Hiện nay trong công nghiệp hiện đại hoá đất nước, yêu cầu ứng dụng tự độnghoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tựđộng, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ...). Mặt khác, nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC. Các công ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng công nghệ lập trình PLC sử dụng các loại phần mềm tự động. Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho đòi sống xã hội. Chính vì thế hiện nay hệ thống phân loại sản phẩm không còn quá xa lạ với chúng ta. Nó được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống con người. Những ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống ngày nay thì việc áp dụng hệ thống thông minh vào thực tế đã và đang được sử dụng một cách rộng rãi, được ứng dụng nhiều trong ngành cơ điện tử, tự động hóa. Việc hiểu và ứng dụng sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi người. Để góp phần nhỏ vào việc này, nhóm em đã thực hiện đề tài thiết kế “hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắcsử dụng tay gắp”. Thông qua đề tài này nhóm em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu bổ sung vào hành trang của mình trên con đường đã chọn. Nhận thức tầm quan trọng đó chúng em đã làm việc nghiêm túc vận dụng những kiến thức sẵn có của bản thân, những đóng góp ý kiến của bạn bè và đặc biệt là sự hướng dẫn của thầy Ths.Nguyễn Văn Sơn để hoàn thành bài tập lớn này. Trong quá trình thực hiện đề tài này còn nhiều sai sót hi vọng quý thầy cô thông cảm và chỉ dạy cho chúng em, xin chân thành cảm ơn quý thầy cô.
Trang 1TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI
KHOA CƠ KHÍ
-
ĐỒ ÁN MÔN HỌC CƠ ĐIỆN TỬ
ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN
PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP
Giáo viên hướng dẫn: ThS Nguyễn Văn Sơn Nhóm sinh viên thực hiện:
Trang 2
1
MÔ TẢ HỆ THỐNG
1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ
- Cấp phôi tự động
- Nhận diện màu sắc phôi
- Tay gắp phân loại phôi theo màu sắc
2 Cấu trúc hệ thống
Thiết bị Loại sử dụng
Thiết bị thu nhận ảnh phôi Webcam Dahua Z2+
Tay gắp Xylanh tay kẹp
Hệ thống cung cấp động lực tay gắp Hệ thống khí nén Cảm biến xác định vị trí tay gắp Cảm biến tiệm cận tự cảm
Băng tải Băng tải PVC mini
Động cơ băng tải Động cơ điện 1 chiều
Bộ điều khiển PLC S7-1200 CPU 1211C
3 Đặc tính kỹ thuật
Thơng số Giá trị
Phân loại các màu sắc theo dải màu HSV
Thời gian phân loại b (s)
Lực tay kẹp c (N)
Tốc độ băng tải
Trang 32
4 Nội dung báo cáo
Chương I : Tổng quan về hệ thống
1.1 Lịch sử nghiên cứu 1.2 Các vấn đề đặt ra
1.3 Phương pháp nghiên cứu 1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 1.5 Ý nghĩa thực tiễn
Chương II : Cơ sở lý thuyết
2.1 Hệ thống cơ khí
2.2 Hệ thống điện điều khiển
Chương III : Tính tốn, thiết kế mơ hình hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng tay gắp
3.1 Tính tốn, thiết kế hệ thống cơ khí
3.2 Tính tốn, thiết kế hệ thống điện, điều khiển
Trang 43
ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN
Trang 54
MỤC LỤC
ĐÁNH GIÁ CỦA GIẢNG VIÊN 3
MỤC LỤC 4
DANH MỤC HÌNH ẢNH 6
DANH MỤC BẢNG BIỂU 7
LỜI NÓI ĐẦU 8
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 9
1.1 Lịch sử nghiên cứu 9
1.2 Các vấn đề đặt ra 9
1.3 Phương pháp nghiên cứu 14
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu 14
1.5 Ý nghĩa thực tiễn .15
CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT .16
2.1 Hệ thống cơ khí 16 2.1.1 Thân máy: .16 2.1.2 Bàn máy: .16 2.1.3 Cơ cấu chấp hành 16 2.2 Hệ thống điều khiển 21 2.2.1 Bộ điều khiển PLC S7-1200 21
2.2.2 Các loại van điều khiền 24
2.2.3 Động cơ DC 27
2.2.4 Cảm biến .29
2.2.5 Thiết bị thu nhận ảnh 31
CHƯƠNG III TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP .32
3.1 Tính tốn thiết kế hệ thống cơ khí 32
3.1.1 Thiết kế cơ khí bằng Solidworks 32
Trang 65
3.1.2.1 Băng tải 34
3.1.2.2 Tính tốn và lựa chọn xy lanh 38
3.1.2.3 Một số chi tiết và module khác 41
3.2 Tính tốn hệ thống điện, điều khiển 43
