].......................................................................32
Hình 2 - 14: Catalog ổ bi đỡ chặn [6]..........................................................................33
Hình 2 - 15: Động học cơ cấu mante...........................................................................34
Hình 2 - 16: Cơ cấu mante 3D....................................................................................34
Hình 2 - 17: Sơ đồ tính toán cơ cấu Man....................................................................35

Hình 2 - 18: Sơ đồ tính động lực học cơ cấu Man.......................................................41
Hình 2 - 19: Động cơ mitsubishi.................................................................................43
Hình 2 - 20: Cơ cấu rót tới mức định trước: giai đoạn chuẩn bị, đang rót và hoàn tất
rót................................................................................................................................ 45
Hình 2 - 21: Cơ cấu rót chính xác có bình lường-van trượt.........................................46
Hình 2 - 22: Cơ cấu rót đẳng áp..................................................................................47
Hình 2 - 23: Cơ cấu rót kiểu van.................................................................................48
Hình 2 - 24: Van điện từ 3 vị trí...................................................................................49
Hình 2 - 25: Sơ đồ cấp nước vào bình lường...............................................................50
Hình 2 - 26: Sơ đồ chiết rót từ bình lường vào chai....................................................51
Hình 2 - 27: Cấu tạo phễu cấp phôi.............................................................................53
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Hình 2 - 28: Cơ cấu cấp phôi rời kiểu đĩa ma sát........................................................55
Hình 2 - 29: Cơ cấu cấp phôi phễu rung......................................................................56
Hình 2 - 30: Sơ đồ lực tác dụng lên phôi trên mặt phẳng trong cơ cấu phễu rung.......57
Hình 2 - 31: Sơ đồ di chuyển phôi trên mặt phẳng nghiêng........................................58
Hình 2 - 32: Phỗi cấp phôi kiểu rung..........................................................................59
Hình 2 - 33: Sơ đồ bố trí nam châm............................................................................60
Hình 2 - 34: Cơ cấu định hướng..................................................................................61
Hình 2 - 35: Cơ cấu kẹp chai.......................................................................................63
Hình 2 - 36: Sơ đồ lực kẹp tác dụng lên chai..............................................................64
Hình 2 - 37: Cơ cấu gạt chai lỗi..................................................................................65

Hình 2 - 38: Hành trình của cụm gạt chai lỗi..............................................................66
Hình 2 - 39: Động cơ mitsubishi.................................................................................67
Hình 2 - 40: Cụm chụp ảnh - Cơ cấu lắp camera........................................................68
Hình 2 - 41: Ảnh thu nhận qua mô hình thí nghiệm....................................................69
Hình 2 - 42: Các loại xy lanh thông dụng....................................................................72
Hình 2 - 43: Lực tác động lên xilanh tác dụng đơn.....................................................73
Hình 2 - 44: Kí hiệu xi lanh tác dụng đơn...................................................................74
Hình 2 - 45: Xilanh tác dụng hai chiều........................................................................74
Hình 2 - 46: Xilanh tác dụng hai chiều không có giảm chấn.......................................75
Hình 2 - 47: Các loại kết cấu đồ gá lắp thêm với xilanh tác dụng 2 chiều...................75
Hình 2 - 48: Xilanh tác dụng hai chiều có cơ cấu giảm chấn......................................76
Hình 2 - 49: Xilanh tác dụng 2 chiều có giảm chấn (hãng Bosch)..............................76
Hình 2 - 50: Sự phụ thuộc lực áp suất và đường kính của xilanh [10]........................78
Hình 2 - 51: Kí hiệu van tiết lưu có tiết diện thay đổi (Hãng Herion).........................79
Hình 2 - 52: Van tiết lưu..............................................................................................80
Hình 2 - 53: Van giảm áp............................................................................................80
Hình 2 - 54: Van an toàn..............................................................................................81
Hình 2 - 55: Van tràn...................................................................................................81
Hình 2 - 56: Xylanh và lực tác dụng lên xylanh..........................................................82
Hình 2 - 57: Xylanh khí nén thực tế............................................................................84
Hình 2 - 58: Cụm vặn nắp...........................................................................................85
Hình 2 - 59: Xylanh dẫn hướng động cơ vặn nắp........................................................86
Hình 2 - 60: Xylanh khí nén kẹp chai..........................................................................87
Hình 2 - 61: Sơ đồ khí nén hệ thống...........................................................................87
Hình 2 - 62: Mặt phân khuôn khi đúc phôi..................................................................90
Hình 2 - 63: Sơ đồ định vị nguyên công 1...................................................................93
Hình 2 - 64: Sơ đồ định vị nguyên công 2...................................................................94
Hình 2 - 65: Sơ đồ định vị nguyên công 3...................................................................95
Hình 2 - 66: Sơ đồ định vị nguyên công 4...................................................................96
Hình 2 - 67: Sơ đồ định vị nguyên công 5...................................................................97

