đồ án thiết kế hệ thống cơ khí sản xuất tự động thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

Chính vì vậy, các ngành công ty, doanh nghiệp sản xuất phải lựa chọn một hệthống điều khiển tự động sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra cho ngành, đảmbảo điều kiện cơ sở vật chất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

Sinh viên: Trần Anh Minh Mã số sinh viên:20184553

HÀ NỘI, 22 – 10 - 2021

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI SME.EDU - Mẫu 6.a

ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ Mã HP: ME4503

Thời gian thực hiện: 15 tuần; Mã đề: VCK01-1

Ngày giao nhiệm vụ: 15/10/2021; Ngày hoàn thành: 20/1/2022

Họ và tên sv:Trần Anh Minh MSSV:20184553 Mã lớp: 710931 Chữ ký SV: Minh

TS.Trương Công Tuấn

I Nhiệm vụ thiết kế: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm

II Số liệu cho trước:

1 Hệ thống cấp phôi tự động

2 Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: Khí nén

3 Nguồn lực quay băng tải: Động cơ điện

4 Bộ truyền ngoài: Xích

5 Thông số hình học phôi:

þ Hình trụ: =5 cm, =7 cm, =3 cmh1 h2 h3

= 5 cm, = 5 cm, = 5 cmd1 d2 d3

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

7 Năng suất làm việc: = 20 sp/phN

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 và thiết kế

- Thiết kế các mô đun chức năng của hệ thống:

