thiết kế chế tạo hệ thống pha màu sơn nước đóng nắp lon tự động

Kết luận:  Được phép bảo vệ  Không được phép bảo vệ TP.HCM, ngày tháng năm 20… Giảng viên hướng dẫn Ký, ghi rõ họ tên tối đa Điểm đạt được Đúng format với đầy đủ cả hình thức và

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay, đất nước ta đang trong giai đoạn Công nghiệp hóa - Hiện đại hóa Vì vậy việc đầu tư và ứng dụng dây chuyền sản xuất tự động để giảm chi phí sản xuất, tăng năng suất lao động, tạo ra sản phẩm chất lượng cao đáp ứng nhu cầu của khách hàng Và một trong những ngành có sự phát triển mạnh mẽ hiện nay là ngành xây dựng, việc ứng dụng dây chuyền sản xuất tự động trong lĩnh vực này là cần thiết và một trong số đó là công nghiệp sản xuất sơn.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

Sơn là một trong những vật liệu cần thiết của ngành xây dựng, được dùng trong trang trí nội thất, để sơn bề mặt vật dụng, đồng thời là vật liệu trang trí thẩm mỹ Vì vậy, màu sắc và chất lượng của sơn cũng là yếu tố cần được quan tâm Hiện nay việc pha màu trên thị trường hầu hết đều sử dụng phương pháp thủ công dẫn đến độ chính xác không cao, chất lượng và năng suất tương đối thấp Để khắc phục những khuyết điểm trên nhóm chúng em đã đưa ra một sản phẩm sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) hiện đang được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực tự động hoá, với những ưu điểm nổi trội của nó là: giá thành thấp, thi công lắp đặt thuận tiện, bảo dưỡng thuận tiện, hoạt động ổn định… Xuất phát từ tình hình thực tế và mong muốn hiểu rõ về PLC, chúng em đã chọn đề tài của mình là:

“Thiết kế, chế tạo hệ thống pha màu sơn nước, đóng nắp lon tự động”.

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Sơn là một trong những nguyên vật liệu chủ yếu trong ngành xây dựng nhằm bảo vệ bề mặt của công trình, sản phẩm Đồng thời yếu tố thẩm mĩ là rất quan trọng và màu sắc của sơn quyết định yếu tố này Ngoài những công trình xây dựng lớn được pha chế bằng máy với giá thành cao thì vẫn còn một số việc pha màu hiện nay dựa trên phương pháp thủ công chính là kinh nghiệm của những người thợ xây dựng nhằm tiết kiệm chi phí, thế nên độ chính xác, đồng đều màu giữa những lần pha là không cao, năng suất thấp, lãng phí sức lao động và thời gian Với mong muốn khắc phục được những hạn chế nêu trên, nhóm em đã tiến hành thiết kế, thi công hệ thống pha trộn sơn và đóng nắp lon tự động với những cải tiến sau:

- Xây dựng mô hình hoàn chỉnh, phần cứng được thiết kế chắc chắn, ổn định

- Lon và nắp được cấp hoàn toàn tự động

- Màu sắc và thể tích đúng với yêu cầu, đồng đều giữa các lần pha

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Trong nội dung luận văn này, nhóm em tập trung phát triển mô hình trong phạm vi:

- Mô hình tạo ra được lon sơn hoàn chỉnh, pha được 20 màu sơn

- Cơ cấu cấp lon, cấp nắp tối đa chỉ được 5

- Công suất hoạt động của hệ thống: 90 lon/giờ.

Kết cấu đồ án tốt nghiệp

Đề tài: “Thiết kế, chế tạo hệ thống pha màu sơn nước, đóng nắp lon tự động” bao gồm các chương sau:

- Chương 1: Tổng quan về đề tài

- Chương 2: Cơ sở lý thuyết

- Chương 3: Tính toán, thiết kế và lựa chọn thiết bị cho hệ thống pha trộn sơn

- Chương 4: Chế tạo, thử nghiệm, đánh giá hệ thống pha sơn

- Chương 5: Kết luận và hướng phát triển

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về sơn nước

Sơn nước là một loại sơn được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp sơn và trang trí nội thất Đây là một loại sơn có thành phần chủ yếu là nước, kết hợp với các hợp chất nhựa acrylate hoặc latex Sơn nước có nhiều ưu điểm, bao gồm tính an toàn cho môi trường và sức khỏe con người, dễ sử dụng và dễ vệ sinh, nhanh khô, và mang lại một bề mặt mịn màng và thẩm mỹ