Hình 2 - 68: Sơ đồ định vị nguyên công 6...................................................................98
Hình 3 - 1: Một số loại PLC......................................................................................104
Hình 3 - 2: Một số loại PLC Mitsubishi....................................................................105
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Hình 3 - 3: Một số loại PLC Mitsubishi....................................................................106
Hình 3 - 4: Module mở rộng.....................................................................................107
Hình 3 - 5: Công tắc hành trình.................................................................................112
Hình 3 - 6: Một số loại cảm biến...............................................................................113
Hình 3 - 7: Một số loại cảm biến...............................................................................114
Hình 3 - 8: Cảm biến nhiệt độ...................................................................................115
Hình 3 - 9: Lựa chọn cảm biến..................................................................................116
Hình 3 - 10: Servo HC-KFS13..................................................................................117
Hình 3 - 11: Driver MR-J2S-10A..............................................................................118
Hình 3 - 12: Encoder.................................................................................................119
Hình 3 - 13: Bảng Mode............................................................................................121
Hình 3 - 14: Lựa chọn các thông số cho P21.............................................................121
Hình 3 - 15: Động cơ không đồng bộ ba pha............................................................122
Hình 3 - 16: Các thành phần động cơ không đồng bộ ba pha....................................122
Hình 3 - 17: Nguyên lý hoạt đồng.............................................................................123
Hình 3 - 18: Cách đấu nối.........................................................................................123
Hình 3 - 19: Đấu nối.................................................................................................124
Hình 3 - 20: Diode chỉnh lưu.....................................................................................125

Hình 3 - 21: Tuyến dẫn một chiều.............................................................................125
Hình 3 - 22: IGBT.....................................................................................................126
Hình 3 - 23: Reactor..................................................................................................127
Hình 3 - 24: Điện trở hãm.........................................................................................128
Hình 3 - 25: Hoạt động của biến tần..........................................................................129
Hình 3 - 26: Biến tần E700........................................................................................130
Hình 3 - 27: Vùng nhớ trung gian.............................................................................133
Hình 3 - 28: Vùng nhớ trạng thái..............................................................................134
Hình 3 - 29: Vùng nhớ Timer....................................................................................134
Hình 3 - 30: Vùng nhớ Counter.................................................................................135
Hình 3 - 31: Vùng nhớ dữ liệu..................................................................................136
Hình 3 - 32: Phân loại nắp chai.................................................................................142
Hình 3 - 33: Chiết rót chai.........................................................................................143
Hình 3 - 34: Vặn nắp chai.........................................................................................144
Hình 3 - 35: Toàn bộ hệ thống...................................................................................145
Hình 3 - 36: Màn hình...............................................................................................146
Hình 3 - 37: Nút bấm................................................................................................147
Hình 3 - 38: Phân loại chai khuyết tật.......................................................................154
Hình 3 - 39: Đẩy toàn bộ 6 sản phẩm hoàn thiện......................................................155
Hình 3 - 40: Đóng thùng sản phẩm...........................................................................156
Hình 4 - 1: Vùng vào ra PLC....................................................................................133
Hình 4 - 2: Một số loại nắp chai PET........................................................................161
Hình 4 - 3: Một số loại nắp vặn 2 tầng......................................................................162
Hình 4 - 4: Module kiểm tra nắp của hãng Pressco...................................................163
Hình 4 - 5: Một số loại phôi chai PET.......................................................................164
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú

Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Hình 4 - 6: Ảnh phôi chai chụp từ Camera trong Module kiểm tra..........................164
Hình 4 - 7: Module kiểm tra chai rỗng của hãng Pressco.........................................165
Hình 4 - 8: Ảnh chụp chai sau chiết trên dây chuyền - nước sóng sánh....................166
Hình 4 - 9: Ảnh chụp vùng kiểm tra nắp...................................................................167
Hình 4 - 10: Lỗi Flagging..........................................................................................167
Hình 4 - 11: Ảnh chụp vùng bắn mã code trên chai PET..........................................168
Hình 4 - 12: Dây chuyền đóng chai PET sử dụng công nhân phân loại sản phẩm lỗi
.................................................................................................................................. 169
Hình 4 - 13: Cơ cấu phân loại sản phẩm lỗi sử dụng khí nén....................................170
Hình 4 - 14: Cơ cấu phân loại định hướng và đẩy trực tiếp.......................................170
Hình 4 - 15: Nhận diện thông tin chi tiết cơ khí ứng dụng công nghệ xử ảnh số.......171
Hình 4 - 16: Công nghệ thị giác máy tính ứng dụng trong ô tô tự lái........................172
Hình 4 - 17: : Các thành phần của một hệ thống thị giác máy...................................172
Hình 4 - 18: Hệ thống kiểm tra phân loại trong dây chuyền chiết rót chai PET........175
Hình 4 - 19: Phác thảo vị trí tương quan của chai trên dây chuyền...........................176
Hình 4 - 20: Phác thảo vị trí tương quan của chai trên dây chuyền...........................177
Hình 4 - 21: Cảm biến Omron E2K-X8ME1 2M......................................................178
Hình 4 - 22: Rơ-le trung gian 8 chân Omron MY2N-GS 24VDC.............................178
Hình 4 - 23: Board mạch Arduino Uno R3................................................................179
Hình 4 - 24: Phác thảo mô hình bố trí hệ thống chiếu sáng.......................................180
Hình 4 - 25: Sơ đồ lưu chuyển tín hiệu trong hệ thống kiểm tra phân loại chai sau chiết
.................................................................................................................................. 181
Hình 4 - 26: Mô hình cụm phân loại bằng xử lý ảnh trên Solidworks.......................182
Hình 4 - 27: Chuyển đổi tín hiệu điện quang học sang tín hiệu ảnh số......................183
Hình 4 - 28: So sánh mô hình Vector và Raster.........................................................185
Hình 4 - 29: Ảnh lưu trữ trong mô hình Raster và Vector.........................................186

Hình 4 - 30: Quá trình chuyển đổi giữa mô hình Raster và Vector............................186
Hình 4 - 31: Liên hệ giữa các mô hình biểu diễn ảnh................................................187
Hình 4 - 32: Một số định dạng ảnh thông dụng.........................................................188
Hình 4 - 33: Không gian màu RGB...........................................................................189
Hình 4 - 34: Không gian màu HSV...........................................................................190
Hình 4 - 35: Chai PET và phân vùng tương ứng với các bộ phận cần kiểm tra.........191
Hình 4 - 36: Ảnh và Histogram tương ứng................................................................192
Hình 4 - 37: Biểu đồ đa mức xám – 1D-histogram...................................................193
Hình 4 - 38: Biểu đồ màu (Color Histogram) của ảnh...............................................194
Hình 4 - 39: Mô tả phép tích chập với Kernel 3x3....................................................196
Hình 4 - 40: Ma trận chỉ số hỗ trợ truy cập nhanh pixel............................................198
Hình 4 - 41: Minh hoạ thực hiện toán tử trung vị......................................................199
Hình 4 - 42: Kết quả làm trơn ảnh vân tay (sử dụng MATLAB)...............................200
Hình 4 - 43: Các loại phần tử cấu trúc.......................................................................201
Hình 4 - 44: Minh họa phép giãn nở trên ảnh nhị phân.............................................203
Hình 4 - 45: Phép co trên ảnh nhị phân.....................................................................203
Hình 4 - 46: Phép toán mở trên ảnh nhị phân............................................................204
Hình 4 - 47: Ứng dụng phép toán đóng để làm trơn đường viền đối tượng trong ảnh
.................................................................................................................................. 205
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Danh mục hình ảnh