+ Mô đun cấp phôi tự động

+ Mô đun băng tải

+ Mô đun phân loại: pít tong khí nén, van từ, sensor,

3 Thiết kế chi tiết và xây dựng bản vẽ lắp

- Xây dựng bản vẽ lắp 2D/3D

- Xây dựng các bản vẽ chế tạo các chi tiết chính

4 Mô phỏng nguyên lý hoạt động (động học)

Mục Lục

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM 7

1.1 Khái niệm và ứng dụng 7

1.2 Nguyên lý hoạt động 10

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG 11

2.1 Băng tải 11

2.2 Bộ truyền đai/xích 13

2.3 Pittong/van khí nén 15

2.4 Động cơ 16

2.5 Cảm biến 20

2.6 Phương án thiết kế: 23

2.6.1 Yêu cầu chung của thiết kế: 23

2.6.2 Lựa chọn phương án thiết kế: 23

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 24

3.1 Hệ thống băng tải 24

3.1.1 Tính các thông số hình, động học băng tải 25

3.1.2 Tính lực kéo băng 26

3.1.3 Tính kiểm nghiệm độ bền dây băng 28

3.2 Tính chọn động cơ 28

3.3 Tính chọn bộ truyền ngoài 31

3.4 Tính trục tang chủ động/bị động 38

3.4.1 Tính đường kính trục sơ bộ 38

3.4.2 Các lực tác dụng lên trục chủ động 39

3.4.3 Tính toán đường kính trục : 41

3.4.4 Kiểm nghiệm độ bền của trục 43

3.4.5 Chọn và kiểm nghiệm then 47

3.4.6 Chọn, kiểm nghiệm ổ lăn: 50

3.5 Hệ thống cấp phôi 51

3.6 Hệ thống khí nén 53

CHƯƠNG IV: XÂY DỰNG BẢN VẼ HỆ THỐNG 58

KẾT LUẬN 58

TÀI LIỆU THAM KHẢO 59

Danh mục hình ảnh

Hình 1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước 8

Hình 1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng 8

Hình 1.3 Hệ thống phân loại sản phẩm theo vật liệu 9

Hình 1.4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch 9

Hình 1.5 Minh họa Mô hình phân loại sản phẩm tự động 10

Hình 2.1 cấu tạo chung của băng tải 11

Hình 2.2 Mô hình băng tải trong thực tế 13

Hình 2.3 Bộ truyền xích 14

Hình 2.4 Xilanh khí nén 16

Hình 2.5 Kí hiệu van trên sơ đồ điện 16

Hình 2.6 Động cơ điện 1 chiều 17

Hình 2.7 Động cơ xoay chiều 3 pha 17

Hình 2.8 Động cơ bước 18

Hình 2.9 Động cơ servo 18

Hình 2.10 Động cơ điện một chiều thực tế 19

Hình 2.11 Một số loại cảm biến 21

Hình 2.12 Cảm biến quang 23

Hình 3.1 Kích thước băng tải, khoảng cách phôi trên băng tải 25

Hình 3.2 Các lực cản chuyển động của băng 26

Hình 3.3 Biểu đồ momen trục 41

Hình 3.4 Phễu cấp phôi định hướng bằng ống quay 53

Hình 3.5 Lực tác dụng lên xi lanh khí nén 54

Hình 3.6 Bình nén khí Pegasus TM-V-0.12/8-70L(220V) 1.5HP 57

Hình 4.1 Bản vẽ lắp 3D 58

Danh mục bảng Bảng 2.1 Một số loại băng tải và phạm vi ứng dụng 12

Bảng 2.2 So sánh bộ truyền đai và bộ truyền xích 14

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của phôi 24

Bảng 3.2 Trị số hiệu suất của các loại bộ truyền và ổ 29

Bảng 3.3 Tỉ số truyền nên dùng cho các bộ truyền trong hệ 30

Bảng 3.4 Thông số kỹ thuật động cơ 30

Bảng 3.5 Các loại xích và số răng tương ứng 31

Bảng 3.6 Trị số của các hệ số thành phần trong hệ số sử dụng k 32

Bảng 3.7 Công suất cho phép [P] của xích con lăn 33

Bảng 3.8 Số lần va đập cho phép [i] của các loại xích 34

Bảng 3.9 Các thông số của xích con lăn 34

Bảng 3.10 Trị số của hệ số an toàn 35

Bảng 3.11 Diện tích chiếu mặt tựa bản lề A 37

Bảng 3.12 Chọn vật liệu theo ứng suất cho phép 37

Bảng 3.13 Tổng hợp các thông số của bộ truyền xích 38

Bảng 3.14 Chiều rộng ổ lăn trên trục 39

Bảng 3.15 Trị số ứng suất cho phép [σ] 42

Bảng 3.16 Bảng trị số của các hệ số kể đến ảnh hưởng của ứng suất trung bình đến độ bền mỏi 44

Bảng 3.17 Bảng trị số của hệ số tập trung ứng suất do trạng thái bề mặt Kx 44

Bảng 3.18 Bảng trị số của hệ số tăng bền Ky 45

Bảng 3.19 Trị số của Kσ/εσ và Kτ/ετ đối với bề mặt trục lắp có độ dôi 46

Bảng 3.20 Các thông số của then bằng 47

Bảng 3.21 Ảnh hưởng của rãnh then 49

Bảng 3.22 trị số của Kσ và Kτ đối với trục có rãnh then, 49

Bảng 3.23 Bảng chọn ổ bi 50

Bảng 3.24 Bảng trị số tuổi thọ nên dùng L của ổ lăn h 51

Bảng 3.25 Thông số kỹ thuật của xi lanh 55

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng 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 triểncàng ngày đa đạng đáp ứng được các yêu cầu trong cuộc sống, trong các lĩnh vực côngnghiệp Chính vì vậy, các ngành công ty, doanh nghiệp sản xuất phải lựa chọn một hệthống điều khiển tự động sao cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra cho ngành, đảmbảo điều kiện cơ sở vật chất cho phép, tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quảsản xuất, dễ dàng bảo trì và sửa chữa hệ thống khi có sự cố

Trước thời cơ và thách thức của thời đại đòi hỏi sự nhận biết, nắm bắt và vận dụng cóhiệu quả các thành tựu khoa học kĩ thuật thế giới nói chung và kĩ thuật điều khiển tựđộng nói riêng, kỹ thuật điều khiển tự động đã được ứng dụng rộng rãi ở các nghànhsản xuất, doanh nghiệp một cách nhanh chóng