Sơn nước thường bao gồm nước, hỗn hợp nhựa acrylate hoặc latex, các hợp chất phụ gia và chất tạo màu Nhựa acrylate hoặc latex là thành phần chính để tạo nên màng sơn, chúng có khả năng tạo liên kết và bám dính vào bề mặt Ưu điểm:

- Tính an toàn cho môi trường và sức khỏe: Sơn nước thường ít chứa các hợp chất hóa học độc hại, không chứa hợp chất hữu cơ bay hơi (VOC) gây ô nhiễm không khí và không có mùi khó chịu Điều này làm cho sơn nước trở thành một lựa chọn an toàn và thân thiện với môi trường

- Dễ sử dụng và vệ sinh: Sơn nước có độ nhớt thấp, dễ dàng thẩm thấu và có thể sơn trực tiếp lên bề mặt mà không cần sơn lót Nó cũng dễ dàng làm sạch và vệ sinh bằng nước và xà phòng

- Nhanh khô: Sơn nước khô nhanh, giúp tiết kiệm thời gian và cho phép tiếp tục công việc sơn một cách nhanh chóng

- Bề mặt mịn màng và thẩm mỹ: Sơn nước tạo ra một bề mặt mịn màng, có khả năng tạo ra các hiệu ứng bóng hoặc mờ, tùy thuộc vào loại sơn và kỹ thuật sử dụng

Sơn nước được sử dụng rộng rãi trong trang trí nội thất, như sơn tường, trần nhà, cửa sổ, cánh cửa, đồ nội thất và các bề mặt khác trong nhà Nó cũng có thể được sử dụng trên một số bề mặt ngoại thất, nhưng thường cần có lớp phủ bảo vệ để đảm bảo độ bền và kháng thời tiết

Mặc dù sơn nước có nhiều ưu điểm, nhưng nó cũng có một số hạn chế Sơn nước có độ bền và khả năng chịu mài mòn thấp hơn so với các loại sơn khác như sơn dầu hoặc sơn epoxy, do đó không phù hợp cho các bề mặt có tiếp xúc và va chạm nhiều

Tóm lại, sơn nước là một sự lựa chọn phổ biến và thân thiện với môi trường trong ngành công nghiệp sơn và trang trí

2.1.1 Công nghệ sản xuất sơn

Công nghệ sản xuất sơn nước thông thường bao gồm các bước chính sau:

- Bước 1: Chuẩn bị nguyên liệu: Các nguyên liệu chính để sản xuất sơn nước bao gồm nước, nhựa acrylate hoặc latex, chất phụ gia và chất tạo màu Các nguyên liệu này thường được mua từ các nhà cung cấp chuyên dụng và phải tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng

- Bước 2: Pha trộn: Các nguyên liệu được pha trộn với nhau để tạo thành hỗn hợp sơn Quá trình này thường được thực hiện trong các hệ thống trộn công nghiệp, trong đó các máy trộn và bơm được sử dụng để đảm bảo sự đồng nhất và đảm bảo chất lượng của sơn

- Bước 3: Điều chỉnh chất lượng: Sau khi pha trộn, hỗn hợp sơn được kiểm tra và điều chỉnh chất lượng để đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn chất lượng và hiệu suất yêu cầu Các thông số như độ nhớt, độ nhớt động, độ bám dính, độ phủ và màu sắc được đo và điều chỉnh theo cách thích hợp

- Bước 4: Quá trình sản xuất: Hỗn hợp sơn được chuyển đến quy trình sản xuất, trong đó nó được đưa vào các máy phun sơn hoặc các hệ thống đánh bóng để tạo ra sản phẩm cuối cùng Quá trình này có thể thay đổi tùy thuộc vào loại sơn và ứng dụng cụ thể

- Bước 5: Đóng gói: Sau khi sản xuất xong, sơn được đóng gói vào các hộp, can hoặc thùng để bảo vệ và vận chuyển Các thông tin về sản phẩm, nhãn hiệu, hướng dẫn sử dụng và cảnh báo an toàn thường được in trên bao bì

Ngoài ra, trong quá trình sản xuất sơn nước cũng có thể có các bước bổ sung như xử lý nước để đảm bảo chất lượng nước sử dụng, quá trình trung hòa và điều chỉnh pH của hỗn hợp sơn, và các bước kiểm tra chất lượng cuối cùng trước khi đóng gói

