Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ
THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM LỖI ỨNG
DỤNG CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ẢNH

Người hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Số thẻ sinh viên :
Lớp:

TS. VÕ NHƯ THÀNH
ĐỒN NGỌC HỐN
NGUYỄN CHÍ THÀNH
101130162
101130179
13CDT1

Đà Nẵng, 2018


TÓM TẮT ĐỒ ÁN

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng
cơng nghệ xử lý ảnh.

Sinh viên thực hiện

: Đồn Ngọc Hốn
Nguyễn Chí Thành

Lớp

MSSV 101130162
101130179

: 13CDT1

Giảng viên hướng dẫn: TS.Võ Như Thành
Nội dung đề tài: Đề tài thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống kiểm tra và đóng gói sản
phẩm bánh răng ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh. Hệ thống gồm một camera được đặt cố
định hướng từ trên xuống, song song với dây chuyền chạy liên tục để đảm bảo quan sát
được bề mặt sản phẩm. Sản phẩm được đưa vào dây chuyền , khi cảm biến nhận được thì
camera thực hiện quá trình thu và xử lý ảnh lần lượt. Sau giai đoạn xử lý ảnh, sản phẩm
tiếp tục di chuyển trên băng tải và khi đến các vị trí cố định được phát hiện bởi cảm biến,
cánh tay Robot sẽ loại bỏ những bánh răng có lỗi từ tín hiệu xử lý ảnh trước đó vào thùng.
Cịn lại, sản phẩm đạt u cầu sẽ di chuyển đến thùng chứa ở dây chuyển thứ hai, trước
đó có cảm biến đếm số lượng bánh răng vào thùng, khi đủ số lượng đóng gói thì thùng đó
được vận chuyển. Quy trình như vậy được lặp lại liên tục


LỜI NĨI ĐẦU

Trong những năm gần đây, cơng nghệ xử lý hình ảnh được nghiên cứu, áp dụng trong
thực tiễn ngày càng rộng rãi. Xử lý ảnh là một bước tiến lớn về mặt công nghệ, được ứng
dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như: cơng nghiệp sản xuất đóng gói, chế tạo robot

dị đường, xử lý ảnh trong y tế, các ứng dụng nhận diện khuôn mặt, vân tay.... thực tế đem
lại nhiều lợi ích to lớn trong cải tiến và tối ưu hố các lĩnh vực. Và đó là một xu hướng tất
yếu, ứng dụng xử lý ảnh vào đời sống thì chất lượng sống được cải thiện, trong sản xuất
công nghiệp sẽ nâng cao năng suất và giảm lao động chân tay,...
Sau quá trình học tập tại trường, được sự chỉ bảo hướng dẫn tận tình của thầy cơ trong
khoa Cơ khí – Trường Đại Học Bách Khoa Đà Nẵng, chúng tơi đã tích luỹ được những
kiến thức quý báu. Được sự đồng ý của nhà trường và thầy cô giáo trong khoa, chúng tôi
mạnh dạn chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi
ứng dụng công nghệ xử lý ảnh” để làm đồ án tốt nghiệp cho mình.
Để hoàn thành đồ án tốt nghiệp này là nỗ lực bản thân của chúng tôi trong suốt thời
gian học tập và nghiên cứu. Việc hồn thành tốt đồ án đó là nhờ sự nhiệt huyết tận tình
hướng dẫn của thầy TS.Võ Như Thành. Thầy đã cùng chúng tôi đi qua những tháng ngày
khó khăn, là niềm động lực rất lớn đối với chúng tôi. Chúng tôi cũng xin cảm ơn đến
những người bạn đã không ngại chia sẻ về kiến thức, tài liệu làm đề tài để giúp nhóm
chúng tơi hoàn thành tốt được đồ án này.

i


CAM ĐOAN

Trong q trình thực hiện đề tài, nhóm tác giả đã nỗ lực hết sức, tuy nhiên không
tránh khỏi những thiếu sót và những nội dung trình bày trong báo cáo này là sự hiểu biết,
tìm hiểu của chúng tơi trong suốt q trình nghiên cứu dưới sự hướng dẫn nhiệt tình của
thầy TS.Võ Như Thành.
Chúng tơi xin cam đoan rằng: nội dung trình bày trong bản báo cáo đồ án tốt nghiệp
này không phải là bản sao chép từ bất kỳ cơng trình nghiên cứu nào trước đây. Mọi số
liệu, tính tốn, thiết kế do chúng tơi thực hiện. Các tài liệu tham khảo đều được trích dẫn
rõ ràng. Nếu không đúng sự thật, chúng tôi xin chịu mọi trách nhiệm trước nhà trường.