Việc ứng dụng kỹ thuật điều khiển tự động vào quá trình phân loại sản phẩm là mộttrong những thành tựu đáng kể làm thay đổi một nền sản xuất cũ mang nhiều hạn chế,làm thay đổi cục diện của nền công nghiệp trong nước Chính vì vậy, đề tài “Thiết kế

hệ thống phân loại sản phẩm” trở thành một đề tài tiềm năng để tìm hiểu, xây dụngthiết kế cải tiến góp phần vào sự hoàn thiện và phát triển sâu, rộng của nó hơn nữatrong đời sống sản xuất của con người

Trong quá trình làm đồ án môn học, em đã tuân theo đầy đủ các bước trong tài liệuhướng dẫn và sự chỉ bảo của thầy Trương Công Tuấn để hoàn thiện đồ án môn họcđúng tiến độ, tuy nhiên không thể tránh được những thiếu sót hạn chế, kính mong được

sự chỉ bảo góp ý giúp đỡ của các quý thầy cô và các bạn

Em xin chân thành cảm ơn!

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN

LOẠI SẢN PHẨM 1.1 Khái niệm và ứng dụng

Ngày nay, việc tập trung hóa- tự động hóa công tác quản lí, giám sát và điềukhiển các hệ thống tự động nhằm năng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tránh rủi

ro, tiết kiệm được chi phí

Hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng nhiều trong sản xuất tự động hànghóa với số lượng lớn, giúp phân loại nhanh những sản phẩm đạt yêu cầu và những sảnphẩm bị lỗi (phế phẩm) cũng như phân loại thành những nhóm có đặc điểm khác nhauphục vụ cho những công đoạn sản xuất sau này

Trong các nhà máy sản xuất hàng thực phẩm, nhà máy sản xuất gạch ốp lát chongành xây dựng hay sản xuất các chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử …, dòng sản phẩmđược tạo ra sau hàng loạt những quy trình công nghệ cần được kiểm tra để đảm bảoloại bỏ được những phế phẩm cùng với đó phân loại những sản phẩm đạt chất lượngthành những nhóm cùng loại khác khau, tạo điều khiện thuận lợi cho quá trình lưu kho

để phân phối ra thị trường hay phục vụ tốt hơn cho những công đoạn sản xuất tiếp theo.Hơn nữa, nó còn có thể tích hợp thêm chức năng dãn nhãn, đếm và quản lý sảnphẩm , giúp nâng chất lượng của sản phẩm và nâng cao hiệu quả hoạt động của dâychuyền sản xuất

Từ những yêu cầu thực tế đó mà hệ thống tự động phân loại sản phẩm đã sớmđược hình thành và phát triển, trở thành một khâu quan trọng trong một hệ thống sảnxuất tự động, để thực hiện chức năng kiểm tra, phân loại đảm bảo sự vận hành liên tụccủa dòng phôi liệu trong quá trình sản xuất tự động Đạt được mục tiêu nâng cao tínhcạnh tranh của sản phẩm, làm chủ giá thành và chất lượng sản phẩm, tăng khả nănglinh hoạt phát triển sản phẩm, thay đổi mẫu mã đáp ứng nhu cầu thị trường

Trong thực tế sản xuất chúng ta rất dễ bắt gặp những dây chuyền mà sản phẩmđầu ra có kích thước,hình dáng khác nhau, cụ thể ở đây là theo chiều cao của sản phẩm

Để tối giản chi phí lao động và tránh cho công nhân những công việc nhàm chán, giảm

tỉ lệ sai sót trong dây chuyền, hệ thống phân loại sản phẩm tự động được ra đời.

Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp bao gồm:

- Phân loại sản phẩm theo kích thước: Phương pháp này dựa vào kích thước của sảnphẩm mà phân loại Phương pháp này thường được áp dụng trong các ngành công

nghiệp chế biến bia, nước giải khát,

H4nh 1.1Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước

- Phân loại sản phẩm theo khối lượng: Phương pháp này dựa vào khối lượng của sản phẩm mà phân loại, thường gặp nhiều trong chế biến thủy, hải sản

H4nh 1.2 Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng

- 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

H4nh 1.3Hệ thống phân loại sản phẩm theo vật liệu

- Phân loại sản phẩm theo mã vạch: Mã vạch được tạo riêng cho từng loại sản phẩm

về số lượng, mặt hàng, thông tin khách hàng ngay trực tiếp trên sản phẩm

H4nh 1.4 Hệ thống phân loại sản phẩm theo mã vạch

1.2 Nguyên lý hoạt động

Nguyên lý hoạt đông:Hệ thống hoạt động trên nguyên lý dùng các cảm biến để xác

định chiều cao của sản phẩm Sau đó dùng cơ cấu chấp hành để phân loại sản phẩm có chiều cao,khác nhau Cơ cấu chấp hành có thể là xylanh đẩy, cần gạt được dẫn động từ động cơ…

H4nh 1.5Minh họa Mô h4nh phân loại sản phẩm tự động

Các yêu cầu kĩ thuật của hệ thống phân loại sản phẩm

- Về cơ khí: phân tích tính toán 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 dànglắp đặt và sửa chữa

- Về điều khiển: điều khiển hoàn toàn tự động.

- Về an toàn: đảm bảo an toàn cho người sử dụng và sản phẩm không bị hỏng.

Phương án thiết kế của hệ thống:

- Sử dụng 1 băng tải để vận chuyển sản phẩm

- Đặt 2 sensor trước 2 xilanh để nhận biết sản phẩm

- Sử dụng 3 xilanh để cấp phôi và phân loại sản phẩm

- Sử dụng bộ điều khiển PLC để điều khiển hoạt động của hệ thống

Ưu điểm: Có khả năng vận chuyển sản phẩm nhanh hơn, năng suất cao hơn Sử dụng

hệ thống xilanh khí nén cho tốc độ làm việc nhanh với độ tin cậy và chính xác cao hơn.Điều khiển dễ dàng, hoạt động ổn định Lắp đặt dễ dàng, giá thành thấp

Nhược điểm: Phụ thuộc vào hệ thống khí nén, không hoạt động được nếu không có

hệ thống cung cấp khí nén

Ta chọn phương án thiết kế như ở trên vì các ưu điểm nêu trên và thực tế trong cácnhà máy sản xuất hiện nay thường có lắp đặt sẵn hệ thống cung cấp khí nén nên sẽ

khắc phục được phần nào những nhược điểm

CHƯƠNG II CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA

HỆ THỐNG

2.1 Băng tải

Trong sản xuất công nghiệp băng tải được ứng dụng rộng rãi để vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu trong quá trình sản xuất Trong các nhà máy sản xuất vật liệu xây dựng, phụ tùng cơ khí, khai thác khoáng sản, các nhà máy sản xuất hàng thực

phẩm, đồ ăn nhanh, nước giải khát; các nhà máy tái chế vật liệu, lắp ráp sản phẩm,…

Ở bất kỳ một nhà máy sản xuất hàng loạt, hàng khối nào, ta đều có thể dễ dàng bắt gặp hình ảnh của những băng tải vận chuyển, nó là hình ảnh của dây chuyền sản xuất, đóngmột vai trò quan trọng trong việc tự động linh hoạt sản xuất, tăng năng xuất, giải phóngsức lao động của con người

H4nh 2.6cấu tạo chung của băng tải

1 - Băng tải, 2 - Trục chủ động, 3 - Trục bị động, 4 - Hệ thống đỡ (giá đỡ, con lăn,…)

Khi thiết kế băng vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một trong

số các loại băng tải sau:

Băng tải

lưới inox

Băng tải lưới inox được ứng dụng để vận chuyển hàng hóa, nguyên liệu trong nhiều lĩnh vực sản xuất khác nhau, đặc biệt là trong các ngành chế biến, sấy khô thực phẩm, nguyên liệu với khả năng nhịu được nhiệt độ cao trong quá trình làm việc

