LỜI MỞ ĐẦUCùng với sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật vi điện tử, kĩ thuật truyền thông và côngnghệ phần mềm trong thời gian qua, lĩnh vực điều khiển tự động đã ra đời, phát triển càngn
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
Khái niệm và ứng dụng
Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau, đảm bảo tiêu chí thành phẩm, tiêu chí phân loại theo thông tin, tính đồng đều về hính dáng, kích thước, trọng lượng để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng, lỗi Hình 1.1 cho ta thấy hình ảnh của một hệ thống phân loại sản phẩm tự động.
Hình 1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm tự động
Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp bao gồm:
Hệ thống 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 (Hình 1.2) Ứng dụng phân loại sản phẩm theo màu sắc trong các ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế… Hình 1.2 Hệ thống phân loại theo màu sắc
Hệ thống phân loại theo kích thước
Hình 1.3 Hệ thống phân loại 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. Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, nông sản, trái cây… (Hình 1.3)
Hệ thống phân loại theo mã vạch
Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch được sử dụng rất phổ biến hiện nay. Dây chuyền 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 Hình 1.4 thể hiện hệ thống phân loại mã vạch.
Hình 1.4 Hệ thống phân loại theo mã vạch
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 7
Hệ thống phân loại theo khối lượng
Hình 1.5 Hệ thống phân loại 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. Ứng dụng phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, thủy hải sản, nông sản… Ví dụ, ở hình 1.5 là hệ thống phân loại theo khối lượng của quả cam.
Phân loại sản phẩm theo vật liệu
Phương pháp này dựa vào loại vật liệu của sản phẩm để phân loại Phương pháp này thường ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để nhận dạng sản phẩm có lẫn kim loại, ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm.
Nguyên lý hoạt động
Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên nguyên lý dùng cảm biến để xác định yếu tố mang tính chất phân loại sản phẩm Chuyển động của bộ băng chuyền đưa sản phẩm của bộ phận tiếp nhận đến bộ phận điều khiển để tiến hành phân loại Các sản phẩm sau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói Chu trình này sẽ lặp lại cho đến khi hết sản phẩm
Yêu cầu kĩ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống: chuyển động tịnh tiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệ thống phân loại sản phẩm dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này Để truyền động quay cho trục của băng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộ truyền ngoài như xích hoăc đai Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm không đạt kích thước của piston, xilanh hoặc khí nén Chuyển động của piston, xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén.
CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG
Băng tải
Băng tải là một thiết bị công nghiệp giúp di chuyển nguyên vật liệu từ điểm này sang điểm khác mà không phải tốn sức người giúp chủ nhà máy xí nghiệp giải quyết triệt để vấn đề vận chuyển nguyên vật liệu một cách hiệu quả nhất
Băng tải cần được thiết kế phù hợp, kết cấu cơ khí không quá phức tạp nhưng phải đảm bảo độ bền, đáp ứng được các chế độ làm việc khác nhau Hình 2.2 cho ta thấy hình ảnh của sơ đồ băng tải và băng tải trong thực tế.
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 9
Hình 2.2 Cấu tạo chung của băng tải và hình ảnh thực tế
Các thành phần cơ bản:
1 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật.
Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo 2
3 Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo.
4 Hệ thống đỡ làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc.
Ưu điểm của băng tải:
- Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng.
- Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động hóa, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao, tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không quá lớn.
Một vài đánh giá để lựa chọn kiểu băng tải phù hợp:
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 đẩy 50-250kg Vận chuyển chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách > 50m Băng tải con lăn 30-500kg Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách < 50m
- Băng tải xích, băng tải con lăn: độ ổn định cao khi vận chuyển Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giá thành đắt.
- 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.
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 11 Độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi 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 làm việc.
Bộ truyền đai/xích
Các yêu cầu chung của bộ truyền động với băng tải:
- Trong quá trình sản xuất của nhà máy thì chế độ làm việc của các thiết bị băng tải luôn diễn ra một cách liên tục với chế độ dài hạn và các phụ tải hầu như không đổi Vì vậy để đáp ứng các yêu cầu công nghệ của hầu hết các thiết bị băng tải vận tải liên tục khi không có các yêu cầu về điều chỉnh tốc độ tại các phân xưởng sản xuất theo dây truyền có quy định tốc độ nhất định để phù hợp nhịp độ làm việc và đồng nhất với toàn bộ dây truyền khi cần thiết.
- Trong các hệ thống truyền động các thiết bị băng tải liên tục cần phải đảm bảo quá trình khởi động đồng tải, bởi vậy nên lựa chọn động cơ truyền động cho băng tải vận hành liên tục là động cơ có hệ số trượt lớn, có rãnh stato sâu để có hệ số mở máy lớn.
So sánh 2 bộ truyền đai và bộ truyền xích:
Nội dung Bộ truyền đai Bộ truyền xích Ưu điểm - Làm việc êm và không ồn.
- Giữ được an toàn cho các chi tiết
- Không cần bôi trơn, chi phí bảo dưỡng thấp
- Không có hiện tượng trượt.
- Có thể cùng môt lúc truyền chuyển động cho nhiều trục.
