Nội dung đề tài Đề tài gồm có 5 nội dung chính: • Chương 1: Tổng quan • Chương 2: Cơ sở lí thuyết Giới thiệu một số hệ thống cân định lượng, trình bày các phương pháp đo chiều dài, chiều
TỔNG QUAN
Đặt vấn đề
Với địa hình thuận lợi cho việc trồng rừng và nguồn gỗ tự nhiên bền vững, gỗ ván ép là sự lựa chọn kinh tế lý tưởng Loại gỗ này không chỉ có tính năng chống thấm nước và kháng khuẩn mà còn có thể phủ bề mặt đa dạng, nâng cao giá trị thẩm mỹ cho sản phẩm Gỗ ván ép phù hợp với nhiều kiểu dáng thiết kế, đáp ứng nhu cầu sử dụng trong nội thất, xây dựng và các sản phẩm gỗ khác.
Trong những năm gần đây, sản xuất gỗ ván ép tại Việt Nam đã tăng trưởng mạnh, từ 1% lên 5% tổng thị phần thế giới, hiện đứng thứ 5 toàn cầu về xuất khẩu gỗ ván ép Việt Nam chỉ sau Trung Quốc (30% thị phần), Indonesia (11%), Nga (8%) và Malaysia (6%).
Xu hướng tiêu dùng toàn cầu đang chuyển hướng sang các vật liệu thân thiện với môi trường, bền bỉ và nhẹ, do đó, gỗ ván ép công nghiệp sẽ tiếp tục giữ vai trò quan trọng trong nền gỗ kỹ thuật hiện tại và trong tương lai.
Việt Nam đang đối mặt với thách thức trong việc phát triển bền vững nguồn gỗ và đảm bảo chất lượng sản phẩm trong quá trình sản xuất Để duy trì chất lượng gỗ ván, cần thiết phải có quy trình kiểm tra và giám sát nghiêm ngặt nhằm phát hiện lỗi sản phẩm Từ đó, việc đưa ra các giải pháp khắc phục phù hợp sẽ giúp nâng cao chất lượng và đáp ứng nhu cầu thị trường.
Mục tiêu
Nghiên cứu và thiết kế hệ thống kiểm tra khối lượng, chiều dài và chiều cao của phôi nhằm đảm bảo chất lượng sản phẩm Hệ thống này cũng hỗ trợ gắp hút và sắp xếp các sản phẩm đạt chuẩn, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình vận chuyển và bốc vác.
Mục tiêu ban đầu đề ra:
- Mô hình kiểm tra khối lượng, chiều cao, chiều dài sai số không quá 5%
- Sản phẩm sau khi kiểm tra phải được sắp xếp gọn gàng vào đúng vị trí, đúng số lượng
- Thời gian kiểm tra và sắp xếp nhanh
- Sử dụng những thiết bị chuẩn công nghiệp
- Mô hình phải an toàn, dễ sử dụng.
Giới hạn đề tài
• Mô hình được xây dựng để mô phỏng lại một trong những công đoạn của quy trình sản xuất ra một sản phẩm hoàn chỉnh
• Sai số hệ thống chỉ được xác định bằng phương pháp chạy thực tế và thống kê với quy mô nhỏ
Đề tài này tập trung vào việc thiết kế kiểm tra phôi gỗ có khối lượng và kích thước nhỏ, với trọng lượng vật cân đo dưới 10kg, chiều dài ngắn và chiều cao thấp.
Phương pháp nghiên cứu
Nhóm chúng em đã tham khảo các hệ thống kiểm tra sản phẩm chất lượng trên thị trường và thực hiện những cải tiến cần thiết Chúng em lựa chọn các thiết bị phù hợp để xây dựng một mô hình nhỏ, nhằm tối ưu hóa các công đoạn kiểm tra khác nhau.
Nội dung đề tài
Đề tài gồm có 5 nội dung chính:
• Chương 2: Cơ sở lí thuyết
Trong bài viết này, chúng tôi giới thiệu một số hệ thống cân định lượng và các phương pháp đo chiều dài, chiều cao Bên cạnh đó, chúng tôi cũng trình bày các hệ thống gắp sản phẩm cùng với những lý thuyết liên quan, giúp người đọc hiểu rõ hơn về các công nghệ và quy trình trong lĩnh vực này.
Chương 3 trình bày lý do lựa chọn giải pháp cân, đo chiều dài và chiều cao, cùng với cơ cấu gắp sản phẩm tự động nhằm tối ưu hóa quy trình sản xuất Nội dung bao gồm sơ đồ tổng quan của hệ thống, giải thuật thực hiện và bảng thiết kế chi tiết, giúp người đọc hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và hiệu quả của các giải pháp này.
