Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh cuộc Cách mạng Công nghiệp lần thứ tư đang diễn ra mạnh mẽ, ngành sản xuất linh kiện điện tử tại Việt Nam chứng kiến sự bứt phá với các dự án đầu tư quy mô lớn, điển hình như tổ hợp Công ty TNHH Samsung Display Việt Nam tại Khu công nghiệp Yên Phong với tổng vốn đầu tư lên đến 6,5 tỷ USD. Trong dây chuyền sản xuất màn hình điện thoại thông minh, công đoạn gắp phôi và sắp xếp linh kiện từ băng chuyền vào khay chứa đòi hỏi độ chính xác cơ khí cực cao cùng tốc độ xử lý liên tục. Tuy nhiên, phương pháp sử dụng đồ gá cơ khí truyền thống bộc lộ nhiều hạn chế về tính linh hoạt, dễ gây trầy xước bề mặt kính và tạo ra sai số tích lũy khi vị trí phôi trên băng tải bị xô lệch ngẫu nhiên.

Nhằm giải quyết triệt để bài toán này, luận văn thạc sĩ chuyên ngành Kỹ thuật Cơ điện tử năm 2021 đã tập trung nghiên cứu giải pháp tích hợp công nghệ thị giác máy tính Cognex với cánh tay robot công nghiệp 6 bậc tự do ABB IRB 1200 và bộ điều khiển lập trình PLC Mitsubishi dòng Q. Mục tiêu then chốt của đề tài là xây dựng hệ thống tự động hóa linh hoạt có khả năng tự động nhận dạng, tính toán độ lệch tọa độ trong không gian 2D và điều khiển gắp thả chính xác 100% sản phẩm vào ma trận 9 vị trí trên mỗi khay chứa, hỗ trợ xếp chồng tự động 4 tầng khay liên tục. Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm trong giai đoạn 2020 - 2021 dưới sự tài trợ của đề tài khoa học công nghệ cấp Đại học Quốc gia Hà Nội mã số QG.80, mang lại giá trị thực tiễn to lớn trong việc nâng cao tỷ lệ tự động hóa, cắt giảm tối đa chi phí nhân công và tối ưu hóa năng suất cho các nhà máy công nghệ cao.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Hệ thống vận hành dựa trên sự giao thoa của ba trụ cột lý thuyết cơ bản: lý thuyết xử lý ảnh công nghiệp, động học robot nhiều bậc tự do và mạng truyền thông trường phân tán.

Về thị giác máy tính, nghiên cứu ứng dụng nguyên lý thu nhận ảnh số thông qua cảm biến CMOS độ nhạy cao kết hợp các kỹ thuật chiếu sáng chuyên dụng như chiếu sáng trực tiếp, chiếu sáng gián tiếp và chiếu sáng ngược nhằm tối ưu hóa độ tương phản quang học. Thuật toán hiệu chuẩn tọa độ CogCalibCheckerboardTool sử dụng lưới chuẩn 5mm x 5mm để xác định tỷ lệ chuyển đổi giữa đơn vị pixel và milimet thực tế, đồng thời loại bỏ hiện tượng méo quang học do tiêu cự ống kính.

Về động học tay máy, mô hình không gian làm việc của robot 6 trục ABB IRB 1200 được thiết lập để chuyển đổi ma trận tọa độ bù trừ sai số từ hệ quy chiếu camera sang hệ tọa độ cơ sở của robot.

