ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM ĐỒ ÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

TỔNG QUAN GIỚI THIỆU SẢN PHẨM

Khái niệm và ứng dụng

Ngày nay, tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong quản lý, giám sát và điều khiển tại các nhà máy và xí nghiệp Các hệ thống tự động không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất và hoàn thiện sản phẩm mà còn giảm thiểu rủi ro và sức lao động Điều này giúp người lao động tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện điều kiện làm việc và tiếp cận với tiến bộ khoa học kỹ thuật, tạo ra một môi trường làm việc văn minh hơn.

Hệ thống phân loại sản phẩm đóng vai trò quan trọng trong sản xuất tự động hàng hóa quy mô lớn, cho phép phân loại nhanh chóng các sản phẩm đạt tiêu chuẩn và sản phẩm bị lỗi Nó cũng giúp phân nhóm các sản phẩm theo đặc điểm khác nhau, phục vụ hiệu quả cho các công đoạn sản xuất tiếp theo.

Trong các nhà máy sản xuất thực phẩm, gạch ốp lát, chi tiết cơ khí và linh kiện điện tử, quy trình kiểm tra sản phẩm là rất quan trọng để loại bỏ phế phẩm và phân loại sản phẩm đạt chất lượng Điều này không chỉ tạo điều kiện thuận lợi cho việc lưu kho và phân phối mà còn hỗ trợ các công đoạn sản xuất tiếp theo Hơn nữa, việc tích hợp chức năng dán nhãn, đếm và quản lý sản phẩm giúp nâng cao chất lượng và hiệu quả hoạt động của dây chuyền sản xuất.

Hệ thống tự động phân loại sản phẩm đã được phát triển để đáp ứng yêu cầu thực tế trong sản xuất, đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm tra và phân loại, đảm bảo sự vận hành liên tục của dòng phôi liệu Mục tiêu của hệ thống này là nâng cao tính cạnh tranh, kiểm soát giá thành và chất lượng sản phẩm, đồng thời tăng khả năng linh hoạt trong phát triển và thay đổi mẫu mã để đáp ứng nhu cầu thị trường.

Hệ thống phân loại sản phẩm là một giải pháp tự động hoặc bán tự động giúp phân chia sản phẩm thành các nhóm dựa trên các thuộc tính tương đồng Mục đích của hệ thống này là tối ưu hóa quy trình đóng gói và loại bỏ các sản phẩm hỏng.

Có nhiều cách phân loại hệ thống phân loại sản phẩm, Ví dụ:

Hệ thống điều khiển có thể được phân loại thành tự động hoặc bán tự động, tùy thuộc vào sự tham gia của con người Các phương pháp điều khiển này thường sử dụng PLC (Bộ điều khiển lập trình) hoặc vi xử lý để thực hiện các chức năng điều khiển hiệu quả.

 Theo màu sắc: Màu sắc sẽ được cảm biến nhận biết rồi xử lý thành tín hiệu điện rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lý.

 Theo trọng lượng, kích thước bên ngoài.

Ngoài các cách phân loại sản phẩm dựa trên yêu cầu sử dụng, còn có nhiều phương pháp phân loại khác nhau tùy thuộc vào sự khác biệt giữa các phôi Hệ thống phân loại sản phẩm có ứng dụng thực tiễn đa dạng, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và nâng cao hiệu quả sử dụng.

Máy tách màu, phân loại hàng hóa theo cân nặng, phân loại sản phẩm theo kích thước,phân loại bưu kiện sử dụng trong các doanh nghiệp Logistic.

Nguyên lý hoạt động

1.2.1 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống

Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng cảm biến để nhận diện các đặc điểm của sản phẩm, sau đó áp dụng xylanh để phân loại chúng theo các đặc điểm khác nhau Để hệ thống hoạt động hiệu quả, cần thiết phải có các chuyển động phù hợp.

Để chuyển động của băng chuyền, chúng ta sử dụng động cơ điện một chiều kết hợp với bộ truyền bánh răng trụ răng thẳng trung gian để truyền chuyển động quay cho trục của băng chuyền.

 Chuyển động tịnh tiến của xylanh để phân loại sản phẩm có đặc điểm khác nhau Chuyển động của xylanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén.