• Chương 4: Thi công hệ thống
Trình bày quá trình thực hiện mô hình và các hình ảnh của mô hình
• Chương 5: Kết quả thu được và kết luận
Kết quả thực nghiệm đã được trình bày rõ ràng, cho phép phân tích và đánh giá so sánh với các mục tiêu ban đầu đã đề ra Bài viết nêu bật những ưu điểm và nhược điểm của hệ thống, đồng thời đưa ra những hướng phát triển nhằm cải tiến mô hình trong tương lai.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Giới thiệu chung
Chương 2 giới thiệu về một số hệ thống sử dụng cân định lượng, các phương pháp đo chiều dài, chiều cao, phương pháp gắp vật, các cảm biến cũng như các vấn đề liên quan đến công nghệ được áp dụng trong hệ thống.
Các hệ thống cân định lượng
2.2.1 Giới thiệu các hệ thống cân định lượng
Việc đo lường và kiểm soát khối lượng trong các nhà máy và xí nghiệp là rất quan trọng để đảm bảo hoạt động liên tục và hiệu quả Đo lường chính xác nguyên vật liệu trong bồn chứa và phễu trong dây chuyền sản xuất giúp nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Trước đây, các phương pháp đo lường như đo thể tích, đo mức, đo lưu lượng và đo bằng cân cơ học thường cồng kềnh và độ chính xác không cao.
Ngày nay, các hệ thống hiện đại yêu cầu độ chính xác cao và năng suất lớn, dẫn đến sự phát triển của các cân điện tử sử dụng loadcell Các loại hệ thống cân phổ biến bao gồm cân bồn, cân băng tải, cân phễu và cân cơ bán điện tử Những thiết bị này không chỉ kết nối hiệu quả với các thiết bị khác trong quá trình sản xuất mà còn đảm bảo tính chính xác trong việc đo lường.
Hình 2 1: Các hệ thống cân định lượng
Cân tĩnh là khái niệm mô tả hệ thống trong đó các vật thể đứng yên hoặc di chuyển với vận tốc không thay đổi Trạng thái cân bằng của hệ thống được duy trì khi tất cả các lực tác động lên nó được cân bằng lẫn nhau.
• Ưu điểm của cân tĩnh:
Khi vật được đặt lên cân trong trạng thái tĩnh, kết quả đo lường sẽ đạt độ chính xác cao, đảm bảo tính đáng tin cậy của thông tin.
Cân tĩnh có thiết kế đơn giản, giúp người dùng dễ dàng sử dụng Chỉ cần đặt vật cần đo lên cân và đọc kết quả trên màn hình hiển thị mà không cần kết nối với thiết bị phụ trợ hay thực hiện cài đặt phức tạp.
Cân tĩnh có giá thành thấp hơn so với cân động và các loại cân phức tạp khác, khiến nó trở thành lựa chọn kinh tế lý tưởng cho các ứng dụng đo lường trọng lượng cơ bản.
Cân tĩnh mang lại sự ổn định cao và ít bị tác động bởi các yếu tố bên ngoài như rung động hay biến đổi nhiệt độ, tạo điều kiện lý tưởng cho việc đo lường trọng lượng chính xác.
• Nhược điểm của cân tĩnh:
Để đạt được độ chính xác cao trong việc cân tĩnh, vật liệu đặt lên cân cần phải phẳng và ổn định Bất kỳ sự chênh lệch hoặc biến đổi không đều nào trên bề mặt vật liệu đều có thể ảnh hưởng đến kết quả đo lường.
- Khả năng đo giới hạn: Cân tĩnh có giới hạn trọng lượng tối đa mà nó có thể đo
- Không thích hợp cho đo lường động: Cân tĩnh không thích hợp cho các ứng dụng đo lường trong quá trình chuyển động hoặc đo lường liên tục
Cân động là thuật ngữ chỉ một hệ thống trong đó các vật thể thay đổi vị trí hoặc vận tốc theo thời gian Hệ thống này có trạng thái không ổn định và thường xuyên biến đổi theo các quy luật vật lý nhất định.
Cân động cho phép đo lường trọng lượng liên tục trong khi vật đang di chuyển, điều này rất quan trọng trong các ứng dụng sản xuất và vận chuyển yêu cầu theo dõi trọng lượng một cách chính xác trong suốt quá trình.
Cân động được thiết kế với cấu trúc chịu lực và chống rung, đảm bảo độ chính xác cao trong việc đo trọng lượng, ngay cả khi có chuyển động và rung động.
Cân động có khả năng đo lường trọng lượng nhanh chóng và hiệu quả trong quá trình di chuyển, đáp ứng tốt nhu cầu của các quy trình sản xuất yêu cầu tốc độ cao.
• Nhược điểm của cân động:
Cân động thường yêu cầu thiết bị phức tạp và kết nối với các thiết bị chuyên dụng, đòi hỏi quá trình cài đặt và hiệu chỉnh tỉ mỉ Việc này không chỉ cần kiến thức chuyên môn mà còn có thể gây tốn kém về chi phí.
- Chi phí cao: So với cân tĩnh, cân động có thể có giá thành cao hơn do yêu cầu kỹ thuật và công nghệ phức tạp hơn.
