TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
-------------------------------------------

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
THEO MÀU SẮC

Giáo viên hướng dẫn: TS. Nguyễn Xuân Thuận
Nhóm sinh viên thực hiện:
Phạm Văn Tùng

1141020173

Ngô Thế Tùng

1141020145

Nguyễn Lộc Tưởng

1141020209

Hà nội - Năm 2020


MỤC LỤC
NHẬN XÉT CỦA GIẢNG VIÊN .................................................................... 8
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 9
CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................... 11


Những vấn đề cơ bản trong xử lý ảnh .......................................... 15

2.2.2

Hệ tọa độ màu. ............................................................................. 16

2.2.3

Các bước xử lý ảnh....................................................................... 18

2.3

Hệ thống điện và điều khiển ............................................................... 19

2.3.1

Bộ điều khiển PLC ....................................................................... 19

2.3.2

Rơ le trung gian ............................................................................ 25

2.3.3

Van điện từ khí nén ...................................................................... 27

2.3.4

Van điện từ SMC.......................................................................... 27

Băng tải......................................................................................... 32

2.4.2

Động cơ DC.................................................................................. 32

2.4.3

Van hút chân không...................................................................... 34

2.4.4

Xy lanh khí nén ............................................................................ 34

2.4.5

Xy lanh xoay khí nén ................................................................... 35

2.4.6

Van tiết lưu ................................................................................... 36

2.4.7

Giác hút chân không..................................................................... 37

2.5

Các khối nguồn ................................................................................... 37



3.2.1

Băng tải......................................................................................... 52

3.2.2

Tính toán và lựa chọn xy lanh ...................................................... 56

3.2.3

Một số chi tiết và module khác .................................................... 58

3.3

Tính toán và lựa chọn nguồn .............................................................. 60

3.4

Các bản vẽ thiết kế hệ thống............................................................... 61

3.4.1

Sơ đồ hệ thống khí nén ................................................................. 61
2


3.4.2
3.5



4.3

Chế tạo hệ thống điện và điều khiển .................................................. 70

4.3.1

Chế tạo hệ thống khí nén .............................................................. 70

4.3.2

Chế tạo hệ thống điện ................................................................... 70

CHƯƠNG 5

ĐÁNH GIÁ VÀ NHẬN XÉT ................................................ 71

5.1

Kết quả đạt được ................................................................................. 71

5.2

Hạn chế ............................................................................................... 71

5.3

Hướng phát triển đề tài ....................................................................... 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 72

OPC

OLE for Process Control (OLE: Object Linking and Embedding)

GUI

Graphical User Interface

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1.1 Hệ thống phân loại hàng tự động ..................................................... 11
Hình 1.2 Hệ thống phân loại ........................................................................... 14
Hình 2.1 Mô hình màu RGB ........................................................................... 17
Hình 2.2 Mô hình màu HSV ........................................................................... 18
Hình 2.3 Không gian màu CMYK .................................................................. 18
Hình 2.4 Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC........................................ 21
Hình 2.5 Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224 ........................................ 23
Hình 2.6 Bộ điều khiển lập trình CPU 224 ..................................................... 25
Hình 2.7 Rơ le trung gian ................................................................................ 26
Hình 2.8 Sơ đồ nguyên lý................................................................................ 26
Hình 2.9 Van khí nén 3/2 ................................................................................ 27
Hình 2.10 Van điện từ SMC 5/2 ..................................................................... 27
Hình 2.11 Cảm biến từ xy lanh Sensor SMC .................................................. 28
Hình 2.12 Cảm biến quang E3F-DS30C4....................................................... 29
Hình 2.13 Nút nhấn nhả LA38-203 ................................................................ 30
Hình 2.14 Aptomat 230/400V ......................................................................... 30
Hình 2.15 Tủ điện sơn tĩnh điện...................................................................... 31
Hình 2.16 Webcam Dahua Z2+ ...................................................................... 31