- Tỉ số truyền khá ổn định
- Tuổi thọ cao Nhược điểm - Có sự giãn nở của đai
- Tỉ số truyền không ổn định
- Làm việc ồn, gây tiếng động
- Dễ mòn khớp bản lề.
- Chi phí bảo dưỡng cao
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
Thích hợp với vận tốc thấp, thường lắp ở đầu ra của hộp giảm tốc.
Thích hợp truyền động với khoảng cách trục trung bình, yêu cầu làm việc không có trượt. lớn.
Qua bảng so sánh, em lựa chọn phương án dùng bộ truyền xích vì:
Để đơn giản, hộp giảm tốc thường tích hợp cùng động cơ, do đó bộ truyền ngoài nên chỉ dùng bộ truyền xích, không nên dùng bộ truyền đai.
Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu cùng công suất và số vòng quay.
Có thể làm việc quá tải khi đột ngột, hiệu suất cao hơn, không có hiện tượng trượt.
Một bộ truyền xích sẽ có cấu tạo cơ bản như hình 2.3.
Pít tông/van khí nén
Trong các cơ cấu phân loại sản phẩm thì thường sử dụng pittong khí nén để thực hiện công việc tạo lực đẩy phôi Pít tông khí nén (xi lanh khí nén) là thiết bị cơ học, hoạt động được nhờ khí nén giúp chuyển năng lượng thế năng thành động năng (nhờ sự chênh áp bởi khí nén nên áp suất lớn hơn áp suất khí quyển).
Hình 2.4 Sơ đồ ghép nối khí nén
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 13
Hình 2.3 Cấu tạo bộ truyền xích
1 Nguồn khí nén 4 Đồng hồ đo áp suất
2 Van lọc 5 Van phân phối 3/2
3 Van điều chỉnh áp suất 6 Van tiết lưu
Cấu trúc của hệ thống khí nén (Hình 2.4) thường bao gồm các khối thiết bị sau:
- Trạm nguồn: Máy nén khí, bình tích áp, các thiết bị an toàn, các thiết bị xử lý khí nén (lọc bụi, lọc hơi nước, sấy khô…)
- Khối điều khiển: các phần tử xử lý tín hiệu điều khiển và các phần tử điều khiển đảo chiều cơ cấu chấp hành.
- Khối các thiết bị chấp hành: Xi lanh, động cơ khí nén, giác hút…. Ưu điểm của hệ thống khí nén:
- Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng.
- Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ, khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây hại cho môi trường.
- Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác.
- Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.
Nhược điểm của hệ thống khí nén:
- Công suất truyền động không lớn Ở nhu cầu công suất truyền động lớn, chi phí cho truyền động khí nén sẽ cao hơn 10-15 lần so với truyền động điện cùng công suất, tuy nhiên kích thước và trọng lượng lại chỉ bằng 30% so với truyền động điện.
- Khi tải trọng thay đổi thì vận tốc truyền động luôn có xu hướng thay đổi do khả năng đàn hồi của khí nén khá lớn, vì vậy khả năng duy trì chuyển động thẳng đều hoặc quay đều thường khó thực hiện.
- Dòng khí nén được giải phóng ra môi trường có thể gây tiếng ồn.
Trong phạm vi đồ án lựa chọn sử dụng pít tông khí nén do so với hệ thống thủy lực, hệ thống khí nén có công suất nhỏ hơn nhưng có nhiều ưu điểm hơn như:
- 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
- Do có khả năng chịu nén (đàn hồi) lớn của không khí nên có thể trích chứa khí nén rất thuận lợi, không khí dùng để nén hầu như có số lượng không giới hạn và có thể thải ra ngược trở lại bầu khí quyển
- Hệ thống khí nén sạch sẽ, dù cho có sự rò rỉ không khí nén ở hệ thống ống dẫn, do đó không tồn tại mối đe dọa bị nhiễm bẩn
- Chi phí nhỏ để thiết lập một hệ thống truyền động bằng khí nén, bởi vì phần lớn trong các xí nghiệp, nhà máy đã có sẵn đường dẫn khí nén
- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo, nên tính nguy hiểm của quá trình sử dụng hệ thống truyền động bằng khí nén thấp.
Do đặc điểm của sản phẩm phân loại cần xy lanh tác động nhanh, hành trình không lớn, cố định nên ta chọn xy lanh tác dụng kép sử dụng trong hệ thống Xylanh tác động hai chiều (Hình 2.5) giúp hệ thống được điều khiển một cách hoàn toàn tự động và chính xác.
Hình 2.5 Xy lanh tác động kép
Van điều khiển có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lương bằng cách đóng, mở hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng đi của dòng năng lượng.
Van điều khiển chọn van 5/2 có ký hiệu như hình dưới.
Hình 2.6 Ký hiệu trên sơ đồ điện
Cảm biến
Cảm biến là một thiết bị được sử dụng khá phổ biến hiện nay, đặc biệt trong lĩnh vực công nghiệp và truyền thông Cảm biến (CB) là một thiết bị điện tử có chức năng nhận biết các yếu tố vật lý hoặc yếu tố hóa học nơi nó được đặt vào sau
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 15
Hình 2.7 Một số loại cảm biến đó chuyển thành dạng thông tin mã hóa và chuyển về màn hình hoặc máy tính, hệ thống PLC để có thể điều khiển các thiết bị khác từ xa
Hình bên là một vài loại cảm biến thông dụng.