Các phương pháp đo chiều dài, chiều cao
2.3.1 Phương pháp đo chiều dài, chiều cao thủ công
Phương pháp đo chiều dài và chiều cao thủ công sử dụng thước để đo trực tiếp sản phẩm, phù hợp cho các cơ sở kinh doanh nhỏ và quy mô sản xuất hộ gia đình.
Hình 2 4: Đo chiều dài thủ công
• Ưu điểm: tiện lợi, đơn giản, chi phí đầu tư thấp
• Nhược điểm: sử dụng sức lao động người nên tốc độ lâu, độ chính xác không cao, không có tính tự động
2.3.2 Phương pháp đo chiều dài, chiều cao bằng cảm biến đo
Phương pháp đo sản phẩm trên dây chuyền công nghiệp sử dụng cảm biến để phát hiện sản phẩm và gửi tín hiệu về bộ điều khiển Bộ điều khiển sẽ điều chỉnh các cơ cấu chấp hành dựa trên tín hiệu nhận được Hiện nay, có nhiều loại cảm biến đo khoảng cách được áp dụng cho các ứng dụng đo chiều dài và chiều cao khác nhau.
Cảm biến vạch quang (Optical sensor) sử dụng ánh sáng để đo khoảng cách bằng cách phát ra tia laser hoặc ánh sáng tới đối tượng cần đo Sau đó, cảm biến sẽ đo thời gian mà tia sáng mất để quay trở lại, từ đó tính toán khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng một cách chính xác.
Cảm biến siêu âm là thiết bị sử dụng sóng siêu âm để đo khoảng cách bằng cách phát tín hiệu sóng siêu âm và ghi nhận thời gian sóng phản xạ trở lại Dựa vào thời gian này, cảm biến có khả năng tính toán khoảng cách giữa cảm biến và đối tượng một cách chính xác.
Cảm biến điện dung là thiết bị sử dụng nguyên lý điện dung để đo khoảng cách Nó tạo ra một trường điện xung quanh và ghi nhận sự thay đổi trong trường điện khi có vật cản xuất hiện gần cảm biến.
Sự thay đổi này được chuyển đổi thành một tín hiệu điện để xác định khoảng cách
Cảm biến gia tốc (Accelerometer) là một thiết bị có khả năng đo chiều dài trong một số tình huống nhất định Nó hoạt động bằng cách đo gia tốc của đối tượng và sử dụng các phương trình vật lý để tính toán khoảng cách.
• Encoder: dùng để đo chiều dài khoảng cách của các vật thể, thông qua bộ phát xung biến đổi thành chiều dài
Hình 2 5: Cảm biến đo chiều dài và cảm biến đo chiều cao Ưu điểm:
Cảm biến đo mang lại độ chính xác cao và đáng tin cậy trong việc xác định khoảng cách và vị trí của các đối tượng.
Đo lường không tiếp xúc sử dụng cảm biến để thực hiện phép đo mà không cần tiếp xúc trực tiếp với đối tượng Phương pháp này giúp giảm thiểu các vấn đề như hao mòn thiết bị và không gây ảnh hưởng đến đối tượng được đo.
Cảm biến đo nhanh có khả năng thu thập dữ liệu trong thời gian ngắn, giúp phản ứng kịp thời với sự thay đổi của đối tượng đo.
Có nhiều loại cảm biến đa dạng như cảm biến vạch quang, cảm biến siêu âm, cảm biến điện dung và cảm biến gia tốc, giúp người dùng dễ dàng lựa chọn phù hợp với nhiều ứng dụng và môi trường khác nhau.
Mỗi loại cảm biến đo lường đều có giới hạn khoảng cách nhất định Khi vượt qua giới hạn này, kết quả đo có thể bị sai số hoặc thậm chí không thể thực hiện được.
Môi trường xung quanh có tác động lớn đến hiệu suất của cảm biến đo Các yếu tố như sự phản xạ ánh sáng và sóng siêu âm từ các vật cản có thể dẫn đến sai số trong quá trình đo lường.
Giá thành của cảm biến đo có thể dao động, với một số loại có chi phí cao, đặc biệt là những cảm biến chuyên dụng được thiết kế với độ chính xác cao và tính năng đặc biệt.
Độ ổn định của cảm biến là một yếu tố quan trọng, vì nhiều cảm biến có thể bị ảnh hưởng bởi các yếu tố môi trường như nhiệt độ, độ ẩm và rung động, dẫn đến sự không ổn định trong quá trình đo lường.
2.3.3 Phương pháp đo chiều dài, chiều cao bằng xử lí ảnh Đo chiều dài hoặc chiều cao bằng xử lý ảnh là một phương pháp phổ biến được sử dụng trong các ứng dụng công nghệ thông tin và thị giác máy tính Phương pháp này thường sử dụng các thuật toán xử lý ảnh để phân tích và đo lường thông qua hình ảnh của đối tượng
Các phương pháp gắp vật
2.4.1 Gắp vật bằng tay kẹp
Tay kẹp là một phương pháp hiệu quả để gắp vật, với nhiều loại như tay kẹp khí nén, tay kẹp điện và tay kẹp hút chân không Thiết bị này có khả năng điều khiển để mở và đóng, giúp nắm và giữ vật một cách chắc chắn.
