đồ án môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài thiết kế hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tửCHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM1.1 Khái niệm và ứng dụngHệ thống phân loại là một giải pháp công nghiệp thay thế con người thực hiện cáck

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘIViện cơ khí

Bộ môn cơ điện tử -* -

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển phân loại sản phẩm

Mã học phần:

Sinh viên thực hiện:Nguyễn Hoài Nam

Hà Nội, tháng 7, năm 2022

Trang 2

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử

113Equation Chapter 3 Section 1TRƯỜNGĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

SME.EDU - Mẫu 6.a

Bộ môn Cơ sở Thiết kế máy & RôbốtNăm học: 2021 - 2022

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬMã HP: ME5512

Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK01-20

Ngày giao nhiệm vụ: …./…/2022; Ngày hoàn thành: …/…/2022

Họ và tên sv: Nguyễn Hoài Nam MSSV: 20184556 Mã lớp: Chữ ký SV: ……Ngày …/…/2022

ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN

Ts Nguyễn Xuân Thuận

I.Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống điều khiển hệ thống phân loại sản phẩmII Số liệu cho trước:

1 Hệ thống cấp phôi tự động

2 Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: Khí nén3 Nguồn lực quay băng tải: Động cơ điện4 Bộ truyền ngoài: Xích

5 Thông số hình học phôi:

 Hình lập phương: = 3 cm, h1h2 = 4 cm, =15 cmh3

 Hình trụ: h1 = 10 cm; d1 = 4 cm;

h2 = 5 cm; d2 = 4 cm;

Trang 3

h3 = 4 cm; d3 = 4 cm;

6 Trọng lượng phôi: Qmin = 0.4 kg; Qmax = 0.6 kg

7 Năng suất làm việc: = 6 sp/phútN

III Nội dung thực hiện:

1 Phân tích nguyên lý và thông số kỹ thuật

-Tổng quan về hệ thống-Nguyên lý hoạt động

-Phân tích tính chất, đặc điểm của phôi/sản phẩm để lựa chọn phương pháp cấp phôi phù hợp

-Xác định các thành phần cơ bản và thông số/yêu cầu kỹ thuật của hệ thống

2 Tính toán thiết kế hệ thống điều khiển

-Ý tưởng điều khiển, tính năng điều khiển và giao tiếp.-Lựa chọn phương án điều khiển.

-Thành lập sơ đồ điều khiển.-Diễn giải sơ đồ điều khiển.

-Tính toán chi tiết, lựa chọn thành phần.-Giao tiếp hệ thống với người sử dụng.-Mô phỏng hệ thống điều khiển

3 Xây dựng bản vẽ thiết kế mạch điện điều khiển

-Xây dựng bản vẽ thiết kế mạch điều khiển (1 bản A1 hoặc A2)

4 Mô phỏng nguyên lý hoạt động (điều khiển)

3

Trang 4

M C L CỤỤ

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 8

1.1 Khái niệm và ứng dụng 8

1.2 Nguyên lý hoạt động 10

1.3 Phân tích các hoạt động của hệ thống 10

1.3.1 Hoạt động phân loại thủ công 10

1.3.2 Hoạt động phân loại tự động 11

1.4 Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống 11

1.4.1 Các chuyển động chính 11

1.4.2 Các yêu cầu khi thiết kế 11

1.5 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế 11

2.1.1 Giới thiệu chung 14

2.1.2 Ưu điểm của băng tải 14

2.1.3 Cấu tạo chung của băng tải 14

2.1.4 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay 15

2.2 Động cơ 16

2.2.1 Định nghĩa 16

2.1.2 Nguyên lý hoạt động 17

2.2.3 Điều khiển động cơ 17

2.2.4 Các loại động cơ điê ‡n 17

2.2.5 Lựa chọn động cơ 19

2.3 Cảm biến 20

2.3.1 Nguyên lý hoạt động của cảm biến quang 20

2.3.2 Ưu điểm, nhược điểm 20

2.3.3 Lựa chọn linh kiện 20

2.4 Hệ thống khí nén đẩy phân loại sản phẩm 21

Trang 5

2.4.1 Tổng quan hệ thống 21

2.4.2 Xy lanh phân loại 22

2.4.3 Van điều khiển xy lanh 22

3.2 Lưu đồ thuật toán 36

3.2Thuật toán điều khiển 38

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HÊ‡ THỐNG ĐIỀU KHIỂN BŽNG PLC 41