Chu trình làm việc của máy bắt đầu khi ấn nút Start, sản phẩm sẽ được xylanh đẩy vào băng chuyền Hệ thống điều khiển giúp phân loại sản phẩm trên băng chuyền theo các đặc điểm khác nhau Sau khi phân loại, các sản phẩm sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói Quy trình này tiếp tục diễn ra cho đến khi tất cả sản phẩm được phân loại hoàn tất.

Hình 1.1: Mô hình phân loại sản phẩm theo vật liệu

1.2.2 Yêu cầu kỹ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống Để có một hệ thống phân loại sản phẩm với yêu cầu kiểu dáng nhỏ gọn, dễ lắp đặt, bảo trì, sửa chữa chúng ta cần thiết kế mô hình cơ khí, điều khiển bằng động cơ và hệ thống hoạt động tự động Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vật liệu mô hình, nguồn cung cấp, tính toán thông số chi tiết , yêu cầu đặt ra phải giải quyết các vấn đề:

Trong lĩnh vực cơ khí, việc phân tích và tính toán để lựa chọn vật liệu và thông số kỹ thuật cho các chi tiết là rất quan trọng Các yêu cầu cần được đáp ứng bao gồm kích thước nhỏ gọn, trọng lượng nhẹ, độ bền cao, tính thẩm mỹ hấp dẫn, cùng với khả năng lắp đặt và sửa chữa dễ dàng.

 Vấn đề điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động.

CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

Băng tải

Băng tải là yếu tố quan trọng trong hệ thống phân loại sản phẩm, đảm nhiệm việc vận chuyển hàng hóa đến vị trí thao tác Hệ thống này được trang bị con lăn bên dưới để tăng cường hiệu quả di chuyển Động lực chính của băng tải đến từ động cơ điện, bao gồm động cơ một chiều và động cơ khác.

Để tạo ra mô-men xoắn đủ lớn cho băng tải, cần kết nối trục động cơ với hộp giảm tốc, với các pha lồng sóc hay servo tùy thuộc vào yêu cầu của hệ thống Băng tải được thiết kế với hai đầu có puli, trong đó puli băng tải là vòng kín cuốn quanh Chất liệu băng tải thường là cao su và được cấu tạo từ nhiều lớp, trong đó lớp dưới chịu kéo và tạo hình, còn lớp trên là lớp phủ bảo vệ.

Các thành phần băng tải:

 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

 Trạm dẫn động, truyền động cho bộ phận kéo

 Bộ phân căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

 Hệ thống đỡ làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc.

Có nhiều loại băng tải được thiết kế phù hợp với các đặc tính của hàng hóa, bao gồm băng tải xích, băng tải con lăn, băng tải đai, băng tải đứng và băng tải xoắn ốc.

Trong đồ án sản phẩm, khối trụ có trọng lượng từ 0,2 – 5 kg được lựa chọn để sử dụng băng tải dây đai cao su Đai cao su nổi bật với độ bền, tính đàn hồi tốt và khả năng chịu ẩm cùng biến đổi nhiệt độ, làm cho nó trở thành lựa chọn phổ biến Đai cao su vận chuyển êm, truyền động nhanh và ổn định, nhờ vào bề mặt tiếp xúc tốt và trọng lượng vừa phải của phôi hình trụ, đảm bảo khả năng ma sát cao và độ chính xác trong công việc Với yêu cầu không lớn về góc nghiêng và không cần di chuyển theo đường cong, băng tải dây đai cao su hoàn toàn đáp ứng tốt các tiêu chí làm việc.

Hình 2.1: Hệ thống băng tải

Bộ truyền đai/ xích

Để tối ưu hóa quá trình vận chuyển trong sản xuất, băng tải thường được trang bị bộ truyền động Điều này giúp cho việc vận chuyển trở nên dễ dàng và chính xác hơn, nhờ vào đặc tính làm việc liên tục của băng tải.

Bảng 2.1: so sánh bộ truyền đai và bộ truyền xích

Nội dung Bộ truyền đai Bộ truyền xích Ưu điểm

 Làm việc êm, không ồn, tốc độ cao

 Giữ được an toàn cho các chi tiết máy và động cơ khi bị quá tải do hiện tượng trượt trơn.