Đà Nẵng, ngày ..... tháng ..... năm 2018
Sinh viên thực hiện

ii


MỤC LỤC
LỜI NÓI ĐẦU...................................................................................................................i
CAM ĐOAN ................................................................................................................... ii
MỤC LỤC ...................................................................................................................... iii
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ......................................................................................... v
DANH SÁCH CÁC BẢNG .......................................................................................... viii
Trang
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU ............................................................................................... 2
1.1 Tính cấp thiết, lý do chọn đề tài............................................................................... 2
1.2 Mục tiêu của đề tài ................................................................................................. 3
1.3 Giới hạn đề tài ......................................................................................................... 3
1.4 Nội dung đề tài ....................................................................................................... 3
1.5 Hướng giải quyết ..................................................................................................... 6
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG ..................................... 7
2.1 Nguyên lý hoạt động và lựa chọn phương án thiết kế ............................................. 7
2.1.1 Nguyên lý hoạt động ........................................................................................ 7
2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế ............................................................................ 7
2.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ ................................................................................................ 8
2.2.1 Hệ thống băng tải ............................................................................................. 8
2.2.2 Thiết kế hệ dẫn động băng tải ......................................................................... 12
2.2.3 Hệ thống cánh tay Robot khí nén.................................................................... 20
2.3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN ................................................................ 30
2.3.1 Camera ........................................................................................................... 30

iii


2.3.2 Giới thiệu về bộ vi điều khiển Arduino........................................................... 31
2.3.3 Nguồn điện của hệ thống ................................................................................ 34
2.3.2 Cảm biến ........................................................................................................ 35
2.3.3 Mạch cách ly cảm biến quang......................................................................... 36
2.3.4 Van khí nén .................................................................................................... 38
2.3.5 Xylanh khí nén ............................................................................................... 40
2.3.6 Van tiết lưu .................................................................................................... 41
2.3.7 Modul Buck DC-DC ...................................................................................... 41
2.3.8 Modul Relay................................................................................................... 42
2.3.9 Sơ đồ điện điều khiển hệ thống....................................................................... 43
2.4 PHẦN MÈM ĐIỀU KHIỂN.................................................................................. 44
2.4.1 Giới thiệu phần mềm lập trình Arduino .......................................................... 44
2.4.2 Giới thiệu chung phần mềm Matlab................................................................ 46
2.4.3 Giới thiệu về ảnh số........................................................................................ 50
2.4.4 Thiết kế phần mềm điều khiển........................................................................ 54
CHƯƠNG III VẬN HÀNH VÀ KIỂM NGHIỆM .......................................................... 62
3.1 Thiết kế mơ hình trên Soliworks ........................................................................... 62
3.2 Thiết kế mơ hình thực tế........................................................................................ 64
CHƯƠNG IV KẾT LUẬN ............................................................................................. 65
4.1 Kết quả đạt được ................................................................................................... 65
4.2 Hạn chế của đề tài ................................................................................................. 65
4.3 Hướng phát triển đề tài.......................................................................................... 65
TÀI LIỆU THAM KHẢO............................................................................................... 66
PHỤ LỤC ....................................................................................................................... 67

iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống phân loại ............................................................................ 4
Hình 1.2 Lưu đồ thuật tốn hệ thống ................................................................................. 5
Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động ................................................................................. 7
Hình 2.2 Các thành phần của băng tải ............................................................................... 9
Hình 2.3 Bạt Hiflex (Nguồn : Internet) ............................................................................. 9
Hình 2.4 Sơ đồ kết cấu dẫn động băng tải ...................................................................... 10
Hình 2.5 Một số kiểu căng đai phổ biến .......................................................................... 11
Hình 2.6 Hệ thống con lăn và khung đỡ ( Nguồn : Internet) ............................................ 12
Hình 2.7 Sơ đồ hệ dẫn động ............................................................................................ 13
Hình 2.8 Robot kiểu tọa độ Đề-các ................................................................................. 20
Hình 2.9 Robot kiểu tọa độ trụ ........................................................................................ 21
Hình 2.10 Robot kiểu tọa độ cầu ..................................................................................... 21
Hình 2.11 Robot kiểu tọa độ góc..................................................................................... 22
Hình 2.12 Robot kiểu SCARA ........................................................................................ 22
Hình 2.13 Sơ đồ động học cánh tay robot ....................................................................... 23
Hình 2.14 Nguyên lý hoạt động của cánh tay Robot........................................................ 23
Hình 2.15 Hệ tọa độ gắn lên các khâu ............................................................................. 24
Hình 2.16 Cơ cấu chuyển động quay cánh tay robot ....................................................... 27
Hình 2.17 Cơ cấu chuyển động tịnh tiến cánh tay robot .................................................. 28
Hình 2.18 Trường cơng tác của robot .............................................................................. 28
Hình 2.19 Cánh tay robot thiết kế trong Soliworks.......................................................... 29
Hình 2.20 Cánh tay robot ở góc nhìn trên cao ................................................................. 29
v