3.2.1 Tính tốn hệ thống điện, khí nén 43
3.2.1.1 Sơ đồ hệ thống khí nén 43
3.2.1.2 Sơ đồ đấu nối mạch 44
3.2.1.3 Tính chọn nguồn .45
3.2.2 Tính tốn hệ thống điều khiển 46
3.2.2.1 Thiết kế giao diện xử lý ảnh 46
3.2.2.1.1 Xử lý ảnh trong Matlab 46
3.2.2.1.2 Lập trình giao diện GUIDE 50
3.2.2.1.3 Lập trình kết nối OPC giữa Matlab và PLC .54
CHƯƠNG IV KẾT LUẬN 59
4.1 Kết quả đạt được của đề tài 59
4.2 Hướng phát triển 59
TÀI LIỆU THAM KHẢO 60
Trang 76
DANH MỤC HÌNH ẢNH
Hình 1:Hệ thống phân loại cà chua 9
Hình 2: Băng tải 18 Hình 3: Xy lanh khí nén 19 Hình 4: Xy lanh xoay khí nén 19 Hình 5: Xy lanh tay kẹp 20 Hình 6: CPU 1211C 21 Hình 7: Sơ đồ mặt PLC S7-1200 (CPU 1211C) 22 Hình 8: Module mở rộng của bộ lập trình PLC S7-1200 24
Hình 9: Vị trí đèn và cổng truyền thơng trên PLC S7-1200 (CPU 1211C) 24
Hình 10: Van khí nén 3/2 25
Hình 11: Cấu tạo van khí nén 3/2 25
Hình 12: Van điện từ SMC 5/2 26
Hình 13: cấu tạo van điện từ SMC 5/2 26
Hình 14: Van hút chân khơng 27
Hình 15: Van tiết lưu 27
Hình 16: Động cơ DC 28
Hình 17: Mặt cắt ngang động cơ DC 28
Hình 18: Cấu tạo động cơ DC 28
Hình 19: Cấu tạo động cơ DC 29
Hình 20: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều 29
Hình 21: Cảm biến từ Xy lanh Sensor SMC 30
Hình 22: Cảm biến quang E3F-DS30C4 30
Hình 23: Webcam Dahua Z2+ 31
Hình 24: Mơ hình các bộ phận cơ khí 32
Hình 25: Mơ hình băng tải 33
Hình 26: Mơ hình cấp phơi 33
Hình 27:Mơ hình tay gắp 34
Hình 28: Mơ hình cơ khí hồn thiện 34
Hình 29: Sơ đồ tác động lực của động cơ 35
Hình 30: Sơ đồ tác động lực của xy lanh khí nén tác động kép 38
Hình 31: Xy lanh khí nén SMC CDQSB16 - 125DCM 40
Hình 32: Sơ đồ khối hệ thống 43
Hình 33: Sơ đồ hệ thống khí nén 44
Hình 34: Sơ đồ đấu nối điện 44
Hình 35: Nguồn 24 VDC – 15 A 45
Hình 36: Ảnh từ camera 48
Hình 37: Ảnh sau khi chuyển sang không gian màu HSV 48
Hình 38: Ảnh nhị phân 49
Hình 39: Ảnh đối tượng sau khi phân loại 49
Hình 40: Cửa sổ GUIDE Quick Start khi mở GUI 51
Trang 87
Hình 42: Hộp thoại Inspector 52
Hình 44: Giao diện điều khiển 53
Hình 45: Quan hệ giữa OPC Toolbox Object với OPC Server 54
Hình 46: OPC Data Access Explorer 55
Hình 47: Cửa sổ của OPC Data Access Explorer 55
Hình 48: Tạo Host liên kết với OPC Server 56
Hình 49: Tạo trong PC Access các biến sẽ sử dụng 56
Hình 50: Add Items địa chỉ 57
Hình 51: Cửa sổ PC Access 57
Hình 52: Thêm các item đến file lập trình PLC 58
Hình 53: Thực hiện Test Client 58
DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1: Bảng thông số các loại động cơ .37
Bảng 2: Thông số động cơ JM37-550 S550 Handson Technology 37
Trang 98
LỜI NÓI ĐẦU
Hiện nay trong cơng nghiệp hiện đại hố đất nước, u cầu ứng dụng tự động hoá ngày càng cao vào trong đời sống sinh hoạt, sản xuất (yêu cầu điều khiển tự động, linh hoạt, tiện lợi, gọn nhẹ ) Mặt khác, nhờ công nghệ thông tin, công nghệ điện tử đã phát triển nhanh chóng làm xuất hiện một loại thiết bị điều khiển khả trình PLC Các cơng ty, xí nghiệp sản xuất thường sử dụng cơng nghệ lập trình PLC sử dụng các loại phần mềm tự động Dây chuyền sản xuất tự động PLC giảm sức lao động của công nhân mà sản xuất lại đạt hiệu quả cao đáp ứng kịp thời cho địi sống xã hội Chính vì thế hiện nay hệ thống phân loại sản phẩm khơng cịn q xa lạ với chúng ta Nó được ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu thiết yếu trong cuộc sống con người
Những ứng dụng trong công nghiệp cũng như trong cuộc sống ngày nay thì việc áp dụng hệ thống thông minh vào thực tế đã và đang được sử dụng một cách rộng rãi, được ứng dụng nhiều trong ngành cơ điện tử, tự động hóa Việc hiểu và ứng dụng sẽ giúp ích rất nhiều cho mọi người Để góp phần nhỏ vào việc này,
nhóm em đã thực hiện đề tài thiết kế “hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng tay gắp”
Thông qua đề tài này nhóm em sẽ có những điều kiện tốt nhất để học hỏi, tích lũy kinh nghiệm quý báu bổ sung vào hành trang của mình trên con đường đã chọn Nhận thức tầm quan trọng đó chúng em đã làm việc nghiêm túc vận dụng những kiến thức sẵn có của bản thân, những đóng góp ý kiến của bạn bè và đặc