4.1 Liệt kê các tín hiệu vào ra và chọn PLC 41

4.1.1 Các tín hiệu vào ra 41

Trang 6

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 50TÀI LIỆU THAM KHẢO 51

Trang 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

1.1 Khái niệm và ứng dụng

Hệ thống phân loại là một giải pháp công nghiệp thay thế con người thực hiện cáckhâu phân loại sản phẩm, từ thực hiện bằng tay chuyển đổi sang sử dụng các hệ thốngtự động hóa để phân chia sản phẩm theo từng đặc tính mà người sử dụng quy định Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong cácnhà máy xí nghiệp, nhưng chủ yếu được chia thành ba loại chính là phân loại sảnphẩm theo màu sŠc, theo hình dạng và theo chiều cao.

Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thểnhư:

Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện đượcđiều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ củakhoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm,cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng.

Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không nhữngthay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng côngnhân đến mức tối đa…

Hình 1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm trong công nghiệp

Trang 8

Hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng trong rất nhiều ngành công nghiệp:

Phân loại theo kích thước (cao thấp, dài-ngŠn,): kiểu phân loại này sử dụng các cảmbiến quang hay hồng ngoại… để phát hiện và so sánh kích thước của sản phẩm, sauđó đưa tín hiệu về PLC và PLC thực hiện chức năng phân loại sản phẩm theo yêucầu Kiểu phân loại này được sử dụng nhiều trong các nhà máy đóng chai, lọ…Ưuđiểm lớn nhất của kiểu phân loại này đó là chi phí cho cảm biến là khá thấp, lŠp đặtđơn giản và dễ vâ ‡n hành

Hình 1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

Hình 1.3 Hệ thống phân loại theo khối lượng

Trang 9

Phân loại theo khối lượng sản phẩm: kiểu phân loại này sử dụng cảm biến trọnglượng để phân biệt sản phẩm nặng-nhẹ, đủ khối lượng yêu cầu hay chưa… Cách hoạtđộng giống như kiểu phân loại theo kích thước Và ta có thể thấy hình thức phân loạinày ở các nhà máy sản xuất xi mang, phân bón hay nói chung là các nhà máy sản xuấtsản phẩm dưới dạng đóng gói bao bì cần khối lượng chính xác.

Phân loại theo màu sŠc của sản phẩm: sử dụng các cảm biến màu ( mỗi cảm biến sẽnhâ ‡n biết 1 màu riêng biệt như: xanh, đỏ, vàng…) Cách thức hoạt động cũng giốngnhư 2 hình thức phân loại trên.Ứng dụng của phân loại theo màu sŠc chủ yếu trongcông nghiệp vải lụa, sản xuất màu…

1.2 Nguyên lý hoạt động

Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến để xácđịnh đặc điểm của sản phẩm Sau đó dùng xylanh để phân loại sản phẩm có đặc điểmkhác nhau Khi bấm nút Start nguồn một chiều cung cấp cho động cơ điện một chiềuhoạt động, truyền chuyển động cho băng chuyền thông qua xích Dựa vào tín hiệucủa cảm biến xi lanh piston sẽ đẩy sản phẩm ra băng chuyền Trên băng chuyền sẽthiết kế những cảm biến nhận biết màu sŠc khác nhau, độ cao khác nhau, vật liệukhác nhau Khi sản phẩm đi qua cảm biến nhận biết và gửi tín hiệu về PLC xử lý sauđó PLC đưa ra tín hiệu điều khiển các rơ le điều khiển van đảo chiều tác động làmpiston đẩy từng sản phẩm có màu sŠc, độ cao, chất liệu khác nhau vào nơi chứa riêngbiệt.