Hình 3.16 Thêm các item đến file lập trình PLC ............................................ 51
Hình 3.17 Thực hiện Test Client ..................................................................... 52
6


Hình 3.18 Động cơ mã JM37-550 Handson Technology ............................... 55
Hình 3.19 Sơ đồ tác động lực của xy lanh khí nén tác động kép.................... 56
Hình 3.20 Xy lanh khí nén SMC CDQSB16 - 125DCM................................ 57
Hình 3.21 Sơ đồ hệ thống khí nén................................................................... 61
Hình 3.22 Sơ đồ đấu nối điện.......................................................................... 62
Hình 4.1 Mô hình thiết kế băng tải ................................................................. 64
Hình 4.2 Mô hình thiết kế cấp phôi băng tải................................................... 64
Hình 4.3 Mô hình tay hút phân loại sản phẩm ................................................ 65
Hình 4.4 Mô hình thiết kế phân loại sản phẩm theo màu sắc ......................... 65
Hình 4.5 Hình ảnh hệ thống băng tải thực tế .................................................. 66
Hình 4.6 Hình ảnh hệ thống cấp phôi thực tế ................................................. 67
Hình 4.7 Lắp đặt camera trong thực tế............................................................ 67
Hình 4.8 Hình ảnh hệ thống tay hút phân loại thực tế .................................... 68
Hình 4.9 Hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm thực tế ................................ 69
Hình 4.10 Hệ thống khí nén thực tế ............................................................... 70
Hình 4.11 Hệ thống điện thực tế ..................................................................... 70

7


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Bảng dữ liệu về CPU họ 224 và 224XP .......................................... 24
Bảng 2.2 Thông số của cảm biến tiệm cận kiểu quang .................................. 29
Bảng 3.1 Bảng thông số động cơ .................................................................... 55
Bảng 3.2 Thông số chi tiết của Ru lô băng tải ................................................ 59

9


MỞ ĐẦU
Nhóm em xin chân thành cảm ơn đến các thầy, cô trong bộ môn Cơ
Điện Tử của Trường Đại học Công Nghiệp Hà Nội đã giúp đỡ tạo điều kiện
thuận lợi và cung cấp tài liệu để hoàn thành đề tài tốt nghiệp này.
Đồng thời, nhóm em muốn gửi lời cảm ơn sâu sắc đến giảng viên
hướng dẫn là thầy Nguyễn Xuân Thuận, thầy đã tận tình hướng dẫn, tạo điều
kiện thuận lợi nhất và giúp đỡ nhóm trong suốt quá trình thực hiện luận văn
tốt nghiệp.
Nhóm xin gửi lời cảm ơn đến bạn bè đã hỗ trợ và chia sẽ kinh nghiệm
cho nhóm trong thời gian qua.
Mặc dù rất cố gắng nhưng với khả năng, thời gian có hạn và kinh
nghiệm thực tiễn chưa nhiều nên nhóm không thể tránh khỏi những thiếu sót
nhất định. Nhóm em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến bổ sung của các
thầy, cô để luận văn được hoàn thiện hơn. Vậy nên, nhóm em mong được sự
góp ý và chỉ dẫn nhiều hơn của thầy cô.
Cuối cùng nhóm em xin chúc thầy cô và cùng toàn thể các bạn trong
lớp nhiều sức khỏe và thành công trong mọi công việc.
Xin chân thành cảm ơn!
Nhóm sinh viên thực hiện :
Phạm Văn Tùng
Ngô Thế Tùng
Nguyễn Lộc Tưởng