+ Theo nguyên lý của cảm biến:
Cảm biến điện tử và ion + Theo tính chất nguồn điện:
Cảm biến biến đổi trực tiếp
Trong cơ cấu phân loại sản phẩm thì CB chính là bộ phận thu nhận thông tin từ phôi để chuyển tín hiệu về cho bộ điều khiển
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến nhưng ở đồ án này em sử dụng cảm biến quang điện (PhotoElectric Sensor) để phân loại sản phẩm theo chiều cao
Nguyên lý: Cảm biến quang khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt của cảm biến, chúng sẽ thay đổi tính chất Tín hiệu quang được biến đổi thành tín hiệu điện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở cực catot khi có một lượng ánh sáng chiếu vào
Cảm biến quang thu-phát (Through-beam sensor)
Cảm biến quang phản xạ gương (Retro-reflection sensor)
Cảm biến quang khuếch tán (Diffuse reflection sensor)
Trong đồ án này, do mô hình nhỏ và sai số cảm biến không quá nhỏ nên em chọn cảm biến quang để xác định chiều cao sản phẩm, cụ thể là cảm biến quang BRQM30M-TDTA (Hình 2.8).
Hình 2.8 Cảm biến quang BRQM30M-TDTA
Thông số của cảm biến lựa chọn:
Hình 2.9 Thông số của cảm biến BRQM30M-TDTA
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 17
Động cơ
Hình 2.10 Một số loại động cơ phổ biến
Một số loại động cơ (Hình 2.10):
- Động cơ điện xoay chiều (AC Motor).
- Động cơ điện một chiều (DC Motor).
- Động cơ bước (Step Motor).
- Động cơ servo (Servo Motor)
Vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn Với yêu cầu khá đơn giản của băng chuyền như là:
- 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
Trong phạm vi đồ án này chọn động cơ điện một chiều (Hình 2.11) vì kết cấu đơn giản, giá thành rẻ và dễ bảo quản.
Hình 2.11 Hình ảnh động cơ 1 chiều trong thực tế
Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều:
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 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, một phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục Thông thường bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp Dưới đây là sơ đồ nguyên lý hoạt động.
Hình 2.12 Nguyên tắc hoạt động của động cơ điện một chiều
Phương trình cơ bản của động cơ điện 1 chiều:
- ɸ: 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
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 19
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1
Pha 2: Rotor tiếp tục quay Điều khiển tốc độ động cơ 1 chiều:
+ Điều khiển tương tự truyền thống:
Điều chỉnh Rư bằng cách mắc nối tiếp điện trở R* => hao tổn, không kinh tế=>ít sử dụng
Điều chỉnh từ thông nhưng phương pháp này cũng ít sử dụng do khi thay đổi từ thông thì dẫn đến Momen thay đổi =>khó tính toán chính xác dòng điện và Momen tải
Điều khiển điện áp phần ứng V: Khi điện áp cấp vào phần ứng tăng thì tốc độ quay tăng => phương pháp này được coi là triệt để và sử dụng rất phổ biến trong điều khiển tốc độ động cơ DC
+ Điều khiển số: Với sự ra đời của vi xử lý, bộ điều khiển số dần thay thế các bộ điều khiển tương tự truyền thống bởi nhiều ưu điểm Về bộ điều khiển số, có rất nhiều phương pháp được đề nghị như: PID số, Fuzzy logic, Lyapounov Tuy nhiên, chiếm hơn 70% bộ điều khiển trong công nghiệp là PID.
Phân loại động cơ điện một chiều:
Tùy theo cách mắc mạch kích từ so với mạch phần ứng mà động cơ điện một chiều được chia thành:
- Động cơ điện một chiều kích từ độc lập: có dòng điện kích từ và từ thông động cơ không phụ thuộc vào dòng điện phần ứng Nguồn điện mạch kích từ riêng biệt so với nguồn điện mạch phần ứng
- Động cơ điện một chiều kích từ song song: khi nguồn điện một chiều có công suất vô cùng lớn, điện trở trong của nguồn coi như bằng không thì điện áp nguồn sẽ là không đổi, không phụ thuộc vào dòng điện trong phần ứng động cơ Loại động cơ một chiều kích từ song song cũng được coi như kích từ độc lập
- Động cơ một chiều kích từ nối tiếp: dây quấn kích từ mắc nối tiếp với mạch phần ứng
- Động cơ một chiều kích từ hỗn hợp: gồm hai dây quấn kích từ, dây quấn kích từ song song và dây quấn kích từ nối tiếp, trong đó dây quấn kích từ song song là chủ yếu.
Hệ thống cấp phôi
Hiện nay, các quá trình sản xuất các sản phẩm trong các ngành công nghiệp nóichung đều phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày càng cao Để đảm bảo được quátrình sản xuất ổn định và nhanh chóng thì cần thiết phải có quá trình cung cấp phôichính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp (cấp đúng lúc) và liên tục theochu trình hoạt động của dây chuyền một cách tin cậy.