1.3 Phân tích các hoạt động csa hệ thống

1.3.1 Hoạt động phân loại th5 công

Khi sản phẩm được sản xuất ra, người công nhân dùng các thiết bị đo kiểm để xácđịnh sản phẩm thuộc loại nào Sau đó xếp sản phẩm vào trong hộp, đếm đủ số lượng

Hình 1.4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Trang 10

rồi dùng băng keo dán lên miệng hộp Việc này phụ thuộc rất nhiều vào trình độ côngnhân Hơn nữa, công nhân làm việc lâu không tránh khỏi những sai sót dẫn đến chấtlượng sản phẩm không đồng đều

1.3.2 Hoạt động phân loại tự động

Khi sản phẩm được sản xuất ra, được tự động sŠp xếp đều trên băng chuyền Bêncạnh băng chuyền có đặt cảm biến, phụ thuộc vào kích thước của sản phẩm mà chúngcó tác động vào cảm biến hay không, khi sản phẩm tác động vào cảm biến chúng sẽđược xilanh đẩy vào hộp nằm trên các băng chuyền khác hoặc khay đựng Các sảnphẩm còn lại sẻ được băng chuyền tiếp tục mang đi đến các thùng hàng ,thông qua hệthống đếm tự động cho đến khi đủ số lượng quy định thì hệ thống sẻ tư động dừngtrong một khoàng thời gian để đóng gói sản phẩm Hệ thống hoạt động tuần tự chođến khi có lệnh dừng Người công nhân chỉ việc tới lấy hộp xếp lên xe đẩy đưa vàokho hàng

1.4 Các yêu cầu khi thiết kế hệ thống

1.4.1 C愃Āc chuy<n động chính

Chuyển động của băng chuyền chính để mang sản phẩm đi phân loại Chuyển độngtịnh tiến của piston nhằm đẩy sản phẩm vào hộp trên băng chuyền phân loại

1.4.2 C愃Āc yêu c=u khi thi Āt k Ā

Nhìn chung, khi xây dựng phương án bố trí cho các hệ thống tự động cần phải đảmbảo các điều kiện như sau:

- Hệ thống đơn giản, dễ điều khiển và đáng tin câ ‡y

- Công nhân làm việc được thoải mái, không phải chịu áp lực lao động - Ngoài ra phải đảm bảo được tính an toàn và tính kinh tế

1.5 Phân tích lựa chọn phương án thiết kế

1.5.1 Đăt v Ān đD

Như đã nói ở trên thì dây chuyền phân loại sản phẩm theo chiều cao được ứng dụngnhiều trong việc phân loại các sản phẩm đóng chai, lọ… như: bia, rượu, nước đóngchai Và đây là công đoạn cuối trong dây chuyền sản xuất, có chức năng phân loạisản phẩm và đưa vào các thùng chứa tương ứng Tính ứng dụng của hệ thống rất lớntrong thực tế, đem lại hiệu suất làm việc cao và độ chính xác vượt trội so với conngười Mục tiêu đặt ra của đồ án này là thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theochiều cao có kiểu dáng nhỏ gọn, dễ dàng lŠp đặt, bảo trì, sửa chữa Để đạt được mụctiêu này chúng ta cần thiết kế mô hình cơ khí, điều khiển được động cơ và hệ thốnghoạt động tự động Ngoài ra còn có các vấn đề khác như là: vâ ‡t liệu mô hình, nguồncung cấp, tính toán thông số chi tiết Các vấn đề cần được giải quyết đó là: Vấn đềcơ khí: phân tích tính toán và lựa chọn vâ ‡t liệu, thông số kỹ thuâ ‡t của các chi tiết saocho thỏa mãn yêu cầu của đề tài: nhỏ, gọn, nhẹ, bền, có tính thẩm mỹ cao, dễ dàng

Trang 11

lŠp 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 sụng và sản phẩm không bị hỏng