Tay kẹp khí nén là thiết bị cơ khí sử dụng áp suất khí nén để tạo ra chuyển động kẹp Thiết bị này được thiết kế như một chiếc kẹp có khả năng mở và đóng, giúp giữ chặt các vật thể cụ thể Xi lanh khí nén hoạt động bằng cách nhận khí nén từ bình tích áp qua ống dẫn khí Khi khí nén được cung cấp vào xi lanh, áp suất tăng lên, đẩy piston di chuyển lên hoặc xuống Qua cơ cấu truyền động bên trong, chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển đổi thành chuyển động kẹp của hai thanh kẹp trên đầu xi lanh.
Hình 2 7: Tay kẹp khí nén
• Ưu điểm: giá thành rẻ, lục gắp lớn, khả năng hoạt động trong không gian hẹp và thời gian phản hồi nhanh
• Nhược điểm: hoạt động riêng lẻ, khả năng điều khiển vị trí và lực có giới hạn, phải có thiết bị nén khí mới hoạt động được
Tay kẹp điện, hay còn gọi là bộ kẹp điện servo, sử dụng động cơ điện để điều khiển hoạt động của tay kẹp Thiết bị này được trang bị bộ vi xử lý và cảm biến lực, cho phép điều chỉnh lực và tốc độ kẹp phù hợp với nhiều loại bộ phận khác nhau.
• Ưu điểm của tay kẹp điện:
Tay kẹp điện mang đến sự linh hoạt và đa năng, cho phép điều chỉnh và lập trình để nắm giữ nhiều loại vật liệu khác nhau, từ nhẹ đến nặng và từ mềm đến cứng.
- Độ chính xác và lực kẹp điều chỉnh: Tay kẹp điện thường được điều khiển bằng điện, cho phép điều chỉnh độ chặt và lực kẹp dễ dàng
Tay kẹp điện được thiết kế với các tính năng an toàn như cảm biến lực và cảm biến áp suất, giúp ngăn ngừa hỏng hóc vật liệu và bảo vệ sức khỏe của nhân viên.
Tay kẹp điện có những giới hạn trong việc nắm giữ các vật liệu đặc biệt, đặc biệt là các vật liệu trơn, nhớp hoặc không đồng nhất.
Tay kẹp điện thường có giá thành cao hơn so với tay kẹp cơ khí thông thường, dẫn đến việc tăng chi phí đầu tư ban đầu khi triển khai hệ thống tự động hóa.
2.4.2 Gắp vật bằng nam châm điện
Phương pháp này áp dụng từ trường điện để tạo ra lực hút, giúp nắm giữ vật thể Bằng cách đặt một cực từ gần vật, lực hút từ trường điện sẽ giữ chặt vật đó.
Hình 2 9: Gắp vật bằng nam châm diện
• Ưu điểm của gắp vật bằng nam châm điện:
Nam châm điện có khả năng tạo ra lực từ mạnh, cho phép nắm chặt và giữ các vật liệu từ sắt hoặc thép Điều này không chỉ đảm bảo an toàn mà còn tăng cường sự ổn định trong quá trình vận chuyển.
Nam châm điện cho phép điều khiển linh hoạt lực từ, giúp điều chỉnh độ bám và giải phóng vật một cách hiệu quả Điều này mang lại khả năng nắm và thả các vật khác nhau một cách dễ dàng, tăng cường tính linh hoạt trong các ứng dụng công nghiệp và công nghệ.
Sử dụng nam châm điện để gắp vật không cần các khối cơ khí phức tạp như tay cầm hay kẹp, giúp giảm chi phí bảo trì và hạn chế hao mòn của các bộ phận cơ khí.
• Nhược điểm của gắp vật bằng nam châm điện:
Gắp vật bằng nam châm điện chỉ hiệu quả với các vật liệu dẫn điện như sắt, thép và kim loại từ Những vật liệu không dẫn điện hoặc có tính dẫn điện yếu sẽ không được nam châm điện nắm chặt.
Nam châm điện có giới hạn tải trọng tối đa mà nó có thể giữ chặt, và việc vượt quá tải trọng này có thể dẫn đến mất lực từ, gây ra nguy cơ mất an toàn và hư hỏng thiết bị.
Các cơ sở lí thuyết liên quan
Cảm biến loadcell là thiết bị dùng để đo lực tác động hoặc trọng lượng, phổ biến trong các hệ thống cân điện tử và công nghiệp Khi lực được áp dụng, các thành phần bên trong cảm biến biến dạng, dẫn đến thay đổi điện trở hoặc đặc tính điện Những thay đổi này được đo và chuyển đổi thành tín hiệu điện tử, thường là tín hiệu analog hoặc kỹ thuật số, phản ánh trọng lượng hoặc lực tác động đang được đo.
Một loadcell bao gồm các strain gauges gắn trên bề mặt của thân loadcell, được làm từ kim loại đàn hồi Tùy thuộc vào loại loadcell và mục đích sử dụng, thân loadcell có thiết kế hình dạng đặc biệt và được chế tạo từ các vật liệu kim loại khác nhau.