Công nghệ sản xuất sơn nước thường được cải tiến liên tục để cải thiện chất lượng sản phẩm, hiệu suất và hiệu quả sản xuất Các nhà sản xuất cũng thường tìm cách giảm thiểu tác động môi trường của quá trình sản xuất bằng cách sử dụng nguyên liệu thân thiện với môi trường và quá trình sản xuất sạch hơn

Hình 2 1 Mô hình sản suất sơn [1]

2.1.2 Quy luật pha màu sơn

Màu sắc là một thuộc tính của ánh sáng mà con người cảm nhận được thông qua mắt

Nó là một phản ứng tâm lý của não bộ đối với các tín hiệu ánh sáng khác nhau được phản xạ, hấp thụ hoặc truyền qua các vật thể Màu sắc được biểu diễn bằng một loạt các sắc thái khác nhau, từ màu sáng đến màu tối, từ màu sáng đến màu đậm Màu sắc không chỉ có tác động tâm lý mà còn có ảnh hưởng trong nhiều lĩnh vực khác nhau như nghệ thuật, thiết kế, truyền thông, thị giác học, tâm lý học và nhiều lĩnh vực khác Nó cũng có thể gợi lên cảm xúc và tạo ra sự tương tác đặc biệt giữa con người và môi trường xung quanh

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ VÀ LỰA CHỌN THIẾT BỊ CHO HỆ THỐNG

Tính toán thiết kế cơ khí hệ thống pha trộn sơn

3.1.1 Yêu cầu của hệ thống

Yêu cầu về phần cơ khí: Phần cơ khí được xây dựng và lắp đặt với tiêu chí đề cao sự chắc chắn, chính xác, độ ổn định cũng như đảm về vấn đề vệ sinh nhằm nâng cao tuổi thọ và hạn chế tối đa các lỗi có thể xảy ra của mô hình

Yêu cầu về phần điều khiển: Hệ thống được điều khiển và giám sát thông qua HMI và Webserver nhưng chỉ trong mạng nội bộ

3.1.2 Trình tự công việc tiến hành

Trình tự công việc tiến hành thiết kế và thi công hệ thống pha trộn sơn gồm các bước sau đây:

Hình 3 1 Trình tự công việc tiến hành

Xác định yêu cầu và mục tiêu: Cần xác định rõ các thông số kỹ thuật, tiêu chuẩn và phương pháp kiểm tra cần áp dụng

Phân tích và thu thập thông tin: Nghiên cứu và thu thập thông tin liên quan đến máy Nắm được về các thiết kế và công nghệ hiện có, các tiêu chuẩn và quy định, cũng như các nghiên cứu và kinh nghiệm từ các máy kiểm tra tương tự

Tính toán, thiết kế: Dựa trên thông tin đã thu thập bao gồm việc xác định cấu trúc và cơ cấu của máy, lựa chọn các linh kiện và vật liệu, và đưa ra các bản vẽ và mô hình 3D cho máy Tiến hành thiết kế cơ khí cho máy, bắt đầu từ việc thiết kế khung bảo vệ, thiết kế các cấu kiện gá lắp Đảm bảo rằng nó có độ cứng và độ bền đủ để chịu được tải trọng và các yêu cầu khác của quá trình kiểm tra Tiến hành thiết kế, thi công điện và lập trình điều khiển: Thiết kế bộ điều khiển và mạch điện tử để điều khiển các chức năng của máy kiểm tra độ bền mỏi ghế, bao gồm điều khiển tải trọng, đo lường và ghi nhận dữ liệu, và các tính năng khác

Kiểm tra và hiệu chỉnh: Tiến hành kiểm tra toàn bộ hệ thống và điều chỉnh các thông số cần thiết để đảm bảo máy hoạt động đúng và đáng tin cậy

3.1.3 Tính toán hệ lực tác động

10 Để thuận tiện cho việc thiết kế hệ thống pha trộn sơn: nhóm chúng em chia hệ thống thành 5 cụm để thành phần hóa hệ thống Sau đó sẽ phân tích từng cụm tính toán các lực tác động mà gây ra

Thành phần các cụm được biểu diễn theo sơ đồ sau:

Hình 3 2 Sơ đồ phân tích cụm hệ thống a) Cụm truyền động

Tính toán hệ thống băng tải Cơ sở lý thuyết tính vận tốc băng tải:

Tốc độ băng tải = Chu vi trục rulô x số vòng rulô quay trên phút.