10


CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

kỹ thuật của các chi tiết sao cho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ,
gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng lắp đặt và sửa chữa.
- Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động.
- Vấn đề an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm
không bị lỗi, hỏng.
1.3 Phương pháp nghiên cứu
Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu
sắc” , đã được nhiều sinh viên của các trường nghiên cứu và thực hiện. Đồng
thời cũng đã có nhiều sinh viên thiết kế những mô hình đơn giản. Mô hình
này cũng đã được thiết kế và đưa vào sử dụng trong một số nhà máy và là một
sản phẩm cơ điện tử điển hình, nên trong quá trình làm đồ án, nhóm đã áp
dụng phương pháp nghiên cứu sau:
 Phương pháp tuần tự và đồng thời
Kết hợp giữa việc thiết kế tuần tự và đồng thời: việc đầu tiên là nghiên
cứu mô hình cụ thể sau đó xây dựng mô hình chứa đầy đủ những dự định sẽ
có trong thiết kế qua đó có cái nhìn tổng quan về hệ thống chung và xác định
thông số cơ bản. Từ đó, áp dụng để thiết kế trong giới hạn của đề tài.
 Phương pháp thực nghiệm
Mô hình hóa phần cơ, mô phỏng hóa phần điện, tối ưu hóa thiết kế
trước khi chế tạo hoàn thiện.
Chế tạo mẫu các chi tiết chưa đảm bảo hoạt động như yêu cầu, hoặc
chưa có trên thị trường. Sau đó chế tạo thật mô hình. Cho chạy thử hết công
suất, sau khi đã chạy hết các chức năng cũng như công suất của hệ thống để
12


rút ra giới hạn của hệ thống từ đó cho ra phương án cải tiến hay để thay thế.
Từ đó rút ra các đánh giá về hệ thống (công suất làm việc của hệ thống, vận
tốc của băng tải, mức độ chịu lực, giới hạn các chỉ số cơ khí và điện năng,
năng suất của hệ thống...).

Hình 1.2 Hệ thống phân loại
2.2 Nguyên lý làm việc và quy trình công nghệ của hệ thống
Khi nhấn nút start, xy lanh cấp phôi đẩy phôi vào băng tải đồng thời
băng tải chạy. Khi phôi chạy qua camera, camera có nhiệm vụ thu nhận hình
ảnh và đưa về hệ thống xử lý ảnh để xử lý. Sau khi nhận biết vật xong nếu:
1. Phôi màu vàng , tím và xanh lá: Sau khi nhận biết xong ,băng tải
tiếp tục chạy đến khi phôi tới vị trí tay gắp (nhận biết bằng cảm
14


biến). Tay gắp sẽ gắp các phôi vào trong khay phân loại tương
ứng 1, 2, 3.
2. Phôi màu đỏ: Sau khi nhận biết xong, băng tải tiếp tục chạy đến
khi phôi rơi vào khay phân loại phía cuối băng tải. Việc xác nhận
phôi đã vào khay được nhận biết bởi cảm biến.
3. Sau khi phôi đã vào khay, xy lanh cấp phôi tiếp tục đẩy phôi mới
vào băng tải. Chu trình mới được thực hiện.
Hệ thống phân loại sản phẩm gồm có:
- Hệ thống xử lý ảnh.
- Hệ thống điện và điều khiển.
- Cơ cấu chấp hành.
- Các khối nguồn.
2.3 Hệ thống xử lý ảnh
Xử lý ảnh là một lĩnh vực mang tính khoa học và công nghệ. Nó là một
ngành khoa học mới mẻ so với nhiều ngành khoa học khác nhưng tốc độ phát
triển của nó rất nhanh, kích thích các trung tâm nghiên cứu, ứng dụng, đặc
biệt là máy tính chuyên dụng riêng cho nó.
Xử lý ảnh được đưa vào giảng dạy ở bậc đại học ở nước ta khoảng chục
năm nay. Nó là môn học liên quan đến nhiều lĩnh vực và cần nhiều kiến thức
cơ sở khác. Sau đây là một vài kiến thức cơ bản về xử lý ảnh:

- Ảnh nhị phân: Giá trị xám của tất cả các điểm ảnh chỉ nhận giá trị 1
hoặc 0. Như vậy mỗi điểm ảnh trong ảnh nhị phân được biểu diễn bởi 1
bit.
- Ảnh xám: Giá trị xám nằm trong khoảng 0…255. Như vậy mỗi điểm
ảnh trong ảnh xám được biểu diễn bởi 1 byte .
- Ảnh màu: Là ảnh tổ hợp từ 3 màu cơ bản đỏ (R), lục (G), lơ (B) và
thường thu nhận trên các giải băng tần khác nhau. Để biểu diễn cho ảnh
màu cần 24 bit, 24 bit này được chia làm ba khoảng 8 bit, mỗi khoảng
này biểu diễn cho cường độ sáng của một trong các màu chính.
2.3.2 Hệ tọa độ màu.
 Mô hình màu RGB (Red, Green, Bule)
RGB là không gian màu phổ biến dùng trong máy tính, máy ảnh, điện
thoại và nhiều thiết bị kĩ thuật số khác. Không gian màu này khá gần với cách
mắt người tổng hợp màu sắc. Nguyên lý cơ bản là sử dụng 3 màu sắc cơ bản
16


R (red - đỏ), G (green - xanh lục) và B (blue - xanh lam) để biểu diễn tất cả
các màu sắc.
Mỗi kênh màu sẽ sử dụng 8 bit để biểu diễn, tức là giá trị R, G, B nằm
trong khoảng 0 - 255. Bộ 3 số này biểu diễn cho từng điểm ảnh, mỗi số biểu
diễn cho cường độ của một màu.
Với mô hình biểu diễn 24 bit, số lượng màu tối đa sẽ là:
255×255×255=16581375

Hình 2.1 Mô hình màu RGB
 Mô hình màu HSV (Hue, Saturation, Value)
Thay vì chọn phần tử RGB để có màu mong muốn, người ta chọn các
tham số màu: Hue, Saturation và Value. Mô hình không gian màu HSV có thể
suy diễn từ mô hình RGB.

18


Thu nhận ảnh: ảnh có thể nhận được qua camera màu hoặc đen trắng.
Chất lượng một ảnh thu nhận được phụ thuộc vào thiết bị thu, môi trường.
Phân tích và vận dụng các kỹ thuật trên hình ảnh:
- Tiền xử lý: sau bộ phận thu nhận ảnh,ảnh có thể bị nhiễu hoặc độ
tương phản thấp nên cần đưa vào bộ tiền xử lý để nâng cao chất
lượng ảnh . Chức năng: lọc nhiễu, tăng hoặc giảm độ tương phản.
- Phân đoạn ảnh : là tách ảnh đầu vào thành các vùng để biểu diễn ,
phân tích và nhận dạng ảnh.
- Biểu diễn ảnh : các vật thể sau khi được phân đoạn có thể được
mô tả dưới dạng chuỗi các điểm và biểu diễn ảnh thường được sử
dụng khi ta quan tâm đến đặc tính bên trong của vùng ảnh .
- Nhận dạng và nội suy : là quá trình phân loại vật thể dựa trên cơ
sở các chi tiết mô tả vật thể và nhận dạng ảnh là quá trình xác
định ảnh và quá trình này thu được băng cách so sánh với mẫu đã
được lưu trữ từ trước.
Đầu ra là kết quả ảnh có thể được thay đổi hoặc các báo cáo được dựa
trên phân tích hình ảnh đầu vào.
2.4 Hệ thống điện và điều khiển
2.4.1 Bộ điều khiển PLC
a) Giới thiệu chung về PLC
Programable Logic Controller (viết tắt là PLC) là thiết bị điều khiển
logic khả trình, cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều khiển logic
thông qua một ngôn ngữ lập trình, bộ điều khiển thoả mãn các yêu cầu:
- Do ngôn ngữ lập trình dễ học nên dễ dàng lập trình.
- Gọn nhẹ, dễ dàng bảo trì.
- Có thể chứa được những chương trình phức tạp, dung lượng bộ
nhớ lớn.

tính, kết nối mạng Internet, các Modul mở rộng.
- Độ tin cậy cao, kích thước nhỏ.