Hình 2.21 Camera Logitech C170 (Nguồn: Internet) ...................................................... 31
Hình 2.22 Sơ đồ kết nối camera với máy tính ................................................................. 31

Hình 2.23 Thiết bị Arduino (Nguồn: Internet) ................................................................ 32
Hình 2.24 Nguồn tổ ong (Nguồn: Internet) .................................................................... 34
Hình 2.25 Cảm biến quang E3F-DS30C4 (Nguồn: Internet) .......................................... 35
Hình 2.26 Bộ cách ly cảm biến ....................................................................................... 36
Hình 2.27 Opto cách ly PC817 (Nguồn: Internet) ........................................................... 37
Hình 2.28 Mạch cách ly sử dụng Opto ............................................................................ 37
Hình 2.29 Van điện từ khí nén 5/2 (Nguồn: Internet) ...................................................... 38
Hình 2.30 Sơ đồ nguyên lý Van 5/2 ............................................................................... 38
Hình 2.31 Kí hiệu Van 5/2 ............................................................................................. 38
Hình 2.32 Cấu trúc chung của Rơle điện từ ..................................................................... 39
Hình 2.334 Xylanh khí nén ............................................................................................. 40
Hình 2.34 Sơ đồ ngun lý hoạt động ............................................................................. 40
Hình 2.35 Van tiết lưu (Nguồn: Internet) ........................................................................ 41
Hình 2.36 Modul Buck LM2596 (Nguồn: Internet)......................................................... 41
Hình 2.37 Modul Relay 8 kênh (Nguồn: Internet) ........................................................... 42
Hình 2.38 Sơ đồ điện điều khiển hệ thống....................................................................... 43
Hình 2.39 Giao diện Arduino IDE .................................................................................. 44
Hình .40 Giao diện chọn Board ....................................................................................... 45
Hình 2.41 Giao diện cổng kết nối.................................................................................... 46
Hình 2 42 Giao diện làm việc của Matlab ....................................................................... 48
Hình 2.43 Giao diện cửa sổ Command Window ............................................................. 49
Hình 2.44 Giao diện cửa sổ Workspace .......................................................................... 49
Hình 2.45 Giao diện cửa sổ m-file editor ........................................................................ 50
vi


Hình 2.46 Ví dụ về ảnh số (Nguồn: Internet) .................................................................. 50
Hình 2.47 Hình ảnh về điểm ảnh (Nguồn: Internet) ........................................................ 51
Hình 2.48 Mức xám của ảnh (Nguồn: Internet) ............................................................... 52
Hình 2.49 Độ phân giải của ảnh (Nguồn: Internet).......................................................... 52

Hình 2.50 Sơ đồ các bước xử lý ảnh ............................................................................... 53
Hình 2.51 Sơ đồ khối hệ thống trực quan ........................................................................ 55
Hình 2.52 Cửa sổ GUI .................................................................................................... 59
Hình 2.53 Cửa sổ biên soạn GUI .................................................................................... 60
Hình 2.54 Giao diện GUI ................................................................................................ 61
Hình 3.1 Mơ hình thiết kế trên Soliworks ....................................................................... 62
Hình 3.2 Mơ hình góc nhìn nghiêng ................................................................................ 63
Hình 3.3 Mơ hình tổng quát hệ thống.............................................................................. 64
Hình 3.4 Sản phẩm mẫu .................................................................................................. 64

vii


DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.1 Thông số ban đầu hệ dẫn động ......................................................................... 12
Bảng 2.2 Bảng xác định hệ số ma sát giữa băng tải và giá đỡ [3] .................................... 13
Bảng 2.3 Bảng chọn hệ số 𝑐3 [3] .................................................................................... 14
Bảng 2.4 Thơng số bánh đai răng sau khi tính tốn ......................................................... 19
Bảng 2.5 Bảng thông số DH ........................................................................................... 25
Bảng 2.6 Thông số kỹ thuật của Arduino Uno [8] ........................................................... 32

viii


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

MỞ ĐẦU
• Lý do chọn đề tài
Hiện nay, ứng dụng các công nghệ kĩ thuật vào sản xuất ngày càng phổ biến, điển

hình là cơng nghệ xử lý ảnh. Công nghệ giúp nâng cao năng suất lao động và tối ưu hố
trong sản xuất. Vì vậy, nhóm tác giả chọn đề tài này để nghiên cứu chế tạo mơ hình phân
loại sản phẩm lỗi ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh.
• Mục đích của đồ án
Chế tạo thành công hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng cơng nghệ xử lý ảnh.
• Nội dung đồ án
-