Cảm biến lực được cấu tạo chủ yếu từ một sợi dây kim loại mảnh, được đặt trên một tấm cách điện đàn hồi Khi có lực tác động lên dây kim loại, điện trở của nó sẽ thay đổi.
➢ Khi bị lực nén→Chiều dài strain gauge giảm → R giảm
➢ Khi bị kéo dãn→ Chiều dài strain gauge tăng→ R tăng
Hình 2 10: Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động
Mạch cầu Wheatstone được sử dụng để chuyển đổi sự thay đổi tỷ lệ giữa lực căng và trở kháng thành điện áp tương ứng với tải Sự thay đổi điện áp này rất nhỏ, vì vậy nó cần được đo và chuyển đổi thành số liệu sau khi đi qua bộ khuếch đại của các bộ chỉ thị cân điện tử.
Bốn strain gauges được kết nối thành một cầu điện trở Wheatstone và dán vào bề mặt của thân loadcell Điện áp kích thích, thường là 10 V, được cấp vào mạch cầu tại hai điểm A và C, trong khi điện áp đầu ra được đo tại hai điểm B và D Ở trạng thái cân bằng (không tải), điện áp ra gần bằng không khi các điện trở được gắn phù hợp Khi có tải trọng tác động lên loadcell, thân loadcell sẽ bị biến dạng, dẫn đến sự thay đổi chiều dài và tiết diện của các sợi kim loại trong strain gauges, từ đó thay đổi giá trị của các điện trở này Sự thay đổi này tạo ra một điện áp đầu ra rất nhỏ (khoảng 20mV khi full tải), cần được khuếch đại lên 0 – 5 V để có thể đo và số hóa.
Cảm biến quang (Photoelectric Sensor) là thiết bị gồm các linh kiện quang điện, hoạt động dựa trên sự thay đổi trạng thái khi tiếp xúc với ánh sáng Thiết bị này sử dụng ánh sáng phát ra từ bộ phận phát để nhận diện sự hiện diện của vật thể Khi có sự thay đổi ở bộ phận thu, mạch điều khiển sẽ phát tín hiệu tại ngõ OUT.
Cảm biến quang thường bao gồm ba bộ phận chính: bộ phận phát sáng, bộ phận thu sáng và mạch xử lý tín hiệu đầu ra.
Hình 2 12: Cấu tạo cảm biến quang điện
Cảm biến quang thường sử dụng phototransistor, hay còn gọi là tranzito quang, để nhận diện ánh sáng và chuyển đổi thành tín hiệu điện tỉ lệ Nhiều loại cảm biến hiện nay áp dụng mạch tích hợp chuyên dụng ASIC (Application Specific Integrated Circuit), cho phép tích hợp tất cả các bộ phận quang, khuếch đại, mạch xử lý và chức năng vào một vi mạch duy nhất Bộ phận thu có khả năng nhận ánh sáng trực tiếp từ bộ phát trong trường hợp thu-phát, hoặc ánh sáng phản xạ từ vật thể được phát hiện trong trường hợp phản xạ khuếch tán.
Các cảm biến quang thường sử dụng đèn LED bán dẫn, với ánh sáng phát ra dưới dạng xung, giúp phân biệt giữa ánh sáng của cảm biến và các nguồn sáng khác như ánh nắng mặt trời Các loại LED phổ biến bao gồm LED đỏ, LED hồng ngoại và LED laser, trong khi một số cảm biến đặc biệt sử dụng LED trắng hoặc xanh lá, và đôi khi là LED vàng.
• Mạch xử lí tín hiệu đầu ra
Mạch đầu ra của cảm biến quang chuyển tín hiệu tỉ lệ từ tranzito quang thành tín hiệu ON/OFF được khuếch đại Khi ánh sáng thu được vượt quá ngưỡng xác định, tín hiệu ra sẽ được kích hoạt Mặc dù cảm biến thế hệ trước thường tích hợp mạch nguồn và sử dụng tiếp điểm rơ-le, hiện nay, cảm biến chủ yếu sử dụng tín hiệu ra bán dẫn (PNP/NPN) Một số cảm biến quang còn cung cấp tín hiệu tỉ lệ để phục vụ cho ứng dụng đo đếm.
2.5.3 Cảm biến đo chiều cao
Cảm biến laser là thiết bị đo lường chính xác các đại lượng vật lý như độ dài, lưu lượng và tốc độ Với bộ chuyển đổi quang điện tích hợp, tín hiệu quang từ cảm biến được chuyển đổi thành tín hiệu điện để xử lý Qua các bước lọc, khuếch đại và chỉnh lưu, tín hiệu đầu ra được chuyển đổi thành các giá trị đo dễ hiểu cho người dùng.
Cảm biến laser bao gồm vỏ thô, bộ hình ảnh tuyến tính và bộ phát tia laser chính xác, cho phép hoạt động độc lập mà không cần bộ điều khiển bên ngoài Cảm biến có khả năng làm việc ở nhiều vị trí khác nhau và việc thay đổi cấu hình có thể thực hiện dễ dàng qua các công cụ phần mềm đa dạng.