Băng tải

con lăn

Ứng dụng phổ biến của băng tải con lăn bao gồm văn phòng phân loại bưu chính và hệ thống xử lý hành lý sân bay

Bảng 2.1 Một số loại băng tải và phạm vi ứng dụng

H4nh 2.7Mô h4nh băng tải trong thực tế

2.2 Bộ truyền đai/xích

Băng tải là hệ thống vận chuyển liên tục, do đó để thuận lợi cho việc vận chuyển trong quá trình sản xuất người ta thường lắp thêm bộ truyền động cho băng tải, giúp cho quá trình vận chuyển của băng tải trở lên dễ dàng và chính xác

Ưu điểm

Làm việc êm và không ồn,

tốc độ cao

Giữ được an toàn cho các chi

tiết máy và động cơ khi bị

quá tải do hiện tượng trượt

Lực tác dụng lên trục nhỏ hơn truyền động đai vì không cần căngxích

Lực tác dụng lên trục và ổ lớn

do phải căng đai

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

Vận tốc và tỷ số truyền tức thời không ổn định

Bảng 2 2 So sánh bộ truyền đai và bộ truyền xích

Hệ thống sử dụng bộ truyền xích để sử dụng vì ưu điểm sau:

- Có thể làm việc quá tải khi đột ngột,hiệu suất cao hơn,không có hiện tượngtrượt

- Không đòi hởi phải căng xích,lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn

- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu cùng công suất và số vòngquay

- Bộ truyền xích truyền công suất nhờ sự ăn khớp giữa xích và đĩa nhông,do đógóc ôm không có vị trí quan trọng như bộ truyền đai và do đó có thể truyền công suất

và chuyển động cho nhiều đĩa xích đồng dẫn

- Các thành phần của bộ truyền xích

+ Dây xích

+ Nhông xích(còn gọi là đĩa xích)

H4nh 2.8Bộ truyền xích

Bảng 3.11 Các thông số của xích con lăn

z 1

=12,7sin π25

=101,3 (mm)

d2= tsin π

z 2

=12,7sin π50

=202,3 (mm)Đường kính đỉnh răng

Bảng 3.13 Diện tích chiếu mặt tựa bản lề A

k d: là hệ số phân phối tải không đều giữa các dãy, k d =1 do dùng 1 dãy

Thay số ta được: σH=352,95 MPa

Theo bảng 3.9, ta chọn vật liệu làm đĩa xích là Thép 45, nhiệt luyện tôi cải thiện với đĩa bị động có z >30 với vận tốc xích v<5 m/ s

Bảng 3.15 Tổng hợp các thông số của bộ truyền xích

Tct =9,55.10.Pct

nct =9,55.10 0,062

26,42 =22411,05(N.mm)vật liệu thép 45 có sb = 600 Mpa, ứng suất xoắn cho phép [ ]=15 ÷ 30 MPa.𝜏

d sb ≥ 3√22411,05 0,2.15 =19,5( mm)

Trọng lượng của con lăn: P1=40 N

Trọng lượng của nhông xích: P 2 =5 N

21.5

Trọng lượng của băng tải: P=1

2.(Mmax+mbt)g= ( 20 1 + ).9,81 103 = (N)Phản lực của 2 ổ bi: Y1và Y2

0,1.63 =16,78(mm)

Tra bảng trị số ứng suất cho phép, ứng suất cho phép của thép 45 chế tạo trục là [ ]= 𝜎

0,1.63 =14,74(mm)Vậy chọn đường kính trục là 20mm

Momen tương đương tại đĩa xích:

Xuất phát từ các yêu cầu về độ bền, lắp ghép và công nghệ ta chọn đường kính các

đoạn trục như sau :

d1 = d = 20mm (Đoạn trục lắp với ổ lăn)3

d0 = 15mm (Đoạn trục lắp với đĩa xích)

d2 = 30mm (Đoạn trục lắp với băng tải)