Vì vậy, quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết cần phải đượcnghiên cứu và giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm nâng cao năng suất lao động và chất lượng sản phẩm Hệ thống cấp phôi tự động phải cung cấp phôi một cách kịp thời, chính xác, số lượng.
Là một cơ cấu cấp phôi, sản phẩm vào cho băng tải, sản phẩm xuất ra được chia đều, từng sản phẩm 1 và các sản phẩm đi ra cách nhau 1 khoảng thời gian nhất định sao cho phù hợp với năng suất và vận tốc băng tải Đóng vài trò quan trọng cho quá trình bắt đầu của hệ thống.
Căn cứ vào hình dạng phôi người ta chia làm các loại:
- Loại cấp phôi dạng cuộn.
- Loại cấp phôi dạng thanh hoặc dạng tấm.
- Loại cấp phôi dạng rời từng chiếc.
Nhận xét: Mỗi kiểu cấp phôi trên mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi kiểu cũng đã bao hàm nhiều dạng khác nhau Tùy theo công nghệ sản xuất mà người ta bố trí cấp phôi liên tục hay dán đoạn theo chu kì hoặc cấp phôi theo lệnh Hình dưới là một số hệ thống cấp phôi có thể bắt gặp trong sản xuất công nghiệp.
Hình 2.13 Thiết bị cấp phôi
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 21
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Hệ thống băng tải
Năng suất làm việc Trọng lượng phôi Kích thước hình học phôi (cm)
Nguồn lực dẫn động: Động cơ điện xoay chiều 1 pha chỉnh tốc kèm hộp giảm tốc Chọn thông số hình học sản phẩm trên băng: Hình trụ.
3.1.1 Tính các thông số hình học, động học băng tải
Hinh 3.1 Sơ đồ băng tải
Tính chiều dài L, chiều rộng W và chiều cao H của băng tải
Có sơ đồ như Hình 3.1
Trong đó: o n là số sản phẩm trên băng tải trong 1 thời điểm (chọn n = 5)m o d là đường kính sản phẩm (d = 0.25m) o Y là khoảng cách giữa 2 sản phẩm cạnh nhau (chọn Y = 0,25m)
Hình 3.2 Sơ đồ băng tải (Hình chiếu bằng)
Trong đó: Y là khoảng cách giữa 2 sản phẩm cạnh nhau (chọn Y = 0,25m) v là vận tốc băng tải là vận tốc xi lanh (ta chọn theo hãng FESTO)
M là khoảng cách từ xi lanh đến mép băng tải (chọn M = 0,05m)
Quãng đường 1 sản phẩm đi trong 1 phút là: s = Y.(N-1) + L = 0,25(20 – 1) + 2,25 = 7 (m)
=> Vận tốc của băng tải là: v = = 0,117 (m/s) Tính bằng cách tra đồ thị (dựa vào catalog của hãng), ta có đồ thị sau:
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 23
Ta chọn được xilanh loại: DSNU-25-200 m là khối lượng Q = 7 (kg)
Số sản phẩm tối đa trên băng tải tại thời điểm tức thời n = 5
Khoảng cách giữa các sản phẩm Y = 25 cm
Vận tốc băng tải v = 11,7 cm/s
Bề rộng băng tải: 35 cm
Xy-lanh phân loại: DSNU-25-200 của hãng Festo
Chọn loại băng tải phù hợp:
Chọn sơ bộ: băng tải PVC dày 3mm
Chọn loại băng tải PVC vì:
Có tính kháng hóa tốt
Chống dầu mỡ, chống mài mòn
Có độ bền cao, khả năng cách điện
Dễ dàng vệ sinh và thay thế
Kết cấu khung sườn: lựa chọn khung sườn bằng nhôm định hình
Các thanh nhôm định hình đều được thiết kế với kiểu dáng đặc thù để khi lắp ghép lại sẽ tạo thành một khung sườn vững chắc.
Khả năng cách nhiệt tốt, chịu được môi trường khắc nghiệt.
Chắc, bền giúp cho khung sườn của băng tải kiên cố và chịu được tải trọng lớn.
Nhôm định hình có trọng lượng riêng nhẹ hơn so với hầu hết các kim loại khác nên dễ vận chuyển và lắp ráp nhanh chóng.
+ Số phôi trên băng tải trong 1 đơn vị thời gian: 5
+ Khối lượng phôi lớn nhất: 5.7 = 35 kg
+ Khối lượng phôi nhỏ nhất: 5.0,5 = 2,5 kg
+ Băng tải lựa chọn: Băng tải Việt Phát mã hàng 3XCB (Hình 3.4)
Hình 3.4 Thông số kỹ thuật băng tải 3XCB
Phân tích lực tác dụng trên băng tải (Hình 3.5)
+ Lực căng băng ban đầu
+ Lực ma sát giữa dây băng và bề mặt tấm đỡ, con lăn,… do khối lượng phôi và dây băng.
Hình 3.5 Sơ đồ lực hệ thống băng tải
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 25
Lực căng dây tại mỗi điểm đặc trưng (i) sẽ bằng lực căng tại điểm ngay trước nó (i-1) cộng với lực cản chuyển động của dây trên đoạn từ (i-1) đến i.