1.5.2 Phương 愃Ān thi Āt k Ā

Sử dụng 1 băng tải được để vâ ‡n chuyển sản phẩm Con lăn được truyền chuyểnđộng từ động cơ, quay và làm băng tải chuyển động theo Sản phẩm đặt trên băng tảiđc vâ ‡n chuyển theo hướng xác định

1-Sản phẩm (độ cao kh愃Āc nhau); 2-Băng tải; 3-con lăn

Sử dụng 1 xy lanh khí nén và 1 cảm biến để cấp phôi Đặt 1 xy lanh và 1 cảm biếnở đầu băng tải Cảm biến phát hiện sản phẩm truyền tín hiệu về trung tâm xư lí Lâ ‡ptrình thời gian, tốc độ làm việc của xy lanh phù hợp với yêu cầu năng suất làm việccủa hệ thống Ba cảm biến đặt ở vị trí cao, trung bình và thấp dọc trên băng tải Cảmbiến đặt ở vị trí cao, trung bình đặt ở bên cạnh trước mỗi xi lanh khí nén Đặt cảmbiến cao ở trước cảm biến trung bình và cảm biến trung bình trước cảm biến thấp (sovới hướng sản phẩm di chuyển) Khi phôi đi qua các cảm biến, phôi cao được nhâ ‡nbiết đầu tiên, phôi trung bình tiếp theo, và phôi thấp được nhâ ‡n biết cuối cùng Xilanh sẽ đẩy sản phẩm cao và trung bình khỏi băng tải vào hộp đựng nếu cảm biếntrước nó nhâ ‡n biết thấy sản phẩm Nếu không sản phẩm sẽ chạy thšng vào hộp đựngsản phẩm thấp

1.5.3 Ưu nhược đi<m

Trang 12

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử- Hệ thống khí nén có thể gây ồn

- Chỉ vâ ‡n hành được phôi có trọng lượng vừa phải - Cần theo dõi để bảo trì thiết bị theo thời gian nhất định.- Chỉ phân loại các sản phẩm có chiều cao khác nhau

Trang 13

CHƯƠNG 2 CÁC THÀNH PHẦN HỆ THỐNG

2.1 Băng tải

2.1.1 Giới thiệu chung

Băng tải thường được dùng để di chuyển các vâ ‡t liệu đơn giản và vâ ‡t liệu rời theophương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị nàyđược sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vâ ‡n chuyển các cơ cấu nhẹ, trongcác x ởng luyện kim dùng để vâ ‡n chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạmƣthủy điện thì dùng vâ ‡n chuyển nhiên liệu Trên các kho bãi thì dùng để vâ ‡n chuyểncác loại hàng bưu kiện, vâ ‡t liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác Trong 1 số ngành côngnghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vâ ‡n chuyển các sản phẩmđã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thờicũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được

2.1.2 Ưu đi<m c5a băng tải

Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vâ ‡n chuyển rời và đơn chiếc theo các hướngnằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng Vốn đầu tưkhông lớn lŠm, có thể tự động được, vâ ‡n hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việctin câ ‡y, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vâ ‡n chuyển khác không lớnlŠm

2.1.3 C Āu tạo chung c5a băng tải

1 Bộ phâ ‡n kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vâ ‡t2 Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phâ ‡n kéo

Hình 2.1 C Āu tạo chung c5a băng tải

Trang 14

1 Khi chuyển sang chế độ vận hành tự động, đèn thông báo sáng nhưng hệthống chưa khởi động.

2 Khi công tŠc “Start” được bật, hệ thống bŠt đầu hoạt động, hệ thống cấpphôi chạy

3 Nếu cảm biến phát hiện phôi có tín hiệu, kích hoạt xy lanh cấp phôi, đẩyphôi lên băng tải phân loại Sau thời gian t=1,5s xy lanh sẽ tự thu về4 Nếu là phôi cao, cảm biến thứ 2 phát hiện phôi cao hơn 10 cm (tức phôi

10cm), kích hoạt xy lanh phân loại phôi cao đẩy ra Xy lanh sẽ thu vềkhi chạm cảm biến hành trình.