Cảm biến sử dụng nguyên lý tam giác quang học của máy ảnh tuyến tính để xác định khoảng cách đến đối tượng mục tiêu Ánh sáng qua thấu kính sẽ chiếu đến mục tiêu, sau đó bị phản xạ và quay trở lại cảm biến Tại đây, chùm tia sáng được hội tụ tại một điểm trên cảm biến CMOS Khoảng cách đến đối tượng được tính toán dựa trên sự thay đổi của góc phản xạ.
Cảm biến laser này lý tưởng cho các ứng dụng đo khoảng cách ngắn từ 1.5 đến 60 cm, sử dụng công nghệ CMOS để đảm bảo độ chính xác cao.
2.5.4 Cảm biến đo chiều dài sử dụng mã hóa encoder
Encoder chuyển đổi vị trí hoặc chuyển động của trục thành tín hiệu đầu ra analog hoặc kỹ thuật số Thiết bị này được sử dụng để phát hiện vị trí, hướng di chuyển và tốc độ của động cơ thông qua việc đếm số vòng quay của trục.
➢ 1 đĩa quay có khoét lỗ gắn vào trục động cơ
➢ 1 đèn led dùng làm nguồn phát sáng
➢ 1 mắt thu quang điện được sắp xếp thẳng hàng
➢ Bảng mạch điện giúp khuếch đại tín hiệu
Hình 2 14: Cấu tạo của encoder
THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu chung của hệ thống
Mô hình phải đáp ứng được những tiêu chí sau:
• Vận hành ổn định với tốc độ cao
• Đảm bảo an toàn cho người vận hành
• Loại bỏ sản phẩm lỗi và sắp xếp những sản phẩm đạt chuẩn
Quy trình công nghệ kiểm tra cân nặng, chiều dài, chiều cao và hệ thống sắp xếp phôi gỗ
Hệ thống kiểm tra chất lượng gỗ sử dụng các thiết bị đo chiều dài, chiều cao và khối lượng để phân tích sản phẩm đạt chuẩn Phôi gỗ được cấp vào tự động và trải qua quá trình kiểm tra chất lượng về khối lượng, chiều cao và chiều dài Dữ liệu sau đó được truyền về PLC để xử lý Nếu sản phẩm đạt tiêu chuẩn, nó sẽ được hút bởi nam châm điện và sắp xếp vào thùng hàng theo cột với số lượng mong muốn.
Những lợi ích của hệ thống tự động trên:
• Giảm thiểu sức lao động
• Dễ dàng kiểm soát chất lượng
• Nâng cao năng suất lao động.
Sơ đồ tổng quan
Hình 3 1: Sơ đồ tổng quan Trong đó:
• Khối nguồn: gồm có nguồn 24V DC
• Khối điều khiển: PLC: nhận tín hiệu từ các cảm biến, xuất tín hiệu ngõ ra
• Khối phản hồi: gồm các cảm biến, encoder
• Khối chấp hành: gồm các động cơ, băng tải, đèn báo, nam châm.
Tính toán thiết kế hệ thống
Mô hình tích hợp 2 PLC giao tiếp truyền thông Ethernet, một con đóng vai trò là Master và Slave với hai phần chính là: cơ khí và phần điện.
Sản phẩm cần kiểm tra là phôi gỗ được gia công với tấm kim loại trên bề mặt, mô phỏng sản phẩm gỗ đã qua gia công Kích thước tiêu chuẩn cần kiểm tra bao gồm chiều dài từ 86 đến 92 mm, trọng lượng từ 105 đến 111 g, và chiều cao từ 18 đến 20 mm.
Hình 3 2: Phôi gỗ đã được gia công Ứng dụng của sản phẩm:
Gỗ có bề mặt phủ sắt được sử dụng phổ biến trong xây dựng nhờ khả năng tạo ra các vật liệu chống cháy và chống ẩm Việc gia công sắt trên bề mặt gỗ không chỉ tăng cường độ cứng mà còn giúp cải thiện khả năng chống cháy và ngăn ngừa mất nước hiệu quả.
Cầu thang và lan can làm từ gỗ phủ sắt không chỉ mang lại độ bền chắc cho cấu trúc mà còn tạo nên vẻ đẹp hiện đại và sang trọng trong thiết kế nội thất.
Các sản phẩm nội thất từ gỗ phủ sắt bao gồm bàn, ghế, tủ và đèn, mang đến sự kết hợp độc đáo giữa gỗ và sắt Sự tương phản này không chỉ tạo nên nét thẩm mỹ đặc biệt mà còn thể hiện sự hòa quyện giữa hai chất liệu.
Tranh treo tường từ gỗ phủ sắt là một lựa chọn độc đáo, cho phép tạo ra các tác phẩm 3D với chi tiết sống động Vật liệu này không chỉ mang lại vẻ đẹp thẩm mỹ mà còn phản ánh ánh sáng và màu sắc đa dạng, làm nổi bật không gian trang trí.