Các lực cản chuyển động của băng: : Lực cản trên đoạn nằm ngang từ điểm 0 đến 1
• trọng lượng 1 m băng (tính theo khả năng chịu tải Trọng lượng băng tải là
• w: là hệ số cản riêng của hệ thống đỡ dây; w =0,2 - 0,4 Chọn w = 0,4
: Lực cản trên đoạn uốn cong qua tang bị động từ điểm 1 đến 2
= ξ S = ξ.(+)= 0,06.(+9,57)1 ξ : là hệ số cản trên tang đổi hướng ξ = 0,03 – 0,06 chọn ξ =0.06
: Lực cản trên đoạn nằm ngang có tải từ điểm 2 đến 3.
Qt: là tổng trọng lượng tải đặt trên băng (N) (lấy trọng tải lớn nhất mà băng phải chịu là
Lực kéo băng là lực được truyền từ tang dẫn sang băng
F = - = Σ Như vậy muốn tìm F ta cần tìm Để xác định ta dựa vào điều kiện đủ lực ma sát để truyền lực ở tang dẫn động:
• α = π : góc ôm của băng trên tang
• f: hệ số ma sát giữa băng với tang, = 0,2 ~ 0,4.Chọn f = 0.4
Kiểm nghiệm điều kiện : ≤ 0 = 351,35(N) (thỏa mãn)
Công suất yêu cầu trên trục tang
3.1.3 Tính trục tang chủ/bị động con lăn
Thông số đầu vào (Hình 3.6):
• Băng tải có chiều rộng W = 350 mm
• Chiều rộng băng tải BC = 350 mm , AB = CD = 30 mm, DE = 40 mm, EF= 20 mm
• Chọn băng tải PVC 3 mm nên theo nhà sản xuất, ta có đường kính trục tang nhỏ nhất là 60 mm
Do đó chọn đường kính con lăn = 60 mm
Con lăn làm bằng thép, như vậy trọng lượng con lăn (lô dẫn) là:
Hình 3.6 Sơ đồ kết cấu con lăn
Tính toán đường kính con lăn
Ta có : v Trong đó : v là vận tốc băng tải (m ) là tốc độ quay của con lăn ( vòng/phut) là đường kính con lăn (mm)
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 27
Hình 3.7 Biểu đồ lực con lăn
Vẽ biểu đồ momen (Hình 3.7)
Phản lực tại AB và CD là Y AB và Y CD
Lực F = 100,71 N tác dụng lên nhông hợp với phương ngang một r
Lực căng do băng tải tác dụng lên con lăn F = 163 N
Momen xoắn của nhông M = = 4,89 Nm
Tính phản lực tại các ổ bi:
Tính phản lực tại các ổ bi:
Momen của lực F gây ra
Từ biểu đồ Momen ta thấy vị trí nguy hiểm nhất ở điểm chính giữa CD
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 29
Tra bảng 10.5 sách chi tiết máy với đường kính 60 mm thì ứng suất cho phép của thép hợp kim [σ] = 58 Mpa
Chú ý rằng trị số tại các tiết diện lắp ổ lăn phải lấy bằng đường kính trong của ổ lăn tiêu chuẩn theo dãy: 15, 17, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65,
3.1.4 Tính chọn động cơ Để chọn được động cơ, chúng ta cần biết hai thông tin:
- Công suất cần thiết trên trục động cơ P ct
- Số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ n sb
Hai thông tin này được tính toán từ dữ liệu đầu vào Cụ thể là từ vận tốc của bảng tải vàV lực kéo của băng tải F
+ Công suất cần thiết trên trục động cơ được xác định theo công thức sau: P ct
là công suất của bộ truyền
là hiệu suất của bộ truyền
= … Các giá trị này được lấy trong bảng 2.3
+ Số vòng quay sơ bộ trên trục động cơ được tính từ số vòng quay trên trục công tácn sb
(trục làm việc) của băng tải (hoặc xích tải) Số vòng quay sơ bộ được xác định bởi côngn lv thức
��� = = = 37,24 (v/p) Cho hệ thống băng tải với là đường kích tang quayD
Tỉ số bộ truyền chung của hệ: (hộp giảm tốc đi kèm động cơ) = uc uhgt ux
Với các yêu cầu trên ta chọn động cơ giảm tốc 25W 24V
DC4GN25-24 với tỉ số truyền 1: 120 (Hình 3.8)
Nguồn: https://chotroionline.net/collections/dong-co-dien-1- chieu-dc-motor/products/dong-co-giam-toc-24v-25w-dc4gn25-24
Thông số động cơ điện 25W :
▪ Công suất của động cơ 25W.
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 31
Hình 3.8 Động cơDC4GN25-24
▪ Điện áp cho động cơ 24V.
▪ Tốc độ quay của động cơ 3000 vòng/phút.
▪ Kích thước của động cơ phi 80mm Mặt bích vuông 80x80mm
▪ Chiều dài động cơ 120mm Đường kính trục phi mm.
Thông số của hộp giảm tốc:
▪ Hộp giảm tốc có kích thước dài 46mm Thân vuông 80x80mm Trục hộp số phi 10mm.