5 Nếu là phôi trung bình, cảm biến thứ 3 phát hiện phôi cao hơn 4 cmnhưng thấp hơn 9 cm (tức phôi 5 cm), kích hoạt xy lanh phân loại phôitrung bình Xy lanh sẽ thu về khi chạm cảm biến hành trình.

6 Trường hợp còn lại là phôi thấp cao 4 cm, cả 2 cảm biến thứ 2 và 3 đềukhông phát hiện, băng tải tiếp tục chạy, phôi rơi xuống máng cuối băngtải.

7 Nếu kích hoạt nút “Stop”, cả hệ thống sẽ ngừng lại

8 Nếu kích hoạt nút “Reset”, cả hệ thống đặt về trạng thái ban đầu Từ trên có sơ đò grafcet sau:

Bảng 3.2 Ý nghĩa kí tự dùng trong sơ đồ

cbcp Cảm biến cấp phôi phát hiện phôi

cbc Cám biến cao phát hiện phôi cao

cb_htc Cảm biến hành trình xy lanh cao phát hiện

cbtb Cảm biến trung bình phát hiện phôi trung bình

cb_httb Cảm biến hành trình xy lanh trung bình phát hiện

stop Bấm nút stop

Trang 15

38

Trang 16

Hình 3.9 Sơ đồ grafcet

CHƯƠNG 4 THIẾT KẾ HÊ„ THỐNG ĐIỀU KHIỂN B…NG PLC

4.1 Liệt kê các tín hiệu vào ra và chọn PLC

4.1.1 C愃Āc tín hiệu vào ra

Đầu vào:

1 Start2 Stop3 Reset

4 Nút bấm chuyển chế độ tự động5 Nút bấm chuyển chế độ thủ công6 Nút bấm dừng khẩn cấp

7 Nút bấm thục hiện các bước trong chế độ thủ công8 Cảm biến nhận biết phôi

9 Cảm biến nhận biết phôi cao10.Cảm biến nhận biêt phôi trung bình11.Cảm biến hành trình xy lanh cao12.Cảm biến hành trình xy lanh thấp

Đầu ra:

1 Đèn báo start

2 Đèn báo chế đô ‡ manual3 Đèn báo chế đô ‡ auto4 Đèn báo stop

5 Van cấp khí, xi lanh cấp phôi đẩy sản phẩm

6 Van cấp khí, xi lanh phân loại sản phẩm cao đẩy sản phẩm7 Van cấp khí, xi lanh phân loại sản phẩm trung bình đẩy sản phẩm8 Chạy đô ‡ng cơ băng tải

4.1.2 Chọn PLC

Dựa vào những tín hiệu vào ra ta đã liệt kê, gồm 12 đầu vào và 8 đầu ra Chọn bộlâ ‡p trình Siemens S7-1200 series 6ES7214-1HG40-0XB0 (CPU 1214C DC/DC/RLY)

Trang 17

1 Bộ phâ ‡n kết nối nguồn 2 Nguồn ra từ PLC 3 Các chân ngõ vào, ra 4 Khe cŠm thẻ nhớ

Hình 4.1 Siemens S7-1200 series 6ES7214-1HG40-0XB0 (CPU 1214C DC/DC/RLY)

Hình 4.2 C Āu tr甃Āc ph=n cứng c5a bộ PLC

Trang 18

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử5 Đèn báo trạng thái PLC

6 Cổng truyền thông profinet (LAN) 7 Đèn báo tín hiệu của ngõ vào, ra

4.2 Phân cổng vào ra cho PLC:

4.2.1 bi Ān vào

Bảng 4.1 Bảng bi Ān vào c愃Āc bi Ān

Tên biếnĐịa chỉGhi ch甃Ā

cb-httb %I0.4 Cảm biến hành trình trung bình

Tên biếnĐịa chỉGhi ch甃Ā