Thông số băng tải truyền động:

Vật liệu chuyền tải: Lon sơn 75mm x 75mm

Khối lượng tải trọng: G = 0,5 kg

Vận tốc chuyển tải: v= 0,1 m/s =6 m/phút

Năng suất: Qsp= 90 lon/giờ

Hệ số nạp liệu không đều k= 2

Chiều rộng băng tải: B= 100 mm=0.1 m Đường kính trục tang: D= 36mm = 0.036 m

Lon sơn đi vào băng tải sau mỗi khoảng thời gian 50s

Trọng lượng 1 mét dài băng tải:

Công suất cần thiết trên trục động cơ:

𝜂 đ = 0,95 Hiệu suất bộ truyền đai

𝜂 𝑘𝑛 = 0,98 Hiệu suất bộ truyền khớp nối

𝜂 𝑜𝑙 = 0,99 Hiệu suất bộ truyền ổ lăn

Số vòng quay của tang trong một phút:

𝑝ℎú𝑡 (3.5) Trong đó: v – vận tốc trung bình bộ phận kéo

D – đường kính tang k – hệ số dẫn trượt K  0.98 0.99 

Tỉ số truyền sơ bộ:

𝑢 đ = 2,8 Tỉ số truyền của bộ truyền đai

Số vòng quay của động cơ:

Hình 3 3 Mô hình 3D băng tải chính b) Cụm cấp lon

Lon rỗng có đường kính 7.5 mm được đặt trong 1 ống hình trụ có đường kính 100 mm, cơ cấu cấp lon được thực hiện bởi 1 xylanh đẩy đưa lon từ ống đến băng tải chính

Hình 3 4 Mô hình 3D cụm cấp lon

Hành trình xilanh: Lxl 0 mm = 0.15 m

Tải trọng đáp ứng: F= 10 N Áp suất khí nén:P= 8 bar 0000 N/m 2

Theo các thông số trên ta tính ra đường kính tối thiểu của xilanh:

=> Chọn theo tiêu chuẩn xilanh có D= 8mm

Lực đẩy tối đa của xilanh: F ra = η P A = η P πD 2

Lực kéo về tối đa của xilanh: F về = ηP π(D 2 −d 2 )

Theo tính toán và nghiên cứu nhóm đã chọn xilanh kép có đường kính 16 mm và hành trình 150mm để sử dụng cho bộn phận cấp lon

Xilanh được cố định bằng 1 khung nhôm định hình

Hình 3 5 Khung gắn xilanh cấp lon

Gồm 1 cảm biến vật cản hồng ngoại kết hợp với thanh nhôm định hình để chặn lon cố định vị trí, 4 cảm biến lưu lượng đọc xung tốc độ cao kết hợp 4 bơm lưu lượng kết hợp 4 van điện từ đóng mở dòng chảy màu sơn pha đảm nhiệm việc rót sơn từ bể vào lon theo đúng với tỉ lệ màu

Bể sơn được làm từ nhựa chia làm 4 bồn chứa mỗi bồn có thể tích lớn nhất là 1,94 lít Để cho sơn không bị chảy ra ngoài lon thì nhóm đã sử dụng một tấm khung mica có 4 lỗ cố định 4 vòi xả sao cho lúc xilanh kẹp lon đúng ngay chỗ kẹp lon đã xác định trước

Khung của bộ phận chiết rót:

Phương án 1: Sử dụng sắt hộp Ưu điểm:

 Chi phí sản xuất thấp

 Tính thẩm mỹ không cao

Phương án 2: Sử dụng sắt lỗ Ưu điểm:

 Sắt có khả năng chịu lực tốt, thời gian sử dụng có thể lên tới 15-20 năm

 Dễ tháo lắp, dễ bảo quản và vệ sinh

 Chống ăn mòn, chống han gỉ, chống cháy nổ, chống mối mọt do được phun sơn tĩnh điện

 Dễ dàng thay đổi kích thước khi cần thiết

 Các thanh sắt lỗ chỉ được lắp ghép bằng bulong ốc vít nên không đảm bảo chắc chắn

 Phương án 3: Sử dụng nhôm định hình Ưu điểm:

 Cách nhiệt và cách âm tốt

 Chưa có nhiều mẫu mã cho khách hàng lựa chọn

 Tuổi thọ: Sau nhiều năm sử dụng nhôm định hình cần được bảo dưỡng và thay thế để đảm bảo