 Không xảy ra hiện tượng trượt

 Có thể cùng lúc chuyển động cho nhiều trục

 Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn truyền động đai vì không cần căng xích.

 Khuôn khổ và kích thước lớn

 Tỉ số truyền không ổn định, hiệu suất thấp do có sự trượt đan hồi

 Lực tác dụng lên các trục và ổ lớn do phải căng đai

 Do có sự va đập khi vào khớp nên gây nhiều tiếng ồn lớn khi làm việc, không thích hợp với vận tốc cao.

 Đòi hỏi chế tạo, lắp ráp chính xác hơn, yêu cầu chăm sóc, bảo quản thường xuyên.

 Vận tốc và tỷ số truyền tức thời không ổn định.

 Dễ mòn khớp bản lề

 Do thích hợp với vận tốc cao nên thường lắp ở đầu vào của hộp giảm tốc, thường dùng khi cần truyền động trên khoảng cách trục lớn

Phù hợp với vận tốc thấp, thiết bị này thường được lắp đặt ở đầu ra của hộp giảm tốc Nó thích hợp cho việc truyền động trong khoảng cách trục trung bình và yêu cầu hoạt động mà không có hiện tượng trượt.

Pit tông/ Van khí nén

Piston xylanh bao gồm piston xylanh thủy lực và khí nén, là động cơ biến đổi thế năng của dầu hoặc khí nén thành cơ năng, thực hiện chuyển động thẳng hoặc vòng không liên tục Piston xylanh được ứng dụng rộng rãi trong các thiết bị có cơ cấu chấp hành chuyển động thẳng, với xylanh khí nén có cấu trúc đơn giản nhưng khả năng hoạt động mạnh mẽ và ổn định Mặc dù hệ thống khí nén có công suất nhỏ hơn so với thủy lực, nhưng nó mang lại nhiều ưu điểm như dễ dàng giải quyết vấn đề chắn khít.

 Có khả năng truyền năng lượng đi xa, bởi vì độ nhớt động học của khí nén nhỏ và tổn thất áp suất trên đường dẫn nhỏ.

Không khí có khả năng chịu nén lớn, cho phép trích chứa khí nén một cách hiệu quả Số lượng không khí để nén gần như không giới hạn, và khí nén có thể được thải ra trở lại bầu khí quyển một cách dễ dàng.

Hệ thống khí nén sạch sẽ không bị ảnh hưởng bởi sự rò rỉ không khí trong ống dẫn, đảm bảo không có nguy cơ nhiễm bẩn.

Chi phí để thiết lập hệ thống truyền động khí nén rất thấp, vì hầu hết các nhà máy và xí nghiệp đã có sẵn đường dẫn khí.

Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, giúp giảm thiểu nguy cơ và nâng cao độ an toàn trong quá trình sử dụng hệ thống truyền động khí nén.

Trong đồ án này, tôi đã chọn sử dụng cơ cấu sinh lực bằng khí nén để tạo ra lực đẩy cho phôi Lựa chọn xilanh khí nén là do nó mang lại nhiều ưu điểm nổi bật.

 Lực kẹp đủ lớn, đều có thể kiểm tra, điều chỉnh dễ dàng trong quá trình làm

 việcSử dụng đơn giản với sinh viên

 Dễ tìm mua trên thị trường

Van điều khiển có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lương bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vi ṭ rí để thay đổi hướng đi của dòng năng lượng.

Van điều khiển em chọn van 5/2 tác động nam châm điện và lò xo Chọn van 5/2 có ký hiệu như hình vẽ.

Các thông số của van là:

 Áp suất làm việc: 0,15 – 0,7 MPa

 Ta cấp khí vào cửa P(1) rồi lấy khí ra cửa A(4) và B(2) để đưa vào 2 đầu của xilanh.

Ở đầu ra 3 và 5 của van, chúng ta sử dụng van tiết lưu một chiều để điều chỉnh lưu lượng ra của xylanh, nhằm kiểm soát lực đẩy phôi ra khỏi băng tải.