Gỗ có sắt trên bề mặt là một vật liệu xây dựng độc đáo, có thể được sử dụng để tạo ra các tấm che nắng, cánh cửa và vách ngăn Sự kết hợp giữa gỗ và sắt không chỉ mang lại độ bền cho công trình mà còn tạo nên vẻ đẹp và sự khác biệt, góp phần nâng cao giá trị thẩm mỹ cho các công trình xây dựng.
3.4.2 Lựa chọn phương pháp cân
Chúng em lựa chọn cân tĩnh vì:
• Thời gian cân nhanh hơn là cân động
• Hệ thống cân đơn giản, dễ dàng hơn cân động
• Giá thành thấp và dễ tìm kiếm
Một nhược điểm của kết nối analog với PLC là dễ bị nhiễu Để khắc phục vấn đề này, chúng tôi đã quyết định sử dụng giao tiếp RS485 thay thế cho kết nối analog.
RS485 là một giao thức truyền thông được thiết kế đặc biệt để chống lại nhiễu điện từ và nhiễu tín hiệu Với độ chính xác cao, RS485 không chỉ phát hiện mà còn sửa chữa các lỗi trong quá trình truyền thông, đảm bảo hiệu suất truyền tải dữ liệu ổn định và tin cậy.
RS485 là phương thức truyền dữ liệu sử dụng tín hiệu đối xứng (differential signaling) qua cặp dây d+ và d- Phương pháp này cho phép so sánh sự khác biệt điện áp giữa hai dây, giúp giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ lên tín hiệu truyền.
3.4.3 Lựa chọn phương pháp đo chiều dài, chiều cao
Nhóm quyết định lựa chọn phương pháp đo chiều dài bằng cách sử dụng cảm biến thu phát kết hợp với xung encoder và cảm biến lazer để đo chiều cao.
Cảm biến được thiết kế với độ chính xác cao, cho phép đo chiều cao và chiều dài một cách chính xác hơn so với phương pháp thủ công Những cảm biến nhạy bén này đảm bảo độ tin cậy và chính xác của kết quả đo.
Cảm biến tự động và nhanh chóng đo chiều cao và chiều dài, ghi nhận thông tin và tính toán kết quả ngay lập tức Phương pháp này giúp tiết kiệm thời gian và công sức so với cách đo thủ công truyền thống.
Phương pháp đo lường bằng cảm biến không phụ thuộc vào con người, đảm bảo tính nhất quán và độ chính xác trong quá trình đo Điều này rất hữu ích trong việc đo lường lượng lớn đối tượng hoặc trong các ứng dụng yêu cầu mức độ tự động hóa cao.
3.4.4 Lựa chọn phương pháp gắp vật Ở đây nhóm em dùng hệ thống 3 trục xyz và nam châm điện để có thể gắp và xếp vật vào hộp chứa phôi
Hình 3 3: Cơ cấu 3 trục xyz Ưu điểm:
Nam châm điện sở hữu độ bám chắc chắn nhờ vào khả năng tạo ra lực hút mạnh mẽ, giúp tay gắp giữ vật một cách an toàn và tin cậy Điều này đặc biệt quan trọng khi di chuyển các vật có bề mặt phẳng từ tính, đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
Hệ thống tay gắp ba trục với nam châm có khả năng điều khiển từ xa, cho phép người dùng thực hiện việc cầm nắm và di chuyển các vật thể ở những vị trí khó tiếp cận hoặc nguy hiểm cho con người Việc sử dụng các hệ thống điều khiển hoặc robot giúp nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong quá trình vận hành.