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Hình 4 - 48: Các dạng đường biên của đối tượng......................................................205
Hình 4 - 49: Minh họa phương pháp phát hiện biên dựa trên phép toán hình thái.....208

Hình 4 - 50: So sánh kết quả phát hiện biên bằng thuật toán Sobel và phép toán hình
thái............................................................................................................................ 210
Hình 4 - 51: Đường bao (màu xanh) của đối tượng (vùng màu trắng)......................210
Hình 4 - 52: Cây thứ bậc của các đường bao, các đường bao (số màu cam) và cấp độ
(số màu xanh đặt trong ngoặc)..................................................................................211
Hình 4 - 53: Nhận dạng đặc tính – Features Detection..............................................212
Hình 4 - 54: Các vùng quan tâm (ROI) và đường tham chiếu trên chai Aquafina.....213
Hình 4 - 55: Sơ đồ khối tổng quát quá trình thu nhận và xử lý ảnh...........................215
Hình 4 - 56: Mẫu mức chất lỏng chai Aquafina 500ml.............................................216
Hình 4 - 57: Một số mẫu đường mức chất lỏng trong chai PET................................216
Hình 4 - 58: Phát hiện nắp với thuật toán lọc màu...................................................219
Hình 4 - 59: Kết quả thực hiện thuật toán kiểm tra nắp và mức nước......................220
Hình 4 - 60: Đối chiếu đặc trưng giữa nhãn mẫu với đối tượng thực trên chai Aquafina
.................................................................................................................................. 223
Hình 4 - 61: Guido van Rossum, nhà sáng lập ngôn ngữ Python..............................224
Hình 4 - 62: Logo thư viện OpenCV.........................................................................226
Hình 4 - 63: Soạn thảo mã lệnh trên Visual Studio Code đã cài đặt gói công cụ mở
rộng hỗ trợ ngôn ngữ Python và thư viện OpenCV...................................................227
Hình 4 - 64: Ảnh đầu vào và trích xuất vùng ảnh trung tâm......................................238
Hình 4 - 65: Xác định đường tham chiếu REF_LINE của chai Aquafina 500ml.......239
Hình 4 - 66: ROIs trên chai Aquafina 500ml.............................................................240
Hình 4 - 67: Quá trình biến đổi ROI1 và xác định chiều cao nắp..............................240
Hình 4 - 68: Xác định đường mức chất lỏng trong chai Aquafina 500ml..................241
Hình 4 - 69: Quá trình xử lý ROI3 phát hiện nhãn chai Aquafina.............................242
Hình 4 - 70: Phát hiện nhãn chai Aquafina 500ml.....................................................243

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú

Danh mục bảng biểu

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

DANH MỤC BẢNG BI
Bảng 2- 1: Tổng hợp kết quả tính toán........................................................................30
Y