biệt là sự hướng dẫn của thầy Ths.Nguyễn Văn Sơn để hoàn thành bài tập lớn
này
Trang 109
CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
1.1 Lịch sử nghiên cứu
Phân loại sản phẩm là một lĩnh vực được nghiên cứu và phát triển từ rất lâu nó gắn liền với sự phát triển của lịch sử và sự phát triển của nền kinh tế Từ những việc phân loại thô sơ bằng tay như: phân loại thực phẩm sau khi thu hoạch tới phân loại sản phẩm bằng hệ thống thô sơ như hệ thống xay xát lúa gạo nhằm loại bỏ tấm, cám, gạo vụn Hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao và màu sắc được ứng dụng phổ biến trong dây chuyền sản xuất gạch, ngói, đá granite, các sản phẩm nhựa hoặc trong ngành nông nghiệp chế biến Nông sản (cà phê, gạo, hồ tiêu ) Hệ thống này giúp nhà sản xuất tiết kiệm công lao động, giảm thời gian lao động, nâng cao năng suất
Năm 1968, PLC (bộ điều khiển khả trình) ra đời đã đánh dấu mốc quan trọng trong lịch sử phát triển công nghiệp và hệ thống phân loại sản phẩm cũng được cải tiến và kết hợp với PLC để hệ thống hoàn thiện hơn Năm 1969, Vi điều khiển ra đời cùng với sự phát triển của cảm biến khiến cho hệ thống phân loại sản phẩm càng được cải tiến rõ rệt, từ hệ thống bán tự động chuyển sang tự động hoàn toàn và tối ưu Qua hiện trạng thực tế nêu trên, nước ta nảy sinh ra nhiều đề tài nghiên cứu về máy phân loại sản phẩm và một trong những đề tài đó được Viện Máy và Dụng Cơng Nghiệp thiết kế và chế tạo thành công máy phân loại cà chua theo màu sắc, cà chua sau khi được phân loại đạt chất lượng cao
Trang 1110 Đối với ngành xuất khẩu sản phẩm nông nghiệp ở Việt Nam các doanh nghiệp đã đầu tư trang thiết bị máy móc nhằm tự động hóa sản xuất các sản phẩm như: gạo, ngô, cà phê, hồ tiêu, đã nâng cao năng suất thơng qua các quy trình (Cánh đồng mẫu lớn >> Thu hoạch >> Nhà máy sấy >> Nhà máy xay xát >> Nhà máy tách hạt, tách màu >> Nhà máy đánh bóng >> Xuất khẩu) Những thành cơng ban đầu của q trình liên kết một công nghệ hiện đại trong khoảng 10, 15 năm vừa qua đã khẳng định xu thế phát triển của nền sản xuất trí tuệ trong thể kỷ 21 trên cơ sở của thiết bị thông minh
Đề có thể tiếp cận và ứng dụng dạng sản xuất tiên tiến này, nhóm quyết định
tìm hiều và nghiên cứu “hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng tay gắp” có hệ thống vững chắc, phản ứng nhanh ,chính xác
1.2 Một số loại máy, hệ thống phân loại sản phẩm
Một số dây chuyền phân loại sản phẩm phổ biến hiện nay Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiên nay Dây chuyền sorting này được sử dụng để phân loại các kiện hàng, bưu phẩm, sản phẩm thành phẩm đã được đóng thùng carton, đóng túi và dán mã vạch barcode, mã QR
Với các thông tin lưu trữ trên mã vạch dán trên sản phẩm, hệ thống có thể dễ dàng sàng lọc và lựa chọn, gom sản phẩm vào các vị trí tập kết (hub) theo yêu cầu đặt ra như:
Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model…
Trang 1211 Với các sản phẩm nơng sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm…
Các hộp, thùng hàng được đặt lên băng tải phân loại bởi công nhân hoặc cánh tay
robot cộng tác, robot xếp hàng lên pallet từ băng tải cấp hoặc xe tự hành AGV trong các nhà máy thông minh
Hệ thống phân loại sản phẩm có thể đạt cơng suất tới 10,000 sản phẩm/giờ Năng suất cao gấp 3-5 lần so với cách quét mã vạch và phân loại bởi công nhân truyền thống
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lượng
Là hệ thống phân cỡ sản phẩm ứng dụng đa dạng các loại/kiểu sản phẩm theo nguyên tắc kiểm tra khối lượng online, sau đó phân ra từng cỡ trọng lượng theo yêu cầu
Phạm vi phân loại: 10g~5000g Tốc độ: 110 – 200 sản phẩm/ phút Tốc độ: 60m/ phút
Số lượng cỡ phân loại: 12 cỡ
Vật liệu: inox SS304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm
Trang 1312
Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, thủy hải sản, nông sản,…
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo màu sắc
Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại các sản phẩm như ớt, cà chua, cà phê, nhựa màu, gạo, chè búp, các loại hạt…nhờ camera kiểm tra sản phẩm, công nghệ vision xử lý ảnh tự động
Năng suất: 0.8-15 tấn/ giờ (tùy vào mỗi loại model) Tỉ lệ phân loại chính xác: >99%
Ứng dụng phân loại sản phẩm theo màu sắc trong các ngành nơng nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, cơng nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế…
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo kích thước
Là hệ thống phân loại tự động cho sản phẩm hàng hóa, trái cây và rau quả trên cơ sở kích thước bao gồm bộ phận cấp, phân loại, thả và thu hồi sản phẩm Máy phân loại sản phẩm theo kích thước điều khiển tự động, độ chính xác cao, hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều loại sản phẩm khác nhau
Trang 1413
Dây chuyền phân loại trứng, cà chua theo kích thước
Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, nông sản, trái cây…
Trong ngành logistic, thương mại điện tử, các gói hàng được đóng trong các hộp với trọng lượng, màu sắc, kích thước khác nhau dễ dàng được phân loại nhờ hệ thống phân loại lựa với camera và thuật tốn phân loại thơng minh Hàng hóa được phân loại trên băng tải chính theo các băng tải xương cá di chuyển tới các vị trí tập kết
Phân loại sản phẩm tự động giúp giảm thiểu sức người và thời gian cho khâu phân loại vốn nhàm chán nhưng vẫn đảm bảo độ chính xác ở tốc độ cao với năng suất vượt trội
Với các ngành chế biến, sản xuất bánh kẹo, thực phẩm, sản phẩm sau khi chế biến chạy trên băng tải hồn tồn có thể được hệ thống chọn/bỏ theo các tiêu chí về hình dáng, màu sắc, giúp q trình đóng gói diễn ra liền mạch và chất lượng sản phẩm được kiểm soát đồng đều hơn
1.2 Các vấn đề đặt ra
Mục tiêu đặt ra là nghiên cứu chế tạo: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ bảo trì, sửa chữa, lắp đặt
Trang 1514 Các vấn đề cần được giải quyết đó là:
- Vấn đề cơ khí: phân tích tính tốn và lựa chọn vật liệu, thông số 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 mơ hình đơn giản Mơ 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:
a Phương pháp nghiên cứu lý thuyết
- Để thiết kế được, chúng ta cần thiết kế hệ thống cơ khí và điều khiển được động cơ và hệ thống hoạt động tự động đựa vào lập trình và điều khiển - Dựa và kiến thức đã được học, tham khảo, tìm hiểu qua internet, sách vở
để áp dụng vào đồ án
- Dựa vào các hệ thống phân loại ngoài thị trường
- Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính tốn, phân tích, xử lí số liệu để xây dựng mơ hình phù hợp với đề tài
- Tìm hiểu, lập trình điều khiển về PLC b Phương pháp mơ phỏng
Mô phỏng và đánh giá thiết bị trên máy tính: - Phần thủy khí: PSIM,
- Phần mạch PLC: STEP 7, PLCSIM, WINCC,
1.4 Giới hạn, phạm vi nghiên cứu
Trang 1615 • Hệ thống nhận dạng và phân loại theo màu sắc
• Hệ thống điều khiển: PLC và hệ thống khí nén
• Cơ cấu phân loại sản phẩm: Tay gắp phân loại sản phẩm • Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều • Hệ thống dẫn động: Băng chuyền
• Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V AC và điện áp một chiều 24V DC
b) Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu chỉ ở việc thiết kế hệ thống cơ khí, xây dựng hệ thống điều khiển trên lý thuyết và đánh giá trên phầm mềm mơ phỏng
1.5 Ý nghĩa thực tiễn
• Giảm thời gian chia chọn phân loại bưu kiện, nâng cao hiệu quả cơng việc • Giảm số lượng nhân công thực hiện thao tác phân loại đến 70% Cơng suất
phân loại tăng lên từ đó sẽ giúp cho doanh nghiệp giảm được chi phí Tỷ lệ phân loại bưu kiện có sai sót rất thấp (0.01%) Điều đó làm cho dịch vụ của doanh nghiệp có ưu thế vượt trội
• Tỷ lệ sai sót, hỏng, vỡ và móp méo hàng hóa cũng giảm Từ đó sẽ nâng cao chất lượng dịch vụ
Trang 1716
CHƯƠNG II CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Hệ thống cơ khí Hệ thống cơ khí bao gồm: • Thân máy • Bàn máy • Cơ cấu chấp hành 2.1.1 Thân máy:
- Thân máy và đế máy thường được chế tạo bằng nhôm định hình giúp cho việc di chuyển và lắp đặt dễ dàng
- Bên trong thân máy chứa hệ thống điều khiển, nguồn điện và 1 số hệ thống khác - u cầu thân máy bao gồm:
• Phải có độ cứng vững cao
• Phải có các thiết bị chống rung động • Phải đảm bảo độ chính xác
• Đế máy để đỡ tồn bộ máy, tạo sự ổn định và cân bằng cho máy
2.1.2 Bàn máy:
- Bàn máy là nơi đặt các cơ cấu chấp hành của hệ thống như băng tải, tay gắp, động cơ và các loại cảm biến
- Yêu cầu bàn máy phải ổn định để hệ thống vận hành 1 cách chính xác
2.1.3 Cơ cấu chấp hành
a) Băng tải
Băng tải là thành phần không thể thiếu trong một hệ thống phân loại sản phẩm Nó có nhiệm vụ vận chuyển phơi tới vị trí thao tác, bên dưới có trang bị hệ thống các con lăn Nguồn động lực của băng tải chính là động cơ điện, thường sử dụng kèm hộp giảm tốc để đảm bảo tốc độ và momen cần thiết cho băng tải hoạt động a.1) Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn năng suất của băng tải loại này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s Chiều dài của băng tải là không hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN
- Băng tải xoắn vít: có 2 kiểu cấu tạo:
Trang 1817 + Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn phải, 1 có chiều xoắn trái Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động
Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng
Lựa chọn loại băng tải:
Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải sau: Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn năng suất của băng tải loại này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s Chiều dài của băng tải là không hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN
- Băng tải xoắn vít: có 2 kiểu cấu tạo:
+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm
+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn phải, 1 có chiều xoắn trái Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động
Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng
Lựa chọn loại băng tải :
Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải sau:
Loại băng tải
Loại băng tải Tải trọng Phạm vi ứng dụng
Băng tải dây đai < 50 kg Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp Băng tải lá 25 ÷ 125 kg Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong
gia công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp Băng tải thanh đầy 50 - 250 kg Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ
phận trên khoảng cách >50m
Trang 1918 Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận chuyển Tuy nhiên chúng địi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, địi hỏi độ chính xác cao, giá thành khá đắt
Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong mơ hình đồ án đã lựa chọn loại băng tải dây đai để mô phỏng cho hệ thống dây chuyền trong nhà máy với những lý do sau đây:
- Tải trọng băng tải không quá lớn -Kết cấu cơ khí khơng q phức tạp -Dễ dàng thiết kế chế tạo
-Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải
Tuy nhiên loại băng tải này cũng có 1 vài nhược điểm như độ chính xác khi vận chuyển khơng cao, đơi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua thời gian
Loại băng tải
Hình 2: Băng tải
b) Xy lanh khí nén
Trang 2019
Hình 3: Xy lanh khí nén
Để thực hiện chức năng, xy lanh khí nén truyền một lực lượng bằng cách chuyển năng lượng tiềm năng của khí nén vào động năng Do khí nén có khả năng giãn nở, khơng có đầu vào năng lượng bên ngồi, mà chính nó xảy ra do áp lực được tạo ra bởi khí nén đang ở áp suất lớn hơn áp suất khí quyển Sự giãn nở khơng khí này làm cho piston di chuyển theo hướng mình chỉ định
Mỗi khi được kích hoạt, khơng khí nén vào trong ống ở một đầu của piston và truyền tải lực trên piston Do đó piston sẽ di chuyển bằng khí nén
c) Xy lanh xoay khí nén
Xy lanh xoay khí nén MSQB - 20A:
Hình 4: Xy lanh xoay khí nén
Trang 2120 - Đây là loại xy lanh có hai tác động, đệm giảm chấn bằng cao su ở 2 đầu - Được làm bằng chất liệu tốt nên có thể chịu được các lực va đập nhẹ,
chống oxi hóa và làm vệc trong nhiều mơi trường có nhiệt cao
- Xy lanh hoạt động ổn định trong các mơi trường có nhiệt độ, áp suất cao, thay đổi liên tục cho đến những môi trường làm việc yêu cầu đảm bảo vệ sinh cao, an tồn hoặc mơi trường độc hại