Thiết kế sơ đồ điện của hệ thống
Sơ đồ kết nối nguồn của hệ thống
Ho va ten Ky Ngay
BAN VE NGUON CAP HE THONG
Nguyen Hoang Hai Ho Chi Minh City University of
Q0.6/PLC_1 DONG CO BANG TAI SPEED CONTROLLER
Hình 3 25: Sơ đồ kết nối nguồn của hệ thống
Sơ đồ kết nối với PLC 1
Tx Rx CM 1241 RS 422 /4 85 X 20: RS 422 /4 85
I0 6 /P L C _1 Q0 2 /P L C _1 Q0 1 /P L C _1 Q0 0 /P L C _1 DO AN TOT NG H IE P C n ang G VHD T Ke M SS V
T y le: T o: S o to: N guyen H oang Hai Ho C hi M in h C ity U ni ve rs ity o f T ec hn olo gy an d E du ca tio n
Hình 3 26: Sơ đồ kết nối với PLC 1
Sơ đồ kết nối với PLC 2
DO AN TOT NG H IE P C n ang G VHD T Ke M SS V
T y le: T o: S o to: N guyen H oang Hai Ho C h i M in h C ity U ni ve rs it y of T ec h n o lo g y an d E du ca ti on
Sơ đồ kết nối cảm biến
H o va t en Ky N ga y B A N V E M A C H KE T N O I C A M B IE N
T y le : T o: Ng u ye n H o an g H ai H o C hi M in h C it y U ni ve rs it y of T ech no lo gy an d E du cat io n
P hu ng S on T ha nh 1 91 51 21 9
24 V 0V Red Bl ack G reen W hi te LOAD-CELL
Hình 3 28: Sơ dồ kết nối cảm biến
Sơ đồ kết nối mạch driver
DO AN TOT N G H IE P C n ang GVHD T K e M S S V
H o va te n Ky N ga y BA N V E K ET N O I D RI V ER SE R V O
T y le : To : Ng uy en Ho an g H ai H o C hi M inh C it y U ni ve rs ity of Te chn ol og y a nd E duc ati on
Phu ng Son Th an h 19151219
C O M + P U L + P U L - S IG + S IG - M OM E N ON SE R C O M -
C O M + P U L + P U L - S IG + S IG - M OM E N ON SE R C O M -
C O M + P U L + P U L - S IG + S IG - M OM E N ON SE R C O M - C O M + P U L + P U L - S IG + S IG - M OM E N ON SE R C O M -
C O M + P U L + P U L - S IG + S IG - M OM E N ON SE R C O M -
Thiết kế mô hình trên SolidWorks
Mô hình tổng quan hệ thống
Hình 3 30: Mô hình tổng quan hệ thống
Ho va ten Ky Ngay
BAN VE LAP MO HINH
Nguyen Hoang Hai Ho Chi Minh City University of Technology and Education
Hình 3 31: Bản vẽ mô hình
Lưu đồ giải thuật điều khiển
Hình 3 32: Lưu đồ giải thuật điều khiển
Khi bắt đầu quá trình, các thông số như biến tạm, số lượng sản phẩm đếm, vị trí ban đầu của động cơ đẩy phôi và cơ cấu chấp hành gắp vật sẽ được thiết lập về trạng thái home, trong khi các thông số khác sẽ được reset về mặc định.
Khi nhấn start hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động như sau:
• Bước 1: Cho hệ thống hoạt động và đèn báo sáng
• Bước 2: Cảm biến cấp phôi hoạt động: nếu có phôi thì động cơ 1 xoay góc
90 độ, tiếp theo động cơ 2 di chuyển tịnh tiến để đẩy sản phẩm đến bàn cân chở cân và laser đo chiều cao
Sau khi hoàn tất việc cân và đo chiều cao, động cơ 2 sẽ đẩy phôi ra băng tải Khi băng tải hoạt động, động cơ 1 sẽ xoay 90 độ về vị trí ban đầu, sau đó động cơ 2 sẽ di chuyển trở lại vị trí khởi đầu để tiếp tục chu trình.
• Bước 4: Sau khi phôi được đưa vào băng tải cho đến khi cảm biến phát hiện vật thì bắt đầu đọc số xung encoder để đo chiều dài
Bước 5: Ba giá trị sẽ được gửi đến PLC để thực hiện so sánh với các điều kiện đã được thiết lập Điều kiện chuẩn bao gồm khối lượng 108 g, chiều dài 89 mm, chiều cao 19 mm, với sai số cho phép là 3%.
18 mm ≤ chieu cao ≤ 20 mm là khoảng so sánh chuẩn
Nếu sản phẩm đáp ứng ba tiêu chí đã đề ra, băng tải sẽ dừng lại tại vị trí chờ và cơ cấu chấp hành sẽ tiến hành hút vật Ngược lại, với sản phẩm bị lỗi, băng tải sẽ tiếp tục hoạt động cho đến khi sản phẩm rơi vào thùng chứa sản phẩm lỗi Chu trình này sẽ diễn ra liên tục khi có sự sắp xếp hợp lý.
3 cột một cột 3 sản phẩm
• Bước 6: vòng lặp sẽ tiếp tục cho đến khi hết phôi hoặc nhấn nút Stop
CHƯƠNG 4: THI CÔNG HỆ THỐNG
Phần cứng
Bảng 4 1: Danh sách thiết bị phần cứng
STT Tên thiết bị Số lượng
1 PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0 2
3 Module truyền thông CM1214 ES7 241-1CH32-0XB0 1
4 Động cơ Servo Driver Panasonic MADDT1205 5
5 Động cơ kéo băng tải AC 1 pha S6I06GB-V12 1
7 Bộ nguồn CP SNT 500W 24VDC 20A 1
12 Cảm biến quang Sick Wtb4S-3N1361 2
13 Cảm biến Micro Laser Panasonic 1
14 Bộ truyền động dây đai 2
18 Bộ điều khiển tốc độ SPG 1
Hình ảnh các chi tiết, cơ cấu có trong mô hình
Hình 4 1: Cơ cấu cấp phôi tự động
Hình 4 4: Cân loadcell đặt dưới bàn cân
Hình 4 5: Cơ cấu đo chiều dài
Hình 4 6: Cơ cấu đo chiều cao
Hình 4 7: Cơ cấu 3 trục xyz
Hình 4 8: Cơ cấu hút vật
Hình 4 12: Toàn bộ mô hình