▪ Tốc độ đầu ra của trục hộp số 15-1000 vòng/phút.
▪ Ta có số vòng quay động cơ là 3000 v/ph, qua hộp giảm tốc thì tốc độ còn lại là 50 v/ph Số vòng quay lô chủ động (tang chủ động) là 37,24 v/ph
▪ Tỉ số truyền xích cần là u = 50/37,24 = 1,34.x
3.1.5 Tính toán chọn bộ truyền ngoài
Biết các thông số: = 21,67 W, = v/p. Để đơn giản, hộp giảm tốc thường tích hợp cùng động cơ, do đó bộ truyền ngoài nên chỉ dùng bộ truyền xích
Số vòng quay đĩa xích chủ động: n = 50 v/ph1
Góc nghiêng bộ truyền xích: � = 40°
Chọn loại xích: xích ống con lăn.
+ Khoảng cách trục từ 30-50 bước xích
+ Có con lăn căng xích
Chọn số răng cho đĩa xích chủ động:
Tỷ số truyền thực tế: ut = = = 1,37
Để đảm bảo chỉ tiêu về độ bền mòn của bộ truyền xích, công suất tính toán phải thỏa mãn điều kiện:
�� = � � �� �� ≤ [ ]� trong đó Pt, P, [P] lần lượt là công suất tính toán, công suất cần truyền và công suất cho phép kW, �� là hệ số dạng răng, �� là hệ số vòng quay, k là hệ số, tính từ các hệ số thành phần và được tra trong bảng 5.6
Chọn bộ truyền xích thí nghiệm là bộ truyền tiêu chuẩn, có số răng và vận tốc vòng đĩa xích nhỏ là: Z = 25 và n = 50 vòng/phút01 01
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 33 kz kn k = k k k k k k0 a đc bt đ c k0: Hệ số kể đến ảnh hưởng của vị trí bộ truyền β < 60 => k = 1 o 0 ka: Hệ số kể đến khoảng cách trục và chiều dài xích a = (30 – 50) p => k = 1a kđc: Hệ số kể đến của việc điều chỉnh lực căng xích
Có con lăn căng xích => k = 1,1đc kbt: Hệ số kể đến ảnh hưởng của bôi trơn Điều kiện không bụi => k = 1bt kđ: Hệ số tải trọng động
Tải trọng va đập => k = 1,4đ kc: Hệ số kể đến chế độ làm việc của bộ truyền
Công suất cho phép: [P] = 0,19 kW = 190 W
Chọn trục sơ bộ: a = 40.t = 40.12,7P8 (mm)
Số mắt xích: x Chọn số mắt xích là 112
Tính lại khoảng cách trục a: a* Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 35
Để xích không quá căng thì cần giảm một lượng:�
Số lần va đập của xích i:
Tra bảng 5.9 với loại xích ống con lăn,
Bước xích = 12,7 Số lần va đập cho phép của xích là: [i]`� ⇒ i = => Thỏa mãn
Kiểm nghiệm độ bền xích: s= ≥ [s]
• Trong đó Q là tải trọng phá hỏng Tra bảng 5.2 với t = 12,7 ta được: Q = 9000 (N), khối lượng 1 m xích là: q = 0,3 (kg)
là hệ số tải trọng động: ( tải trọng mở máy bằng 150% tải trọng danh nghĩa)
là lực căng do lực li tâm sinh ra:
là lực căng do trọng lượng nhánh xích bị động sinh ra:
= 4 là hệ số phụ thuộc đọ võng của xích: do β < 40 o
là hệ số an toàn cho phép: Tra bảng 5.10 với t = 12,7 và n = 50 v/ph1
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 37
Bộ truyền xích đủ bền.
Xác định thông số của đĩa xích
= 7,75 là đường kính con lăn tra bảng 5.2
Kiểm nghiệm răng đĩa xích về độ bền tiếp xúc
: hệ số tải trọng động = 1,2
A: Diện tích chiếu của bản lề Tra bảng 5.12 với t = 12,7mm ta được
A = 39,6 mm 2 kr: Hệ số ảnh hưởng của số răng đĩa xích, tra bảng ở trang 87 [1] theo số răng z1 27, ta được = 0,36kr
kd: Hệ số phân bố tải không đều giữa các dãy (1 dãy xích ⇒kd = 1)
Fvđ: Lực va đập trên m dãy xích:
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 39
Vì cả 2 đĩa xích đều làm bằng thép, thay số vào ta được:
Tra bảng 5.11 ta chọn vật liệu làm đĩa xích là gang xám, với các đặc tính là đĩa bị động có số răng lớn (z > 50), với vận tốc đĩa xích nhỏ (v < 3 m/s), có [] = 650 Mpa > = 227,5 Mpa.