Chương I : Tổng quan về đề tài
Chương II : Tính toán, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

-

Chương III: Vận hành và kiểm nghiệm
Chương IV: Kết luận

• Phương pháp nghiên cứu
-

Phân tích, tính tốn, thiết kế hệ thống cơ khí
Phân tích, tính tốn, thiết kế hệ thống điều khiển.
Ứng dụng phần mềm Soliworks trong thiết kế mơ hình 3D.
Chế tạo mơ hình và chạy thử nghiệm.

-

Đánh giá kết quả thực nghiệm.

• Kết quả đạt được
-

Nghiên cứu và chế tạo thành công hệ thống phân loại sản phẩm
Chế tạo cánh tay robot khí nén.
Ứng dụng phần mềm Matlab trong xử lý ảnh.

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 1


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

1.1 Tính cấp thiết, lý do chọn đề tài
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học – công nghệ thế giới, ngành công nghiệp
phải ngày càng nhanh chóng và chính xác để đáp ứng được xu thế hiện đại hố. Các
ngành cơng nghiệp sản xuất đóng gói, dược phẩm, linh kiện điện tử ... địi hỏi sự chính
xác trong kiểm tra đầu ra, và để thay thế con người trong việc kiểm tra thành phẩm với
tốc độ và sự chính xác cao, cơng nghệ xử lý ảnh ra đời.
Xử lý ảnh số ngày nay được áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực của cuộc sống: trong y
học: quan sát nội soi, hỗ trợ mổ xẻ, chẩn đoán bệnh tật ... Trong lĩnh vực vũ trụ, qn sự,
giám sát an tồn giao thơng ... Trong công nghiệp sản xuất nơi mà giác quan con người
chưa đủ độ nhạy để xử lý các thông tin quan sát như trong các dây chuyền sản xuất với
tốc độ nhanh và sự thay đổi đặc điểm của đối tượng quan sát trong khoảng thời gian ngắn
thì khả năng con người là không đáp ứng được.
Xu hướng trong quy trình kiểm định chất lượng cơng nghiệp là tự động hố q trình
kiểm tra chất lượng bằng hình ảnh để giảm bớt sức lao động chân tay, nâng cao năng suất

lao động, cho phép giảm giá thành và tối ưu hố đầu ra. Cụ thể, việc kiểm tra và đóng gói
các thành phẩm trong sản xuất cơng nghiệp với số lượng lớn sẽ gây khó khăn, mệt mỏi
cho cơng nhân. Do tốc độ sản xuất trong dây chuyền lớn và liên tục nên công nhân làm
việc một cách hiệu quả là điều không thể và nếu không sớm phát hiện lỗi chi tiết sản
phẩm của quá trình thì số lượng phế phẩm sau khi lắp ráp hoàn chỉnh sẽ nhiều, không đáp
ứng được yêu cầu sản xuất. Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh số là một trong các giải pháp
đáp ứng được những yêu cầu khắt khe đó và hiện nay đang được ứng dụng rộng rãi trong
công nghiệp để tối ưu hoá các giá trị sản xuất.
Xuất phát từ sự tìm hiểu và nhận thấy được tầm quan trọng của công nghệ xử lý ảnh
trong sự phát triển khoa học – công nghệ và sự áp dụng thực tiễn trong công nghiệp sản
xuất. Từ các quan sát và tìm hiểu thực tế kết hợp kiến thức đã học trên lớp và từ quá trình
thực hiện những đồ án mơn học trước, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Thiết
kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý
ảnh”
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 2