Về điều khiển và truyền thông, mô hình phân tầng tự động hóa tích hợp mạng CC-Link với tốc độ truyền dẫn 10 Mbps và giao thức Ethernet/IP, đảm bảo tính tiền định trong việc truyền dữ liệu bit và thanh ghi dữ liệu thời gian thực giữa PLC trạm chủ và các trạm chấp hành.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu kết hợp chặt chẽ giữa mô hình hóa toán học và phương pháp thực nghiệm định lượng trên hệ thống phần cứng thực tế.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ hơn 100 chu kỳ gắp thả liên tục với các mẫu màn hình điện thoại chuẩn trên băng chuyền công nghiệp. Phương pháp lấy mẫu ngẫu nhiên phân tầng được áp dụng để khảo sát độ chính xác của hệ thống dưới nhiều điều kiện vận hành khác nhau, bao gồm sự thay đổi góc xoay từ âm 45 độ đến dương 45 độ, độ lệch vị trí ngẫu nhiên trên bề mặt băng tải và các mức cường độ ánh sáng môi trường dao động từ 200 lux đến 800 lux.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích thực nghiệm định lượng kết hợp đo đạc sai số trực tiếp là nhằm đánh giá chính xác độ trễ điều khiển, thời gian xử lý chu trình và sai số bù tọa độ trong điều kiện công nghiệp thực tế. Quá trình thu thập và xử lý số liệu được tiến hành liên tục trong 6 tháng tại phòng thí nghiệm Cơ điện tử và dây chuyền thử nghiệm.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Quá trình thử nghiệm và đánh giá hệ thống đã ghi nhận bốn phát hiện kỹ thuật nổi bật:

Thứ nhất, việc tích hợp camera công nghiệp Cognex CAM-CIC-1300-60-G với độ phân giải 1,3 Mpixel và tốc độ ghi hình 60 hình/giây giúp thời gian chụp và xử lý thuật toán bóc tách tọa độ đạt mức trung bình dưới 45ms mỗi sản phẩm, đảm bảo nhận dạng chính xác ngay cả khi phôi di chuyển trên băng tải.

Thứ hai, cấu hình phần cứng điều khiển trung tâm với CPU Mitsubishi Q06UDVCPU đạt tốc độ xử lý lệnh cực nhanh 1,9ns, kết hợp module điều khiển chuyển động QD77MS4 cho thời gian khởi động phát xung vị trí chỉ 0,88ms, giúp động cơ servo HG-KR43B công suất 400W vận hành mượt mà ở tốc độ định mức 3000 vòng/phút.

Thứ ba, cánh tay robot ABB IRB 1200 phiên bản tải trọng 7kg và tầm với 700mm đạt độ lặp lại vị trí chính xác với sai số căn chỉnh offset nhỏ hơn 0,1mm, góc xoay trục 6 đạt biên độ rộng lên đến 800 độ giúp linh hoạt xử lý mọi hướng xoay của sản phẩm.

Thứ tư, chu trình cấp nạp khay tự động đã quản lý hoàn hảo chuỗi 4 tầng khay chứa, mỗi khay chứa đúng 9 màn hình, nâng cao hiệu suất đóng gói lên khoảng 35% so với phương pháp thủ công và giảm tỷ lệ sản phẩm lỗi do va đập xuống mức 0%.

Thảo luận kết quả

Các dữ liệu thực nghiệm có thể được tổng hợp trực quan thông qua biểu đồ phân bố sai số tọa độ X, Y và bảng so sánh thời gian đáp ứng giữa các giao thức truyền thông. Sự đồng bộ vượt trội của hệ thống xuất phát từ việc cấu hình trạm truyền thông thông minh CC-Link DSQC378B và card chuyên dụng CC24 cung cấp 24 cổng I/O cách ly quang học, triệt tiêu hoàn toàn nhiễu công nghiệp và độ trễ gói tin.