Xác định lực tác dụng lên trục
Trong đó k : hệ số kể đến trọng lượng của xích K = 1,15 vì < 40x x
Tổng hợp các thông số của bộ truyền xích:
Thông số Kí hiệu Giá trị
Loại xích Xích ống con lăn
Số răng đĩa xích nhỏ Z1 27
Số răng đĩa xích lớn Z2 37
Vật liệu đĩa xích Gang xám Đường kích vòng chia đĩa xích nhỏ �1 mm Đường kính vòng chia đĩa xích lớn �2 mm Đường kính vòng đỉnh đĩa xích nhỏ ��1 �� Đường kính vòng đỉnh đĩa xích lớn ��2 ��
Bán kính đáy r 3,94 �� Đường kính chân răng đĩa xích nhỏ �1 � �� Đường kính chân răng đĩa xích lớn ��2 ��
Lực tác dụng lên trục Fr 100,71 N
Hệ thống pít tông khí nén
• Khối lượng lớn nhất của phôi: 7 kg
• Hệ số ma sát giữa phôi và băng tải:
Ta tính áp lực cần Piston tạo ra theo công thức:
– áp suất làm việc Áp suất trong khoang làm việc 6 – 8 bar Áp suất khoang thoát khí tối thiểu 1,4 bar à – hệ số hiệu dụng của xylanh
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 41 Đa số xylanh khí nén làm việc chịu tải trọng động Khi đó do tổn hao về ma sát, do có tính đàn hồi của khí nén khi chịu tải thay đổi, do sức ì của Piston trước khi dịch chuyển vì thế hệ số hiệu dụng giảm thường chọn
Chọn bộ áp suất làm việc của hệ thống là: bar Để Piston di chuyển được thì:
F – lực do xylanh tác dụng lên sản phẩm
– lực ma sát lớn nhất do sản phẩm gây ra
Xylanh cấp phôi tự động: ống cấp phôi chứa 4 phôi Đường kính D của xylanh:
Với thông số đường kính xi lanh và hành trình, chọn xi lanh cấp sản phẩm và xi lanh phân loại (đã tính chọn ở phần 3.1.1) đều là xi lanh phân loại sản phẩm là xi lanh DSNU-25- 200-PPS-A của hãng FESTO với thông số cơ bản :
Xi lanh tròn khí nén tác động kép ISO có nam châm tích hợp
Dựa trên tiêu chuẩn ISO 6432
Chiều dài hành trình 200mm (S200mm)
Có đệm điều chỉnh ở cả hai đầu
Piston từ tính để cảm nhận vị trí
Thanh piston bằng thép không gỉ hợp kim
Nắp đậy bằng hợp kim nhôm không gỉ
Phớt tĩnh điện Cao su nitrile
Nguồn : http://sieuthidientudong.com/san-pham/xy-lanh-festo-dsnu-25-200-pps-a- ad8748.html
Thiết kế hệ thống khí nén:
Thời gian giữa 2 lần phân loại sản phẩm liên tiếp là:
Chọn thời gian xi lanh đẩy sản phẩm là t = 1,2 s, thời gian xi lanh trở về vị trí ban 1 đầu là t = 0,8 s.2
Ta có sơ đồ hành trình di chuyển của xi lanh như hình 3.9.
Vận tốc của xi lanh khi đẩy sản phẩm là:
Vận tốc của xi lanh khi trở lại vị trí ban đầu là:
Diện tích có tích của xi lanh là:
Lưu lượng khí nén cần cung cấp cho một xi lanh hoạt động trong một phút là: q = A (v +v ) = 0,0005 (0,167 + 0,25) = 2,085.10 (m1 2 -4 3/s)
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 43
Hình 3.9 Hành trình di chuyển của xi lanh
Hệ thống phân loại sản phẩm sử dụng ba xi lanh
Dung tích bình khí nén cần thiết là: V = 3.q 3.12,51 7,53 (l)
Vậy cần lựa chọn bình khí nén có dung tích37,53l Dung tích bình khí nén thường được chọn lớn hơn một chút so với dung tích yêu cầu.Vậy chọn máy nén khí đầu liền Wing TM-0.1/8-50L với dung tích bình chứa là 50L (Hình3.10).