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

1.2 Mục tiêu của đề tài
Tìm hiểu, tính tốn, thiết kế, chế tạo mơ hình kiểm tra sản phẩm bánh răng trên dây
chuyền băng tải sử dụng hệ điều khiển Arduino và phần mềm xử lý ảnh Matlab.
Phương pháp xử lý ảnh bằng Matlab sẽ sử dụng camera để chụp hình ảnh và xử lý đặc
trưng thu được của hình ảnh sản phẩm bánh răng để kiểm tra, nếu sản phẩm đạt yêu cầu
sẽ dược đóng gói và vận chuyển, nếu nếu không đạt yêu cầu sẽ bị loại bỏ.
Chế tạo cánh tay Robot toạ độ trụ thực hiện nhiệm vụ gắp loại bỏ những sản phẩm có

lỗi ra khỏi dây chuyền băng tải.
Giao diện điều khiển sẽ được thiết kế trên giao diện GUI của Matlab để điều khiển hệ
thống và quản lý hình ảnh thu được qua camera.
1.3 Giới hạn đề tài
Theo thiết kế, hệ thống kiểm tra với một sản phẩm duy nhất là bánh răng, kích thước
bánh răng đồng bộ.
Các hình ảnh được hiển trị trên màn hình máy tính.
Tốc độ xử lý ảnh khơng được liên tục, sẽ có sai số.
Đây chỉ là khâu nhỏ trong dây chuyền lớn nên chỉ có tác dụng loại bỏ sản phẩm lỗi và
đếm đúng số lượng sản phẩm để đóng gói.
1.4 Nội dung đề tài
Đề tài thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống kiểm tra và đóng gói sản phẩm bánh răng
ứng dụng công nghệ xử lý ảnh. Hệ thống gồm một camera được đặt cố định hướng từ trên
xuống, song song với dây chuyền chạy liên tục để đảm bảo quan sát được bề mặt sản
phẩm. Sản phẩm được đưa vào dây chuyền , khi cảm biến nhận được thì camera thực hiện
quá trình thu và xử lý ảnh lần lượt. Sau giai đoạn xử lý ảnh, sản phẩm tiếp tục di chuyển
trên băng tải và khi đến các vị trí cố định được phát hiện bởi cảm biến, cánh tay Robot sẽ
loại bỏ những bánh răng có lỗi từ tín hiệu xử lý ảnh trước đó vào thùng. Cịn lại, sản
phẩm đạt yêu cầu sẽ di chuyển đến thùng chứa ở dây chuyển thứ hai, trước đó có cảm
biến đếm số lượng bánh răng vào thùng, khi đủ số lượng đóng gói thì thùng đó được vận
chuyển. Quy trình như vậy được lặp lại liên tục
Hình ảnh sẽ được camera chụp lại và xử lý được hiển thị trên màn hình.

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 3

Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Sơ đồ khối hệ thống:

Hình 1.1 Sơ đồ khối hệ thống phân loại

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 4


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Lưu đồ thuật toán của hệ thống:
Bắt đầu

Thu ảnh và
Xử lý ảnh

Sai
Bánh răng?
Đúng

Băng tải chính
dùng, cánh tay
robot gắp loại bỏ

Đếm sản phẩm đạt

yêu cầu

Đủ số lượng?

Đúng
Băng tải phụ hoạt
động, chuyển thùng
sản phẩm

Kết thúc

Hình 1.2 Lưu đồ thuật tốn hệ thống

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 5


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

1.5 Hướng giải quyết
Tìm hiểu các mơ hình băng tải kiểm tra, phân loại
Tìm hiểu về hoạt động của camera
Tìm hiểu ngơn ngữ lập trình Arduino IDE
Tìm hiểu phần mềm Matlab
Thiết kế cơ khí, mạch điện và xây dựng mơ hình thực tế
Thiết kế cánh tay Robot khí nén
Viết chương trình điều khiển cho Arduino và chương trình xử lý Matlab

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 6


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN, THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG

2.1 Nguyên lý hoạt động và lựa chọn phương án thiết kế
2.1.1 Nguyên lý hoạt động
Giống như các hệ thống phân loại sản phẩm tự động. Mơ hình phân loại sản phẩm lỗi
ứng dụng xử lý ảnh hoạt động theo sơ đồ khối sau:

Sản phẩm vào

Camera xử lý

Dữ liệu cài đặt

Điều khiển

Cánh tay Robot
phân loại

Hình 2.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động
Sản phẩm vào chưa được phân loại được hệ thống đưa vào bộ phận camera xử lý hình

ảnh. Bộ phận camera sẽ chụp ảnh và xác định chất lượng (đạt hay không đạt) của sản
phẩm. Dựa vào kết quả camera thu thập và cơ sở dữ liệu cài đặt, bộ phận điều khiển sẽ
phân loại sản phẩm có đạt u cầu hay khơng. Sau đó, bộ phận phân loại ( cánh tay
Robot) sẽ gắp sản phẩm đến vị trí thích hợp.
Một hệ thống phân loại có rất nhiều thơng số kích thước tối đa của sản phẩm, trọng
lượng tối đa, độ chính xác, khoảng số lượng sản phẩm có thể phân loại. Ở đây mơ hình hệ
thống được thiết kế, chế tạo thử nghiệm nên các thông số xử lý sản phẩm khá hạn chế.
2.1.2 Lựa chọn phương án thiết kế
Trong mơ hình hệ thống, bộ phận cảm biến đóng vai trị quan trọng, có nhiệm vụ phát
hiện sản phẩm để đưa ra các tín hiệu cần thiết từ đó bộ phận điều khiển đưa ra quyết định
xử lý ảnh và phân loại sản phẩm một cách chính xác. Để đáp ứng yêu cầu thiết kế chung,