Cảm biến

Hệ thống thu nhận thông tin từ phôi cho bộ điều khiển sử dụng các loại cảm biến như cảm biến màu, cảm biến quang và cảm biến tiệm cận Những cảm biến này có chức năng chuyển đổi các đại lượng không điện, bao gồm các đại lượng vật lý và hóa học, thành các tín hiệu điện Ví dụ, áp suất, nhiệt độ, lưu lượng và vận tốc được chuyển đổi thành tín hiệu điện với các đơn vị như mV và mA.

Theo nguyên lí của cảm biến có:

 Cảm biến điện tử và ion…

Theo tính chất nguồn điện:

 Cảm biến thông số Theo phương pháp đo:

 Cảm biến biến đổi trực tiếp

Trên thị trường hiện có nhiều loại cảm biến, nhưng trong đồ án này, tôi sử dụng cảm biến quang để phân loại sản phẩm Khi sản phẩm di chuyển trên băng truyền, cảm biến quang đầu tiên sẽ phân loại sản phẩm là vật cao, trong khi cảm biến quang thứ hai sẽ xác định sản phẩm là vật trung bình Những sản phẩm không kích hoạt cảm biến sẽ không được phân loại.

Cảm biến quang sử dụng ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy và bao gồm nguồn phát quang như LED hoặc LASER cùng với bộ thu quang là diode hoặc transistor Trong đồ án này, nguồn LASER được sử dụng để phát ra ánh sáng, cho phép nhận biết vật khi nó che chắn hoặc phản xạ ánh sáng Khi có vật cản, chùm tia LASER sẽ không tác động đến bộ thu, nhờ vào sóng dao động giúp loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng xung quanh Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, điện áp cấp cho cảm biến cần phù hợp với mạch điều khiển, trong trường hợp này là 24 VDC.

Động cơ

Một số loại động cơ:

 Động cơ điện một chiều.

 Động cơ điện xoay chiều

Hệ thống sử dụng truyền động băng chuyền bằng xích không yêu cầu động cơ có công suất lớn, nhờ vào việc không cần tải trọng lớn Các yêu cầu đối với băng chuyền khá đơn giản.

 Băng chuyền chạy liên tục, có thể dừng khi cần.

 Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng băng chuyền nhẹ.

 Dễ điều khiển, giá thành rẻ.

Hệ thống sử dụng động cơ một chiều do khả năng điều chỉnh linh hoạt momen và vận tốc góc trong khoảng rộng Động cơ điện một chiều khởi động êm, dễ dàng hãm và đảo chiều, nên được ứng dụng phổ biến trong các thiết bị vận chuyển bằng điện, thang máy, máy trục và các thiết bị thí nghiệm.

Động cơ điện, đặc biệt là động cơ một chiều, là thiết bị điện từ quay hoạt động dựa trên nguyên lý điện từ Khi một dây dẫn được đặt trong từ trường và có dòng điện chạy qua, cuộn dây sẽ chuyển động Quá trình này giúp động cơ điện chuyển đổi điện năng thành cơ năng.

Stator của động cơ điện một chiều thường bao gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Rotor được trang bị các cuộn dây quấn và kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong quá trình rotor quay liên tục Bộ phận này thường bao gồm một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

Khi trục của động cơ điện một chiều bị kéo bởi một lực ngoài, động cơ sẽ hoạt động như một máy phát điện một chiều và tạo ra sức điện động cảm ứng (EMF) Trong quá trình vận hành bình thường, rotor quay sẽ phát ra điện áp gọi là sức phản điện động (CEMF), đối kháng với điện áp bên ngoài Sức điện động này tương tự như khi động cơ hoạt động như một máy phát điện, ví dụ khi kết nối một điện trở tải vào đầu ra và kéo trục động cơ bằng một ngẫu lực bên ngoài Do đó, điện áp đặt trên động cơ bao gồm hai thành phần: sức phản điện động và điện áp do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng tạo ra.

Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:

Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng: Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:

Phương trình cơ bản của động cơ điện một chiều:

Hình 2.6: Động cơ điện một chiều

 Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb)

 Rư: Điện trở phản ứng (Ohm)

 Ω: tốc độ động cơ (rad/s)

 K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Hệ thống băng tải

Thông số đầu vào (theo số liệu đề cho):

 Nguồn lực dẫn động băng tải: động cơ điện

 Thông số hình học phôi :

+ Hình trụ: h 1 = 0,05 m; h 2 = 0,07 m; h 3 = 0,03 m d 1 = d 2 = d 3 = 0,05 m + Hình khối lập phương: h 1 = h 2 = h 3 = 0,05 m

 Trọng lượng phôi: Q min = 0,2 kg; Q max = 5 kg

 Năng suất làm việc: N= 20 sp/ph

3.1.1 Tính các thông số hình, động học băng tải

Chiều dài L thỏa mãn điều kiện: L ≥ n.d + (n-1).x

Trong đó: n là số sản phẩm trên băng tải tại 1 thời điểm

Hình 3.1: Kích thước, khoảng cách giữa các sản phẩm d là đường kính sản phẩm, d= 0,05 m x là khoảng cách giữa 2 mép gần nhau nhất của 2 sp

- Chọn chiều dài L=1 m, chiều rộng W=0,1 m, chiều dày H=0,003 m

- Chọn khoảng cách giữa 2 sản phẩm là: 0,25 m

- Số sản phẩm tối đa trên băng tải tại một thời điểm: 4 sp

Tổng khối lượng sản phẩm lớn nhất là: M max = 4.5 = 20 (kg) Để đảm bảo năng suất 20 sp/ph, thời gian 1 sản phẩm đi hết băng tải là:

Vận tốc băng tải là: v = (m/s)

Sản phẩm có trọng lượng từ 0,2 - 5 kg nên sử dụng băng tải dây đai cao su với khối lượng riêng ρ50kg/m3 và khung sườn thép CT45 Đai cao su đảm bảo vận chuyển êm ái, truyền động nhanh chóng và ổn định Với trọng lượng phôi vừa phải, đai cao su có độ ma sát tốt, giúp làm việc chính xác Khi không cần góc nghiêng lớn và di chuyển theo đường thẳng, băng tải cao su hoàn toàn đáp ứng tốt yêu cầu làm việc.

Hệ số trượt giữa trục và băng tải là: à=0,3

Do chọn băng tải dày 0,003 m nên theo quy định của nhà sản xuất, đường kính trục nhỏ nhất là 0,06 m Chọn đường kính trục chủ động bằng 0,06 m.

Trong hệ thống băng tải, dây băng được định hình qua các trục động và bị động, với phần giữa được hỗ trợ bởi một tấm phẳng Mỗi đoạn của băng tải có lực cản chuyển động khác nhau, nhưng lại có tính chất lực cản đồng nhất Lực căng dây tại mỗi điểm đặc trưng (i) bằng tổng của lực căng tại điểm trước đó (i-1) và lực cản chuyển động của dây từ đoạn (i-1) đến i.

Hình 3.2: Sơ đồ hệ thống lực băng tải

Theo sơ đồ ta có, lực căng băng tại các điểm đặc trưng S i (i = 0 - 3), với S 0 là lực căng tại nhánh nhả ở tang dẫn.

Các lực cản chuyển động của băng:

 W0/1 : Lực cản trên đoạn nằm ngang từ điểm 0 đến 1

W: Chiều rộng băng tải w : Hệ số cản riêng của hệ thống đỡ dây, được xác định bằng thực nghiệm, w=0.2 – 0.4; chọn w= 0,4.

 W 1/2 : Lực cản trên đoạn uốn cong qua trục bị động từ điểm 1 đến 2

 W 1/2 = 0,06.( S 0 +W 0/1 ) ξ : Hệ số cản trên trục đổi hướng, phụ thuộc góc đổi hướng, ξ = 0,03 – 0,06, chọn ξ=0,06.

 W 2/3 : Lực cản trên đoạn nằm ngang có tải từ điểm 2 đến 3

Q t : Tổng trọng lượng tải đặt trên băng.

Lực kéo băng là lực được truyền từ trục chủ động sang băng:

S 0 và S 3 lần lượt là lực căng tác dụng lên phần dưới và phần trên của trục chủ động

F 0 là lực căng ban đầu

F t là lực có ích của động cơ

 Lực kéo băng là lực được truyền từ tang dẫn sang băng:

Trong đó : α = π : góc ôm của băng trên tang f: hệ số ma sát giữa băng với tang f= 0,2 ~ 0,4 Chọn f= 0,4

Kiểm tra điều kiện (3.7) ta có: S 3 ≤ S 0 e fα (188,57