XÂY DỰNG BẢN VẼ HỆ THỐNG
Xây dựng bản vẽ 3D trên phần mềm SOLIDWORKS
SolidWorks là phần mềm thiết kế 3D chạy trên hệ điều hành Windows và có mặt từ năm 1997, và được tạo bởi công ty Dassault Systèmes SolidWorks Corp., là một nhánh của Dassault Systèmes, S A (Vélizy, Pháp) Trong phần mềm SOLIDWORKS thì đây được coi là tính năng nổi bật với việc thiết kế các các biên dạng 2D bạn sẽ dựng được các khối 3D theo yêu cầu
– Lắp ráp các chi tiết: Các chi tiết 3D sau khi được thiết kế xong bởi tính năng thiết kế có thể lắp ráp lại với nhau tạo thành một bộ phận máy hoặc một máy hoàn chỉnh Tính năng này giúp bạn dễ dàng chỉnh sửa, thỏa sức sáng tạo và nghiên cứu dễ dàng cho những sản
Hình 3.10 Máy nén khí Wing
– Xuất bản vẽ dễ dàng:
+ Phần mềm SOLIDWORKS cho phép ta tạo các hình chiếu vuông góc các chi tiết hoặc các bản lắp với tỉ lệ và vị trí do người sử dụng quy định mà không ảnh hưởng đến kích thước
+ Công cụ tạo kích thước tự động và kích thước theo quy định của người sử dụng Sau đó nhanh chóng tạo ra các chú thích cho các lỗ một cách nhanh chóng Chức năng ghi độ nhám bề mặt, dung sai kích thước và hình học được sử dụng dễ dàng
– Tính năng Tab và Slot: Phần mềm SOLIDWORKS 2018 cho phép người dùng tự động tạo ra các tính năng tab và slot được sử dụng để tự lắp ghép các bộ phận hàn Các tính năng cải tiến kim loại khác bao gồm tính năng Normal Cut mới đảm bảo duy trì khoảng cách thích hợp cho sản xuất, và khả năng uốn mới cho phép người dùng tạo mới và trải phẳng góc uốn
– Cải tiến Quản lý dự án và quy trình: SOLIDWORKS Manage cung cấp công cụ quản lý dữ liệu, dự án, và quản lý quy trình trong một gói phần mềm quen thuộc Các khả năng quản lý các dự án, và quản lý quy trình được thêm vào SOLIDWORKS PDM Professional – Các tiện ích cải tiến: Online Licensing giúp cho việc sử dụng các license trên nhiều máy tính tiện lợi hơn trước rất nhiều SOLIDWORKS Login sẽ chuyển các nội dung và cài đặt các tùy chịn đến bất kỳ máy tính nào được cài SOLIDWORKS, trong khi Admin Portal cho phép quản lý các sản phẩm và dịch vụ của SOLIDWORKS dễ dàng hơn
– Tính năng gia công: Giải pháp gia công CAD CAM kết hợp, giải pháp có tên SOLIDWORKS CAM, nó được tách ra để bán riêng Giài pháp này khá đơn giản và dễ dùng. Các modul đơn giản thân thiện Vậy nên để trải nghiệm bạn có thể đăng kí tại đây để dùng thử ngay giải pháp này cho gia công 51 52 TỔNG KẾT Qua tìm hiểu nghiên cứu đề tài đã giúp chúng em hiểu quá trình thiết kế, xây dựng một hệ thống trong thực tế Ngoài ta, còn giúp em
Thực hiện: Trần Ngọc Hiệp Trang 45 nâng cao hiểu biết về các phân loại sản phẩm, có thêm kiến thức về điều khiển xylanh khí nén , khả năng tính toán thiết kế xây dựng hệ thống cơ khí
Qua đây em sẽ điểm qua vài ưu điểm của hệ thống băng tải được thiết kế như trên, và một vài nhược điểm cũng như khó khăn mà em gặp phải:
- Ưu điểm hệ thống: Thiết kế nhỏ gọn, vận hành an toàn Đơn giản trong thao tác vận hành, bảo trì - Sử dụng hệ thống khí nén ổn định, độ tin cậy cao Độ chính xác phân loại cao. Linh hoạt điều chỉnh thông số, phân loại được nhiều kích cỡ và chiều cao sản phẩm Làm việc được trên môi trường trên cao, thời tiết khắc nhiệt
- Nhược điểm: Giá thành của bộ PLC cao.Hệ thống khí nén có thể gây ồn Chỉ vận hành được phôi có trọng lượng vừa phải Cần theo dõi để bảo trì trục tang theo thời gian nhất định Định hướng phát triển tương lai: Em sẽ phát triển đề tài thành một sản phẩm hoàn chỉnh và thiết kế thêm nhiều phần và chi tiết tối ưu cho hệ thống nhằm giảm thời gian, tăng độ chính xác và độ bền cho hệ thống cả về phần thiết kế cơ khí và lập trình sử dụng.
Qua tìm hiểu nghiên cứu đề tài đã giúp chúng em hiểu quá trình thiết kế, xây dựng một hệ thống trong thực tế Ngoài ta, còn giúp em nâng cao hiểu biết về các phân loại sản phẩm, có thêm kiến thức về điều khiển xylanh khí nén , khả năng tính toán thiết kế xây dựng hệ thống cơ khí Qua đây em sẽ điểm qua vài ưu điểm của hệ thống băng tải được thiết kế như trên, và một vài nhược điểm cũng như khó khăn mà em gặp phải: - Ưu điểm hệ thống: Thiết kế nhỏ gọn, vận hành an toàn Đơn giản trong thao tác vận hành, bảo trì - Sử dụng hệ thống khí nén ổn định, độ tin cậy cao Độ chính xác phân loại cao Linh hoạt điều chỉnh thông số, phân loại được nhiều kích cỡ và chiều cao sản phẩm Làm việc được trên môi trường trên cao, thời tiết khắc nhiệt -Nhược điểm: Giá thành của bộ PLC cao.Hệ thống khí nén có thể gây ồn Chỉ vận hành được phôi có trọng lượng vừa phải Cần theo dõi để bảo trì trục tang theo thời gian nhất định Định hướng phát triển tương lai: Em sẽ phát triển đề tài thành một sản phẩm hoàn chỉnh và thiết kế thêm nhiều phần và chi tiết tối ưu cho hệ thống nhằm giảm thời gian, tăng độ chính xác và độ bền cho hệ thống cả về phần thiết kế cơ khí và lập trình sử dụng.