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 7


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

bộ phận này phải phát hiện được sản phẩm một cách chính xác, vì vậy cảm biến vật cản
hồng ngoại (E3F-DS30C4) được sử dụng để thiết kế.
Hai phương án thiết kế được đưa ra như sau:
Phương án 1: Hệ thống sử dụng ba cảm biến vật cản hồng ngoại được lắp đặt trên
băng tải thứ nhất. Cảm biến thứ nhất được đặt vị trí đầu vào băng tải phát hiện vật để
camera xử lý ảnh. Cảm biến thứ hai, đặt vị trí ở giữa phát hiện vật cản (sản phẩm lỗi) cho
cánh tay Robot phân loại. Cảm biến thứ ba, đặt ở vị trí băng tải phụ để đếm số lượng sản
phẩm.
Ưu điểm: Phương án này có thể xử lý các tín hiệu một cách độc lập, không phức tạp.

Nhược điểm: Giá thành cao do sử dụng nhiều cảm biến.
Hệ thống tốn diện tích, khơng có tính thẩm mỹ.
Phương án 2: Hệ thống sử dụng hai cảm biến. Cảm biến thứ nhất được lắp ở giữa
băng tải, để phát hiện vật ( sản phẩm lỗi) cho cánh tay Robot phân loại. Cảm biến thứ hai
được đặt trên băng tải phụ để đếm số lượng sản phẩm.
Ưu điểm: Thiết kế khơng phức tạp, giá thành rẻ.
Việc lập trình cho hệ thống sẽ được tối ưu.
Nhược điểm: Với phương án này việc xử lý các tín hiệu cảm biến sẽ gặp khó khăn,
phức tạp hơn.
Do khả năng về kinh tế và sự tối ưu trong lập trình nên nhóm đồ án lựa chọn tính tốn
và thiết kế bộ phận cảm biến theo phương án 2.
2.2 THIẾT KẾ CƠ KHÍ
2.2.1 Hệ thống băng tải
2.2.1.1 Giới thiệu
Băng tải đai là dạng máy vận chuyển liên tục, vận chuyển cơ học nhờ có bộ phận
kéo. Nguyên tắc truyền động thực hiện do ma sát. Bộ phận kéo là bộ truyền ma sát giữa
các tang trống và băng đai.
Để thực hiện truyền động
• Tạo lực căng ban đầu
• Tác dụng momen xoắn lên tang dẫn
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 8


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

2.2.1.2 Các bộ phận chính của băng tải

Hình 2.2 Các thành phần của băng tải
a) Tấm đai băng tải
Là bộ phận mang tải chủ yếu của băng tải, thường xuyên chịu lực các phôi nguyên liệu
nên nhanh chóng bị hỏng, yêu cầu tấm băng phải có độ bền kéo và uốn, độ đàn hồi, có
khả năng chống mịn.

Hình 2.3 Bạt Hiflex (Nguồn : Internet)
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 9


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Với lí do kinh tế và nguồn vật liệu, tấm băng tải là các tấm poster, được làm bằng vật
liệu hiflex, là loại chất liệu nhựa (PVC), có màu trắng sữa, có thể chịu được nắng mưa, co
giãn tốt.
Các tấm băng có độ dày khác nhau nằm trong giới hạn từ 0,26mm - 0,52mm. Có khả
năng chịu lực tốt trong giới hạn cho phép.
b) Bộ phận dẫn động
Là bộ phận quan trọng của băng đai, tuỳ theo năng suất u cầu, vị trí lắp đặt và mơi
trường làm việc mà có kết cấu khác nhau. Bao gồm nguồn dẫn động ( thường là động cơ
điện), hộp giảm tốc truyền chuyển động quay cho tang dẫn động, để tăng khả năng kéo
cho tang dẫn động, dùng biện pháp tăng hệ số ma sát hoặc tăng góc ơm giữa băng đai và
tang dẫn.
Trong phần lớn trường hợp băng tải công suất nhỏ, loại kết cấu dẫn động với động cơ
liền hộp giảm tốc có kích thước nhỏ gọn, lắp đặt nhanh chóng có những ứng dụng rộng

rãi trong các băng chuyền nói chung và băng đai nói riêng.