Bảng 3 - 1: PLC FX3U 16 đầu vào/ra.......................................................................107
Bảng 3 - 2: PLC FX3U 32 đầu vào/ ra......................................................................108
Bảng 3 - 3: PLC FX3U 48 đầu vào/ ra......................................................................108
Bảng 3 - 4: PLC FX3U 64 đầu vào/ ra......................................................................109
Bảng 3 - 5: PLC FX3U 80 đầu vào/ ra......................................................................109
Bảng 3 - 6: Phương án điều khiển.............................................................................110
Bảng 3 - 7: Phương án lắp đặt cảm biến....................................................................110
Bảng 3 - 8: So sánh Biến tần và Servo Driver...........................................................131
Bảng 3 - 9: Bộ đếm tốc độ cao HSC.........................................................................137
Bảng 3 - 10: Đầu vào hệ thống..................................................................................140
Bảng 3 - 11: Đầu ra hệ thống.....................................................................................140
Bảng 3 - 12: Ô nhớ D được chọn..............................................................................141
Bảng 3 - 13: Đầu vào/ ra hệ thống mở rộng..............................................................153
Bảng 4 - 1: Các bước thực hiện thuật toán kiểm tra mức chất lỏng...........................217
Bảng 4 - 2: Thuật toán phát hiện nắp.........................................................................218
Bảng 4 - 3: Thuật toán kiểm tra vị trí nắp..................................................................219
Bảng 4 - 4: Các bước thực hiện thuật toán phát hiện nhãn........................................221
Bảng 4 - 5: Thuật toán phát hiện và kiểm tra nhãn....................................................222

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh

Nguyễn Mạnh Tú


Lời mở đầu

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

LỜI MỞ ĐẦU
Ngày nay, khoa học công nghệ được ứng dụng trong mọi mặt của cuộc sống. Năng
suất lao động không ngừng được tăng lên nhờ áp dụng những thành tựu khoa học mới trên
những dây chuyền sản xuất tiên tiến. Với những máy móc hiện đại chúng ta có thể tạo ra
nhiều loại sản phẩm khác nhau trên cùng một trung tâm. Do đó, cần những thiết bị phân loại,
nhận biết sản phẩm nhanh và hiệu quả, giảm sức lao động. Yếu tố được tập trung quan tâm là
tự động hóa tối đa hoạt động của máy hoặc dây chuyền sản xuất.
Với mong muốn tìm hiểu, phát triển các hệ thống đóng nắp và phân loại chai, chúng
em đã được thực hiện đề tài “Nghiên cứu, thiết kế dây chuyền đóng chai tự động”. Đề tài
là sự kết hợp giữa cơ khí – điện tử - tin học. Sử dụng bộ điều khiển PLC kết hợp máy tính xử
lý hình ảnh nhằm tự động hóa cho quá trình chiết rót, vặn nắp cũng như phân loại chai.
Đề tài hoàn toàn phù hợp với những kiến thức chúng em đã được học trong trường,
bên cạnh đó việc đi sâu vào mỗi phần cũng giúp cho chúng em có thể hiểu hơn những hệ
thống công nghiệp, qua đó có thể áp dụng những kiến thức đã học vào công việc sau này.
Chúng em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến cô giáo TS. Trần Thị Thanh Hải, cùng các
thầy cô trong bộ môn Máy và Ma sát học đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ chúng em hoàn
thành tốt đồ án này, chúng em cũng xin chân thành cảm ơn Ban Lãnh đạo Bộ môn Máy và
Ma Sát học đã tạo điều kiện làm việc cũng như trang thiết bị cần thiết giúp đỡ chúng em
trong suốt thời gian thực hiện đồ án.