* Nguyên lý hoạt động xy lanh xoay:
Xy lanh khí có vai trị tạo ra lực để chuyển đổi năng lượng có trong khí nén thành động năng để tạo ra các chuyển động Xy lanh xoay được vận hành bằng khí nén từ hệ thống máy nén khí Điều này đạt được là do sự chênh áp được tạo ra bởi khí nén được ở áp suất lớn hơn áp suất của khí quyển Do đó làm cho các piston của xy lanh chuyển động theo hướng mong muốn qua đó làm cho thiết bị bên ngoài hoạt động
d) Xy lanh tay kẹp
Xy lanh MH là loại xi lanh kẹp và có hai loại là loại kep song song và loại kep điểm Về hoạt động thì loại xi lanh kẹp này có loại hoạt động đơn, có lị xo trở về, loại hoạt động kép và các loại khác Đường kính piston từ 6mm đến 40mm
Trang 2221 Đặc điểm: Đây là xi lanh có cơng tắc xoay (kẹp 2 ngón có thể xoay) Thay vì kết cấu ống pít tơng thơng thường, bên trong chiếc xi lanh này còn cả một hệ thống bi trượt kết hợp những bánh răng rất nhỏ để thực hiện việc kẹp - nhả Đây là xi lanh có tác động kép (2 tác động) và khơng cần dầu bơi trơn Ứng dụng ngun liệu khí
2.2 Hệ thống điều khiển
* Hệ thống điều khiển bao gồm:
- Bộ điều khiển PLC S7-1200 - Các loại van điều khiển - Động cơ DC
- Cảm biến
- Thiết bị thu nhận ảnh
2.2.1 Bộ điều khiển PLC S7-1200
Mục tiêu của nhóm là một sản phẩm có khả năng điều khiển dễ dàng và linh hoạt, dễ thay đổi chức năng vận hành qua thiết bị lập trình, kết nối dễ dàng, tốc độ vận hành nhanh chóng vì thế cần một bộ điều khiển PLC đáp ứng đầy đủ các yêu cầu đã đề ra Bộ điều khiển PLC S7-1200 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 S7-1200 là khối xử lý trung tâm CPU (Central Processing Unit) 1211C
Hình 6: CPU 1211C
Trang 2322 - Bộ nhớ làm việc: 25kB - Bộ nhớ nạp: 1 MB - Bộ nhớ giữ lại: 2 kB - Kiểu số: 6 ngõ vào / 4 ngõ ra - Kiểu tương tự: 2 ngõ ra
- Kích thước ảnh tiến trình: 1024 byte ngõ vào (I) và 1024 byte ngõ ra (Q)
- Bộ nhớ bit (M): 4096 byte - Bảng tín hiệu:1
- Các module truyền thông: 3 (mở rộng về bên trái) - Các bộ đếm tốc độ cao: 3
- Đơn pha: 3 tại 100 kHz - Vuông pha: 3 tại 80 kHz - Các ngõ ra xung: 2
- Thẻ nhớ: Thẻ nhớ SIMATIC (tùy chọn)
- Thời gian lưu giữ đồng hồ thời gian thực: Thơng thường 10 ngày / ít nhất 6 ngày tại 400C
- PROFINET: 1 cổng truyền thông Ethernet - Tốc độ thực thi tính tốn thực: 18 μs/lệnh - Tốc độ thực thi Boolean: 0,1 μs/lệnh • Sơ đồ bề mặt PLC S7-1200 (CPU 1211C):
Trang 2423 ❖ Các đèn báo và công tắc trên PLC S7-1200 (CPU 1211C):
• Các đèn báo trên PLC S7-1200 (CPU 1211C):
- 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
- Q y.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
• Công tắc trên PLC S7-1200 (CPU 1211C):
- RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình trong bộ nhớ PLC S7-200 sẽ chuyển sang chế độ STOP nếu trong máy có sự cố, hoặc trong chương trình gặp lệnh STOP
- STOP: PLC dừng chương trình đang chạy và chuyển sang chế độ STOP Ở chế độ STOP, PLC cho phép hiệu chỉnh, nạp và xóa một chương trình - TERM: Cho phép người dùng từ máy tính điều khiển, chọn một trong hai
chế độ làm việc cho PLC hoặc RUN hoặc STOP ❖ Cổng truyền thơng:
Trang 2524
Hình 8: Module mở rộng của bộ lập trình PLC S7-1200
Hình 9: Vị trí đèn và cổng truyền thơng trên PLC S7-1200 (CPU 1211C)
Trang 2625 a) Van điện từ khí nén:
Van điện từ khí nén AIRTAC 3V210-08 là loại van khí nén 3/2 có ba cổng hai vị trí và một đầu coil điện, được điều khiển bằng điện, thường được dùng để điều khiển xy lanh khí nén
Hình 10: Van khí nén 3/2
- Kích thước các cổng: 1/4″ (ren 13) - Áp suất hoạt động: 0.15 – 0.8 MPa
- Loại van hơi: 3 cửa 2 vị trí (1 đầu coil điện) - Nhiệt độ hoạt động: -200 ~ 700C
- Xuất Xứ: AIRTAC (Đài Loan)
Hình 11: Cấu tạo van khí nén 3/2
Trang 2726
Hình 12: Van điện từ SMC 5/2
Hình 13: cấu tạo van điện từ SMC 5/2
Đặc điểm:
- Hoạt động chính xác, áp suất cao, tiết kiệm năng lượng, hiệu xuất cao, thời gian đáp ứng nhanh
- Solenoid valve 5/2 tác động điện từ đầu 14, đầu 12 tác động bằng lị xo, 5 cửa và 2 vị trí làm việc