Chú thích:
1 Động cơ điện
2 Hộp giảm tốc
3 Bộ truyền đai
4 Tang và băng đai

Hình 2.4 Sơ đồ kết cấu dẫn động băng tải
c) Bộ phận căng đai
Khi các băng đai hoạt động, chúng sẽ bị võng dưỡi tác dụng của khối lượng bản thân
và sản phẩm, độ võng lớn sẽ làm thiết bị kéo va chạm vào các chi tiết cố định, đồng thời
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 10


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

gây trượt thiết bị kéo. Đặc biệt là ở truyền động ma sát dùng băng đai, mô men truyền từ
cơ cấu dẫn động qua tang chủ động cho băng đai nhờ mô men ma sát. Lực ma sát cũng
như mô men ma sát này phụ thuộc vào lực ép của băng đai lên tang trống.
Sử dụng thiết bị căng đai nhằm tạo lực căng ban đầu cho tấm băng để có thể truyền
lực ma sát. Ngồi ra, sau thời gian làm việc băng bị dãn, độ võng lớn sẽ làm thiết bị kéo
va chạm vào các chi tiết cố định của máy, đồng thời gây trượt thiết bị kéo với tang dẫn
động nên cần thiết phải căng băng.
Có thể dùng các phương pháp căng cưỡng bức và căng tự động. Căng băng cưỡng
bức có thể dùng vít hoặc dùng tời cáp, ưu điểm có kết cấu đơn giản, chắn chắn, đảm bảo

tin cậy khi làm việc, ngược lại chúng khơng có khả năng duy trì lực căng cố định, làm
giảm tuổi thọ của thiết bị.

Hình 2.5 Một số kiểu căng đai phổ biến

d) Hệ thống con lăn và khung đỡ
Trên nhánh có tải tuỳ theo chiều rộng băng và trọng tải có thể lắp 1-5 con lăn. Trên
nhánh không tải lắp 1 hoặc 2 con lăn.
Bước đặt con lắn trên nhánh không tải thường gấp 2 lần so với nhánh có tải.
Hệ thống khung đỡ được lắp với khung băng bằng bu lơng hay hàn, có nhiệm vụ đỡ
băng đai, tránh cho băng đai không bị võng, giảm được lực cản di chuyển cho bộ phận
truyền động.
Ngoài ra còn phải kể đến các thiết bị nạp liệu, dỡ liệu, thiết bị làm sạch băng, thiết bị
định vị tâm cho băng...
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 11


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Hình 2.6 Hệ thống con lăn và khung đỡ ( Nguồn : Internet)

2.2.2 Thiết kế hệ dẫn động băng tải
Tính tốn động học:
Bảng 2.1 Thơng số ban đầu hệ dẫn động
STT

Thông số

Giá trị

1

Chiều dài băng tải 𝑙 𝑇

900mm

2

Trọng lượng tổng cộng của sản phẩm 𝑚𝑃

3kg

3

Khối lượng 1𝑚2 của băng đai

1kg/m2

4

Chiều dài băng đai 𝑙𝐵

1770mm

5

Chiều rộng băng đai B

125mm

6

Vận tốc của sản phẩm v

0,1m/s

7

Đường kính tang trống D

42mm

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 12


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Sơ đồ hệ dẫn động:

Động cơ và

Tang dẫn và

Bộ truyền đai

băng tải

Hộp giảm tốc
Hình 2.7 Sơ đồ hệ dẫn động
a)Tính tốn động cơ
Xác định lực kéo băng tải:
Lực kéo cần thiết được tính theo cơng thức [3, tr3]:
𝐹𝑈 =𝜇 𝑇 g(𝑚𝑃 +

𝑚𝐵
2

) (N)

Trong đó:
𝑚𝑃 : khối lượng của sản phẩm
𝜇 𝑇 : hệ số ma sát băng đai và tấm đỡ
Bảng 2.2 Bảng xác định hệ số ma sát giữa băng tải và giá đỡ [3]
0,A0,E0
T,U0,P

NOVO

U1,V1,VH

UH,V2H,U2H
VSH,V10H

𝜇𝑟 (table)

0.33

0.33

0.5

0.5

𝜇𝑅 (roller)

0.033

0.033

0.033

0.033

𝜇𝑆𝑇 (accumulated)

0.33

0.33

0.5

0.5

𝑚𝐵 : khối lượng của băng đai
Thay số:
𝜇 𝑇 = 0,5 ; 𝑚𝑃 = 3kg ; 𝑚𝐵 = 𝑙𝐵 .B.1 = 0,22kg ; g = 9,81m/𝑠 2
𝐹𝑈 = 0,5.9,81.(3 +

0,22
2

) = 15,25 (N)

Dựa vào lực kéo cần thiết như trên, ta có thể tính được đường kính nhỏ nhất của tang kéo
như sau (theo cơng thức [3, tr13])
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 13


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

𝑑𝐴 =

𝐹𝑈 . 𝑐3 . 180
(mm)
𝑏0 . 𝛽

Trong đó: 𝐹𝑈 : lực kéo cần thiết
𝑏0 : chiều rộng băng tải.