 Giá thành cao do phức tạp về mặt gia công chế tạo

 Do vấn đề về kinh phí nên phương án nhóm lựa chọn là phương án 3 sử dụng nhôm định hình để làm khung cho bộ phận chiết rót Để tăng sự chắc chắn cho khung nhóm đã sử dụng các bulong- ốc vít với ke nối nhôm

Hình 3 6 Mô hình 3D khung chiết rót

Kiểm nghiệm bền bằng Inventor với khung của bộ phận chiết rót với tải trọng là bể sơn có thể tích max là 10 lít sơn = 120N ~ 150 N , điểm đặt lực tại vị trí bể tiếp xúc với khung, để đảm bảo an toàn nhóm sẽ kiểm tra với lực là 100 N

Hình 3 7 Phân tích ứng suất tác động lên khung chiết rót

 Ứng suất phá hủy nhỏ nhất: 0 N/m 2

 Ứng suất phá hủy lớn nhất: 1,137 Mpa = 1136510 N/m 2

 Ứng suất cho phép: 240 Mpa

 Như vậy ta thấy ứng suất phá hủy lớn nhất nhỏ hơn ứng suất cho phép nên khung đảm bảo về độ vững chắc, chịu lực tốt

Hình 3 8 Mô phỏng chuyển vị của khung chiết rót

 Chuyển vị của khung tại vị trí trung tâm thanh đỡ dài là lớn nhất: 0,046 mm

 Chuyển vị nhỏ nhất tại vị trí chân khung: 0mm

 Kiểm tra hệ số an toàn của khung khi đặt hệ số an toàn là 3 Với Min FOS

Kết luận: Khung đảm bảo an toàn, chắc chắn, chịu lực tốt

Hình 3 9 Hệ số an toàn của khung chiết rót

Kiểm tra hệ số an toàn của khung khi đặt hệ số an toàn là 3 Với Min FOS >3

Kết luận: Khung đảm bảo an toàn, chắc chắn, chịu lực tốt Để cho sơn không bị chảy ra ngoài lon thì nhóm đã sử dụng một tấm khung mica có 4 lỗ cố định 4 vòi xả sao cho lúc xilanh kẹp lon đúng ngay chỗ kẹp lon đã xác định trước

Hình 3 10 Khung mica cố định vòi xả d) Cụm dập nắp và cấp nắp

Bộ phận dập nắp và cấp nắp:

Gồm 1 xylanh kết hợp cảm biến hồng ngoại giúp cố định vị trí, 1 băng tải cấp nắp làm bằng mica, 1 xylanh chân không hút nắp, 1 xylanh đưa nắp theo phương thẳng đứng, 1 xylanh kết hợp với bánh xe v slot di chuyển theo phương ngang và 1 xylanh đập nắp

Hình 3 11 Mô hình 3D khung dập nắp

Xilanh đưa nắp theo phương thẳng đứng sử dụng loại xilanh cố định vị trí như đã tính ở bộ phận chiết rót là xilanh 2 ty, đường kính mỗi ty 16 mm, hành trình 100 mm

Xilanh chân không hút nắp:

Lực cần thiết để nâng nắp lon theo phương thẳng đứng song song với mặt phẳng băng tải:

𝐹 𝑡ℎ là lực nâng lý thuyết có thể nâng vật (N) m = 0,1 kg là khối lượng vật cần nâng ( kg) - ở đây là nắp lon

𝑎 = 5 𝑚/𝑠 2 là gia tốc nâng vật (m/s 2 )

𝑔 = 9,8 𝑚/𝑠 2 là gia tốc trọng trường (m/s 2 )

S = 2 là hệ số an toàn

Lực nâng của giác hút chân không:

P là áp suất chân không (KPa)

S là diện tích mặt giác hút (cm 2 )

𝑡 là hệ số an toàn với mặt hút theo phương ngang: t ≥ 4

Theo như tính toán thì giác hút có thể hút một vật với lực hút 14 N lớn hơn rất nhiều so với lực cần thiết để nâng là 3N nên đảm bảo sự ổn định và chắc chắn

Xilanh di chuyển theo phương ngang:

Hành trình xilanh: Lxl 0 mm = 0.1 m

Tải trọng đáp ứng: F= 100 N Áp suất khí nén:P= 7 bar = 700000 N/m 2

Theo các thông số trên ta tính ra đường kính tối thiểu của xilanh:

=> Chọn theo tiêu chuẩn xilanh có D = 16mm

Lực đẩy tối đa của xilanh: F ra = η P A = η P πD 2

4 = 113 N (3.13) Lực kéo về tối đa của xilanh: F về = ηP π(D 2 −d 2 )