- Áp suất tối đa: 0.7 Mpa - Điện áp van điện từ: 24 VDC c) Van hút chân khơng:
Trang 2827
Hình 14: Van hút chân khơng
d) Van tiết lưu
Hình 15: Van tiết lưu
Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dịng khí nén, có nghĩa là thay đổi vận tốc của cơ cấu chấp hành Nguyên lý làm việc của van tiết lưu là lưu lượng dòng chảy qua van phụ thuộc vào sự thay đổi tiết diện Van tiết lưu có tiết diện thay đổi làm lưu lượng dòng chảy qua van thay đổi được nhờ vào một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện của khe hở
2.2.3 Động cơ DC
Động cơ một chiều DC (DC là viết tắt của từ "Direct Current ") là Động cơ điều khiển bằng dịng có hướng xác định hay dễ hiểu hơn thì đây là loại động cơ chạy bằng nguồn điện áp DC - điện áp một chiều Đầu ra của đông cơ thường gồm hai dây DC motor là một động cơ một chiều với cơ năng quay liên tục
Trang 2928 BLDC thực chất là động cơ điện ba pha khơng đồng bộ Vì vậy mình chỉ xét động
cơ điện một chiều có chổi than
Hình 16: Động cơ DC
Hình 17: Mặt cắt ngang động cơ DC
Động cơ điện một chiều phân loại theo kích từ thành những loại sau: kích từ độc lập, kích từ song song, kích từ nối tiếp, kích từ hỗn hợp Cấu tạo gồm có ba phần chính: stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần cổ góp - chỉnh lưu
Trang 3029 Hình 19: Cấu tạo động cơ DC
Stator của động cơ điện một chiều thường là một hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu, hay nam châm điện
Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều
Bộ phận chỉnh lưu có nhiệm vụ là đổi chiều dịng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp
Hình 20: Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều
Nguyên lý hoạt động:
- Pha một: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor
- Pha hai: Rotor tiếp tục quay
- Pha ba: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha một
2.2.4 Cảm biến
a) Cảm biến từ Xy lanh:
Trang 3130 xoay, dạng cảm biến này là cảm biến từ, nhận tín hiệu nam châm được tích hợp trong xy lanh của SMC
Hình 21: Cảm biến từ Xy lanh Sensor SMC
Thông số cảm biến từ xy lanh Sensor SMC D-A93:
- Cảm biến thiết kế hơi đặc biệt có đi kèm connector M8 ba chân, đối với D-A93 thì chỉ xài 2 dây
- Sử dụng điện áp 24 VDC hoặc 100 VAC kiểu mắc tải nối tiếp 2 dây - Tích hợp led báo ngõ ra khi có tác động
- Tải sử dụng là relay hoặc PLC (công suất tải 5 – 40 mA) b) Cảm biến quang:
Cảm biến có chức năng phát hiện khoảng cách do sự phản quang ánh sáng hồng ngoại, khoảng cách phát hiện có thể điều chỉnh được theo yêu cầu Thiết bị có giá thành rẻ, dễ dàng lắp đặt, dễ sử dụng và có thể được sử dụng trong robot tránh ngại vật cản, nhận diện vật chuyển động và nhiều sản phẩm tự động hóa khác
Trang 3231
- Điện áp: 6 - 36 VDC - Dòng điện: 300 mA
- Phạm vi nhận biết: 3 -30 cm - Đường kính: 17 mm
- Chiều dài cảm biến: 8 cm • Kết nối:
- Dây màu nâu: 6 - 36V (khuyến cáo dùng 6 – 24 VDC) - Dây màu xanh dương: 0V
- Dây màu đen: Tín hiệu NPN thường mở (Tín hiệu ra bằng điện áp cấp nuôi cho cảm biến)
2.2.5 Thiết bị thu nhận ảnh
Đối với một hệ thống xử ảnh thì camera được xem như là con mắt của hệ thống Để cho hệ thống nhận diện được đúng màu sắc nhận dạng sản phẩm và độ phân giải ảnh đúng yêu cầu đề ra thì em đã chọn Webcam Dahua Z2+ trong đề tài nghiên cứu này
Hình 23: Webcam Dahua Z2+
Thơng số kĩ thuật:
- Kích thước: dài x rộng x cao = 79 x 31 x 38,5 (mm) - Độ phân giải: 720p HD
Trang 3332
CHƯƠNG III TÍNH TỐN THIẾT KẾ MƠ HÌNH HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO MÀU SẮC SỬ DỤNG TAY GẮP
3.1 Tính tốn thiết kế hệ thống cơ khí 3.1.1 Thiết kế cơ khí bằng Solidworks Thiết kế mơ hình tổng thể hệ thống cơ khí:
Hình 24: Mơ hình các bộ phận cơ khí
Các thành phần cơ khí bao gồm:
1 Cấp phơi băng tải: Có 1 ống chứa phơi và 1 xy lanh khí nén có nhiệm vụ đẩy đưa vào băng tải
2 Thiết bị thu nhận ảnh: Là 1 camera có nhiệm vụ thu nhận hình ảnh phơi và truyền tín hiệu hình ảnh cho bộ điều khiển PLC xử lý 3 Băng tải: Có nhiệm vụ đưa phơi di chuyển đi qua thiết bị thu nhận ảnh và