𝛽: góc ơm của belt và tang trống.
𝑐3 : hệ số được chọn từ bảng
Bảng 2.3 Bảng chọn hệ số 𝑐3 [3]
Siegling Tránilon

V3,VS,U2

Underside coating

A5,E3

Smooth steel drum
dry

25

30

40

wet
Lagged drum

50

Not

Not

dry

25

25

30

wet

30

40

40

V1,U1,UH

0,U0,NOVO
T,P

Thay số ta được:
𝑑𝐴 =

𝐹𝑈 . 𝑐3 . 180 15,25.25.180
=
≈ 4 (mm)
𝑏0 . 𝛽
125.180

Chọn đường kính bánh dẫn:

𝑑𝐴 = 42(mm)
Xác định cơng suất u cầu của trục động cơ
Tính cơng suất trên trục máy công tác:
𝑃𝐴 =

𝐹𝑈 . 𝑣 15,25.0,1
=
= 1,525.10−3 (kW)
1000
1000

Xác định hiệu suất hệ thống:
𝜂𝑐 = П𝜂𝑖𝑘

SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 14


Tên đề tài: Thiết kế và chế tạo mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm lỗi ứng dụng công nghệ xử lý ảnh

Trong đó: 𝜂𝑖 là hiệu suất của chi tiết thứ i (cặp ổ lăn hoặc khớp nối) hoặc bộ truyền thứ i
(xích, bánh răng, trục vít, đai, vít) trong hệ thống
k là số chi tiết hay bộ truyền trong hệ dẫn động.
Theo sơ đồ hệ dẫn động ta có hiệu suất tồn bộ hệ thống như sau:
2
𝜂𝑐 = П𝜂𝑖𝑘 = 𝜂𝑜𝑙
𝜂𝑑

Trong đó: 𝜂𝑜𝑙 = 0,99 :hiệu suất của 1 cặp ổ lăn
𝜂𝑑 = 0,95: hiệu suất của bộ truyền đai
2
Ta có: 𝜂𝑐 = П𝜂𝑖𝑘 = 𝜂𝑜𝑙
𝜂𝑑 = 0,992 . 0,95. = 0,93

Công suất yêu cầu của trục động cơ :
𝑃𝑀 =

𝑃𝐴
𝜂𝑐

=

1,525.10−3
0,93

= 1,64. 10−3 (kW)

Xác định vận tốc quay của động cơ điện
Vận tốc quay sơ bộ của động cơ: 𝑛𝑠𝑏 = 𝑛𝑙𝑣 . 𝑢𝑠𝑏
Trong đó:
𝑛𝑠𝑏 : là vận tốc quay sơ bộ cửa động cơ
𝑛𝑙𝑣 : là vận tốc quay của trục máy công tác
𝑢𝑠𝑏 : là tỉ số truyền sơ bộ của hệ thống
Xác đinh vân tốc quay của trục máy công tác
𝑛𝑙𝑣 =

𝑣. 60.1000 0,1.60.1000

=
= 46 𝑣ò𝑛𝑔/𝑝ℎú𝑡
𝜋. 𝐷
3,14.42

Với 𝑣: vận tốc của băng tải (m/s 2 )
D: đường kính tang trống (mm)
Xác định sơ bộ tỉ số truyền của hệ thống
𝑢𝑠𝑏 = П𝑢𝑠𝑏𝑖
Trong đó 𝑢𝑠𝑏𝑖 : là tỉ số truyền sơ bộ của bộ truyền thứ i trong hệ thống ( đai hoặc xích;
bánh răng hoặc trục vít bánh vít)
Cụ thể: 𝑢𝑠𝑏 = П𝑢𝑠𝑏𝑖 = 𝑢𝑠𝑏(𝑑/𝑥) . 𝑢𝑠𝑏(𝑏𝑟/𝑡𝑣)
SVTH: Đồn Ngọc Hốn - Nguyễn Chí Thành

GVHD: TS. Võ Như Thành

Trang 15