Khi so sánh với các hệ thống phân loại truyền thống chỉ sử dụng cảm biến quang điểm, việc kết hợp công nghệ Vision giúp thiết bị loại bỏ hoàn toàn nhu cầu về đồ gá cơ khí phức tạp, giảm 50% thời gian chuyển đổi mã hàng khi đổi dòng sản phẩm. Hệ thống đáp ứng trọn vẹn các tiêu chuẩn an toàn máy móc quốc tế EN ISO 12100:2010 và EN ISO 13849-1:2015, khẳng định tính khả thi cao khi ứng dụng vào dây chuyền sản xuất màn hình điện thoại quy mô lớn.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nhân rộng và tối ưu hóa hơn nữa hiệu quả của hệ thống trong thực tế sản xuất, luận văn đưa ra bốn đề xuất hành động cụ thể:

Thứ nhất, nâng cấp thuật toán xử lý ảnh sang nền tảng trí tuệ nhân tạo Deep Learning để nhận diện các dạng khuyết tật bề mặt vi mô với độ chính xác mục tiêu trên 99,5%, thực hiện trong lộ trình 6 tháng bởi đội ngũ kỹ sư phát triển phần mềm thị giác.

Thứ hai, mở rộng quy mô mạng truyền thông sang chuẩn CC-Link IE TSN với băng thông Gigabit 1 Gbps nhằm kết nối đồng bộ hơn 64 trạm robot và máy kiểm tra tự động trên toàn dây chuyền, do phòng Kỹ thuật Tự động hóa đảm nhiệm trong vòng 12 tháng.

Thứ ba, tối ưu hóa quỹ đạo động học của cánh tay robot ABB bằng phần mềm RobotStudio nhằm rút ngắn 15% thời gian chu kỳ cho mỗi lượt gắp 9 sản phẩm, triển khai trong thời gian 3 tháng bởi nhóm chuyên gia lập trình robot.

Thứ tư, thiết lập quy trình bảo dưỡng dự đoán và chuẩn hóa chu kỳ kiểm định tự động cho camera cùng cảm biến quang học Leuze FT5iX3/2N sau mỗi 500 giờ vận hành liên tục, duy trì dung sai hệ thống luôn dưới ngưỡng 0,05mm do bộ phận Bảo trì cơ điện nhà máy chịu trách nhiệm thực thi.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Luận văn mang lại giá trị tham khảo chuyên sâu và thiết thực cho bốn nhóm đối tượng chính:

Thứ nhất, kỹ sư Cơ điện tử và Tự động hóa: Tiếp cận tài liệu hướng dẫn chi tiết về cấu hình phần cứng CPU Mitsubishi tốc độ 1,9ns, thiết lập module truyền thông CC-Link và lập trình điều khiển chuyển động đa trục cho các dự án tích hợp công nghiệp.

Thứ hai, giám đốc kỹ thuật và quản lý vận hành nhà máy sản xuất linh kiện điện tử: Có thêm cơ sở kỹ thuật và dữ liệu định lượng để xây dựng phương án đầu tư dây chuyền gắp thả tự động, giúp tối ưu hóa chi phí sản xuất và nâng cao năng lực cạnh tranh trong kỷ nguyên công nghiệp 4.0.

Thứ ba, học viên cao học và nghiên cứu sinh ngành Kỹ thuật Điều khiển - Tự động hóa: Tham khảo phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, kỹ thuật hiệu chuẩn camera ô cờ 5mm x 5mm và giải pháp phối hợp điều khiển robot 6 bậc tự do.

Thứ tư, các doanh nghiệp tích hợp hệ thống: Ứng dụng trực tiếp quy trình liên kết phần mềm Cognex Designer với hệ sinh thái robot ABB và biến tần Mitsubishi vào các bài toán tự động hóa đóng gói và phân loại sản phẩm.

Câu hỏi thường gặp

Công nghệ Vision đóng vai trò then chốt nào trong hệ thống gắp thả tự động? Camera Cognex CAM-CIC-1300-60-G với độ phân giải 1,3 Mpixel và tốc độ 60 hình/giây thu nhận hình ảnh sản phẩm trên băng tải, trích xuất chính xác tọa độ lệch X, Y và góc xoay thông qua công cụ CogCalibCheckerboardTool. Dữ liệu này được truyền đến robot trong thời gian dưới 50ms, cho phép gắp chính xác phôi nằm ở các vị trí ngẫu nhiên mà không cần đồ gá cố định.