cảm biến đến tay gắp phân loại
4 Tay gắp: Có nhiệm vụ gắp phôi ra khoi băng tải và phân loại phôi theo màu sắc vào các khay chứa
5 Khay chứa phơi đã phân loại: Có nhiệm vụ chứa phơi sau khi đã phân loại
Thiết kế mơ hình từng bộ phận cơ khí
Trang 3433
Hình 25: Mơ hình băng tải
b) Thiết kế mơ hình cấp phơi cho băng tải:
Hình 26: Mơ hình cấp phơi
Trang 3534
Hình 27:Mơ hình tay gắp
Mơ hình 3D sau khi gá camera, động cơ, bộ truyền, mơ hình phơi vào băng tải đã thiết kế:
Hình 28: Mơ hình cơ khí hồn thiện
Trang 3635 Băng tải có nhiệm vụ dẫn sản phẩm đến dừng tại các vị trí định sẵn hoặc đưa sản phẩm về khay phân loại cuối băng tải
- Chọn tốc độ v = 0,1 (m/s)
- Đường kính rulo D = 40 (mm), đường kính trục 10(mm)
- Khối lượng băng tải: mrulo = 2,5 (kg) (bao gồm khối lượng của rulo , băng tải và phôi)
- Khối lượng phơi: mphơi = 0,5 (kg) • Tính tốn cơng suất động cơ:
Pdc: Cơng suất định mức động cơ
Pct: Công suất đẳng trị động cơ P cần thiết P: Công suất làm việc trên trục công tác
Ta có: Pdc ≥ Pct (3.1)
Hình 29: Sơ đồ tác động lực của động cơ
Ta có: F ≥ Fmsn > Fmsvới: Fms = Fmst+ FmslFms = mphôi g μ + mrulo g k (3.2) Trong đó: k = 1: hệ số ma sát lăn μ = 1: hệ số ma sát trượt Fms: lực ma sát Fmst: lực ma sát trượt Fmsl: lực ma sát lăn g = 9,8 (m/s2): gia tốc trọng trường
Thay vào công thức (3.2) ta được: Fms = 30 (N) (3.3)
Mặt khác: Pct = F.v
Trang 3736 Trong đó: F = Fms =30 (N)
v = 0,1(m/s)
Thay vào công thức (3.4) ta được: Pct = 3(W)
Ta có: P =Pct
N (3.5)
với N: Hiệu suất của hệ truyền động
Trong đó: N = ηbt ηol5 ηkn (3.6)
Tra bảng 2.3 Trị số hiệu suất các loại bộ truyền trong cuốn “Tính tốn thiết kế Hệ dẫn động cơ khí” của Trịnh Chất - Lê Văn Uyển, ta có:
ηbt = 0,75: Hiệu suất băng tải ηol = 0,995: Hiệu suất ổ lăn ηkn = 0,999: Hiệu suất khớp nối
Thay vào công thức (3.6) ta được: N = 0,73 (3.7)
Với N = 0,73 và Pct= 3(W) thay vào công thức (3.7) ta được: P = 4,2 (W)
• Xác định số vịng quay của rulơ và trục thứ cấp hộp giảm tốc:
Do động cơ và rulo của băng tải được kết nối với nhau bằng khớp nối cứng nên ta có:
ndc = nrl = 60.v
π.D (3.8)
Trong đó: ndc: số vòng quay của động cơ nrl: số vòng quay của rulo
Với v = 0,1 (m/s) và D = 0.04 (m) thay vào công thức (3.8) ta được: ndc = nrl = 48,4 (vịng/phút)
• Xác định momen: Mrl = Mdc = F.D
2 (3.9)
Trong đó: Mrl: Momen của rulo Mdc: Momen của động cơ
Trang 3837 {Plvđc = 4,2 (W)ndc = 48,4 (vịng/phútMdc = 6 (kg cm))
Nhóm đã chủ động tính tốn và chọn các động cơ có sẵn hộp giảm tốc được bán ngồi thị trường Đó chính là động cơ mã JM37-550 S550 Handson Technology
Bảng 1: Bảng thông số các loại động cơ
Trang 3938 • Băng tải:
Chọn băng tải có chất liệu vải, chiều dày 2 (mm), rộng 60 (mm), chiều dài có thể tiến hành cắt và nối khi tiến hành chế tạo thực
3.1.2.2 Tính tốn và lựa chọn xy lanh
• Xy lanh cấp phơi:
Mơ hình nhóm em lựa chọn sử dụng ống cấp phơi có thể chứa 4 phơi
Hình 30: Sơ đồ tác động lực của xy lanh khí nén tác động kép
Trong đó:
A1: Tiết diện mặt sau của piston (m2) A2: Tiết diện mặt trước của piston (m2) F1: Lực đẩy xy lanh (N)
F2: Lực đẩy xy lanh đi vào (N)
P: Áp suất khí nén đưa vào xy lanh (bar, N/m2) A3: Tiết diện trục xy lanh
Thông số dầu vào:
- Khối lượng phôi: m = 0,5 (kg)
- Hệ số ma sát của phơi với băng khay đựng phơi : µ = 0,45 - Hành trình của piston: 50 (mm)
Ta tính lực do piston tạo ra theo cơng thức sau: F = P.A (N) (3.10) trong đó:
Trang 4039 - xy lanh đi vào : A = A2
Chọn sơ bộ áp suất của hệ thống là 2 (bar) = 2.105 (N/m2) Để xy lanh có thể di chuyền được phơi thì:
F ≥ Fmsmax (3.11)
với: F: lực đẩy xy lanh
Fmsmax = µ m g (Lực ma sát cực đại) (3.12)
Do ống cấp phơi có 6 phơi chồng lên nhau nên:
Thay µ = 0,45 ; m = 3 (Kg) và g = 10 (m/s2) vào công thức (3.12) ta được:
Fmsmax = 13,2 (N) (3.13)
mặt khác:
F = P πD2
4 (3.14)
với D là đường kính piston:
D = √4F
P.π (3.15)
Thay F = 13,2 (N) và P = 2 (bar) vào công thức (3.15) ta được: D ≥ √4.13,2
2.105.π = 8,4.10−3 (m) (3.16) Vậy D ≥ 8,4 (mm)
Sau khi tham khảo nhóm em đã lựa chọn xy lanh khí nén SMC CDQSB16 - 125DCM