20


Vì những đặc điểm nổi bật trên mà PLC được sử dụng rộng rãi trong
ngành công nghiệp, đặc biệt là trong lĩnh vực tự động hóa quá trình sản xuất.
Có thể ví như “vi điều khiển” trong môi trường công nghiệp là PLC.
Sơ đồ cấu trúc của PLC có phần giống và dựa trên nền tảng của vi điều
khiển.

Hình 2.4 Nguyên lý chung về cấu trúc của bộ PLC
Trạng thái tín hiệu vào được nhận biết và chứa trong bộ nhớ. PLC thực
hiện các lệnh logic được lập trình để xử lý các tín hiệu vào máy và tạo ra các
tín hiệu ra để điều khiển các thiết bị . PLC hoạt động như một máy tính độc
lập với khả năng tính toán, lưu trữ cao.
b) Bộ điều khiển lập trình PLC S7-200
 Khối xử lý trung tâm:
PLC S7-200 là thiết bị điều khiển lập trình loại nhỏ của hãng Siemens,
có cấu trúc theo kiểu modun và có các modun mở rộng. Thành phần cơ bản
của S7-200 là khối xử lý trung tâm (CPU: Central Processing Unit) bao gồm
hai loại: CPU 21x và CPU 22x. Mỗi chủng loại có nhiều CPU. Loại CPU 22x
ngày nay không còn sản xuất, tuy nhiên hiện vẫn còn sử dụng rất nhiều trong
các trường học và trong sản xuất.
21


Tiêu biểu cho loại CPU 22x là CPU 224, CPU 224 có các đặc tính:
- Bộ nhớ chương trình (chứa trong EEPROM): 4096 Byte.

- Cho phép người kĩ sư dễ dàng chỉnh sửa, tinh chỉnh chương trình
do thuật ngữ lập trình đơn giản.
Sơ đồ bề mặt của bộ điều khiển logic khả trình S7-200 CPU 224 được
cho như hình:

Hình 2.5 Bộ điều khiển lập trình S7-200 CPU 224
 Mô tả các đèn báo trên CPU 224:
- SF (Đèn đỏ): Đèn đỏ SF báo hiệu hệ thống dính lỗi. Đèn SF sáng
lên khi PLC có lỗi.
- RUN (Đèn xanh): Cho biết PLC đang ở chế độ làm việc và thực
hiện chương trình được nạp vào trong bộ nhớ chương trình của
PLC.
- STOP (Đèn vàng): Đèn vàng STOP chỉ định PLC đang ở chế độ
dừng. Dừng chương trình đang thực hiện lại.
- I x.x (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng vào chỉ định trạng thái tức
thời của cổng ( x.x = 0.0 - 1.5). Đèn này báo hiệu trạng thái của
tín hiệu theo giá trị logic của cổng.
- Qy.y (Đèn xanh): Đèn xanh ở cổng ra chỉ định trạng thái tức thời
của cổng ( y.y = 0.0 - 1.1). Đèn này báo hiệu trạng thái của tín
hiệu theo giá trị logic của cổng.
23


Ngày nay, CPU 22x với nhiều tính năng vượt trội đã thay thế loại CPU
21x và hiện đang được sử dụng rất nhiều. Tiêu biểu cho loại này là CPU 224
và CPU 224 XP. Trong thiết kế nhóm chọn loại CPU 224 AC/DC/RELAY.
Bảng 2.1 Bảng dữ liệu về CPU họ 224 và 224XP
Đặc điểm

CPU 224

0,37 µs

Memory bits/counters/timers

256/256/256

256/256/256

High - speed counters

6 x 30 kHz

Real - time clock

Tích hợp

Tích hợp

Ngõ ra xung

2 x 20 kHz

2 x 100 kHz

Cổng giao tiếp

1 x RS - 485

2 x RS - 485