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú

Nhóm sinh viên thực hiện
Trần Bảo Khánh
Đặng Xuân Hải
Nguyễn Mạnh Tú
Nguyễn Viết Huy


Lời mở đầu

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải


Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

PHẦN 1
TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐÓNG
CHAI TỰ ĐỘNG

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú

Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

1. Tổng quan dây chuyền chiết rót đóng chai tự động trong công nghiệp
Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bì
dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm ví dụ như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ
phẩm, v.v…, do có nhiều ưu điểm vượt trội như giá thành rẻ, cứng cáp, tính thẩm mỹ cao, dễ
sản xuất. Cùng với xu hướng này, các hệ thống, dây chuyền chiết rót và đóng gói chai, lọ
đang được sử dụng rất phổ biến trong thực tế sản xuất, với phạm vi ứng dụng rộng rãi ở nhiều
quy mô sản xuất khác nhau, từ các máy bán tự động sử dụng cho các cơ sở sản xuất nhỏ lẻ
đến các nhà máy lớn tự động hoàn toàn, biên độ năng suất trải rộng từ chỉ vài trăm chai/giờ
đến vài nghìn chai/phút.
Mô hình cơ bản chung của dây chuyền chiết rót tự động: Hình 1 -1.

Hình 1 - 1: Dây chuyền chiết rót tự động trong công nghiệp
Ví dụ sau đây là dây chuyền chiết rót và đóng nắp chai tự động ở nhà máy Công ty
TNHH Tân Quang Minh - Bidrico với dây chuyền chiết rót đóng nắp chai nước ngọt tự động
với công suất 30.000 chai/giờ. Hệ thống sử dụng hoàn toàn tự động ở các công đoạn sắp xếp
chai, sục rửa, chiết rót, đóng nắp, dán nhãn, Hình 1 – 2 đến 1 – 4.

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động



GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Chiết rót: Hình 1 -2.

Hình 1 - 2: Cụm máy chiết rót


Đóng nắp: Hình 1 -3.

Hình 1 - 3: Cụm đóng nắp trong dây chuyền chiết rót chai PET

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động



GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Vận chuyển

Hình 1 - 4: Băng tải vận chuyển chai trong dây chuyền
2. Hệ thống chiết rót đóng nắp chai
Gồm 4 phần chính:
 Cụm sục rửa chai: làm sạch chai
 Cụm chiết rót
 Bộ phận kẹp chặt chai để chiết rót không bị lệch.

 Bộ phận chiết rót.
 Bể chứa nước.
 Hệ thống dẫn nước.
 Cảm biến để xác định đóng và mở vòi chiết rót
 Cụm đóng nắp
 Hệ thống dẫn nắp.
 Băng tải.
 Bộ phận giữ chai để không đi quá giới hạn hành trình
 Bộ phận kẹp để không bị ảnh hưởng lực vặn nắp
 Bộ phận vặn nắp
 Cảm biến quang để kiểm tra chai đã có nắp hay chưa
 Cụm kiểm tra
 Loại bỏ chai không đủ tiêu chuẩn
 Đèn LED chiếu sáng
 Camera chụp hình sản phẩm
 Máy vi tính xử lý hình ảnh
SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động



GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

Bộ phận loại sản phẩm lỗi (mức nước)

Bốn hệ thống đơn lẻ được ghép nối với nhau thành một hệ thống lớn hoàn chỉnh và được

điều khiển bằng PLC, thường được gọi là dây chuyền 4 trong 1. Phần cơ khí của máy thường
được làm bằng thép không gỉ.
3. Phân loại
3.1. Theo ngành sản xuất
a. Ngành y tế, sinh học: các dạng chai truyền dịch, chai đựng dung dịch, hóa chất,
chế phẩm y tế dạng lỏng…

Hình 1 - 5: Chế phẩm y tế dạng lỏng đựng trong chai PET

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú


Phần 1: Tổng quan hệ thống đóng chai tự động

GVHD: TS.Trần Thị Thanh Hải

b. Hàng tiêu dùng nhanh: Bao gồm các loại nước uống tinh khiết, nước có ga, đồ
uống có cồn...

Hình 1 - 6: Một số loại nước giải khát, bia đóng chai

c. Thực phẩm: tương ớt, tương cà, nước mắm, nước hàng...

Hình 1 - 7: Một số loại thực phẩm, gia vị dạng lỏng đóng chai

SVTH: Đặng Xuân Hải
Trần Bảo Khánh
Nguyễn Mạnh Tú