Tại sao nghiên cứu lựa chọn robot ABB IRB 1200 và bộ điều khiển IRC5C Compact? Robot ABB IRB 1200 sở hữu 6 trục chuyển động linh hoạt với tải trọng 7kg, tầm với 700mm và góc xoay trục 6 đạt 800 độ, rất thích hợp cho không gian làm việc nhỏ gọn. Bộ điều khiển IRC5C Compact với trọng lượng chỉ 28,5kg kết hợp phần mềm RobotWare giúp tối ưu hóa không gian lắp đặt và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn quốc tế ISO 10218.

Module CC-Link QJ61BT11 đóng góp gì vào việc đồng bộ dữ liệu hệ thống? Module QJ61BT11 trên PLC Mitsubishi hỗ trợ tốc độ truyền thông 10 Mbps ở khoảng cách 100m, quản lý tối đa 8192 điểm tín hiệu vào ra và 64 trạm làm việc. Thiết bị đảm bảo kết nối thời gian thực ổn định với module DSQC378B của robot ABB, triệt tiêu độ trễ tín hiệu điều khiển và nâng cao tính tin cậy cho dây chuyền sản xuất.

Quy trình hiệu chuẩn camera được thực hiện như thế nào để đảm bảo độ chính xác? Hệ thống sử dụng tấm chuẩn checkerboard có kích thước ô bàn cờ 5mm x 5mm để thiết lập mối tương quan giữa đơn vị pixel ảnh và kích thước thực tế tính bằng milimet. Quá trình hiệu chuẩn giúp triệt tiêu hoàn toàn hiện tượng méo quang học của thấu kính, duy trì sai số căn chỉnh tọa độ cho robot ở mức dưới 0,1mm trong suốt quá trình hoạt động.

Hệ thống xử lý chu trình nạp và xuất khay chứa sản phẩm diễn ra như thế nào? PLC trung tâm điều khiển hệ thống nâng hạ và băng tải tự động nạp chồng 4 khay chứa rỗng, mỗi khay có 9 vị trí nhận sản phẩm. Khi robot hoàn tất chu trình gắp đủ 9 màn hình vào khay, hệ thống sẽ tự động chuyển khay có hàng sang buồng xuất và nhận diện trạng thái qua cảm biến quang học Leuze FT5iX3/2N trong phạm vi quét lên đến 215mm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã tích hợp thành công hệ thống tự động hóa hoàn chỉnh kết hợp thị giác máy tính Cognex, robot công nghiệp 6 trục ABB IRB 1200 và PLC Mitsubishi dòng Q.
  • Giải quyết triệt để bài toán định vị phôi linh hoạt với thời gian xử lý lệnh CPU đạt 1,9ns và tốc độ chụp ảnh đạt 60 hình/giây.
  • Tối ưu hóa chu trình nạp và xếp khay tự động 4 tầng với ma trận 9 vị trí, nâng cao 35% hiệu suất vận hành so với phương pháp thủ công.
  • Thiết lập đường truyền thông công nghiệp đa giao thức đồng bộ giữa mạng CC-Link tốc độ 10 Mbps và mạng Ethernet/IP thời gian thực.
  • Đóng góp giải pháp khoa học và kỹ thuật có tính ứng dụng cao cho Nhà máy Samsung Display Việt Nam cũng như ngành sản xuất điện tử chính xác.

Về kế hoạch phát triển tiếp theo, nhóm nghiên cứu dự kiến tích hợp công nghệ AI Vision và nâng cấp chuẩn truyền thông CC-Link IE TSN trong giai đoạn 2022 - 2024 để hoàn thiện hệ sinh thái nhà máy thông minh. Hãy áp dụng ngay giải pháp tích hợp Vision và Robot công nghiệp để nâng cao độ chính xác và đột phá năng suất cho dây chuyền sản xuất của bạn!