Theo tính toán và nghiên cứu nhóm đã chọn xilanh kép có đường kính 16mm và hành trình 150mm để sử dụng cho bộn phận cấp lon

Xilanh di chuyển theo phương ngang được gắn chặt với giá của xilanh bằng ke nối nhôm và bu lông

Hình 3 12 Giá gắn xilanh di chuyển ngang

Kiểm nghiệm bền bằng Solidworks với khung gắn cho xilanh di chuyển theo phương ngang , điểm đặt lực tại vị trí đặt xilanh, với lực là 150 N khi xilanh đi ra

Hình 3 13 Phân tích ứng suất cho khung gắn xilanh di chuyển ngang

21 Ứng suất phá hủy nhỏ nhất: 0 N/m 2 Ứng suất phá hủy lớn nhất: 41,74 Mpa = 41740000 N/m 2 Ứng suất cho phép: 240000000 N/m 2

Như vậy ta thấy ứng suất phá hủy lớn nhất nhỏ hơn ứng suất cho phép nên khung đảm bảo về độ vững chắc, chịu lực tốt

Hình 3 14 Mô phỏng chuyển vị của khung gắn xilanh di chuyển ngang

Chuyển vị của khung tại vị trí đỉnh giá đỡ là lớn nhất: 1,178 mm

Chuyển vị nhỏ nhất tại vị trí chân giá: 0mm

Hình 3 15 Hệ số an toàn của khung gắn xilanh di chuyển ngang

Kiểm tra hệ số an toàn của khung khi đặt hệ số an toàn là 3 Với Min FOS =6,59 >3

Kết luận: Khung đảm bảo an toàn, chắc chắn, chịu lực tốt

Thiết kế hệ thống điều khiển

3.2.1 Sơ đồ khối hệ thống

Sơ đồ khối tổng quát của hệ thống pha trộn sơn như sau:

Hình 3 28 Sơ đồ tổng thể hệ thống Hình 3 27 Thiết kế 3d của hệ thống pha trộn sơn, đóng nắp lon

Khối nguồn 220VAC, 24VDC: Khối nguồn sẽ cung cấp cho 2N nguồn điện cho hệ thống Gồm một nguồn điện một pha xoay chiều 220V dùng cung cấp điện cho van điện từ và các adapter chuyển đổi và một nguồn điện 24V một chiều giúp cung cấp điện áp nuôi cho PLC chính, module mở rộng, các cảm biến, các van khí nén, động cơ DC, động cơ bơm

- Khối xử lý trung tâm và các module mở rộng: Là khối xử lý chính các tín hiệu của hệ thống Giúp giao tiếp với cảm biến, thu thập và xử lý các tín hiện thu về từ cảm biến để tính toán xử lý xuất tín hiệu ra các chân Output nhằm mục đích điều khiển các động cơ, van khí nén, Ngoài ra tạo kết nối với SCADA để giám sát hệ thống

- Khối cảm biến: phân tích, xử lý và gửi tín hiệu cho PLC

- Khối nguồn khí: dùng cấp khí cho các van khí nén

- Van khí nén: nhận tín hiệu điều khiển các xylanh

- Khối động cơ, bơm và van điện từ: Điều khiển băng tải, điều khiển tốc độ quay của hộp xoay Bơm và van điện từ có chức năng đảm nhiệm việc chiết rót sơn vào lon sơn

- Xylanh: có chức năng tạo ra các sự chuyển động, đảm bảo việc cấp lon, cố định lon đúng vị trí, chắn sơn thừa, hút nắp, đóng nắp, đẩy lon vào cơ cấu trộn và đẩy lon ra

- Khối SCADA giám sát hệ thống: Chức năng chính là giao tiếp giữa con người với hệ thống, giúp vận hành, giám sát quá trình hoạt động của hệ thống một cách ổn định, thông báo các lỗi xảy ra để nhanh chóng khắc phục

3.2.2 Lưu đồ điều khiển của hệ thống

Lưu đồ điều khiển hệ thống có ý nghĩa quan trọng trong việc mô tả và hiểu cách hệ thống hoạt động và tương tác giữa các thành phần Ý nghĩa của lưu đồ điều khiển hệ thống:

Hiểu quy trình hoạt động: Lưu đồ điều khiển giúp mô tả quy trình hoạt động của hệ thống Nó xác định các bước và luồng làm việc để đạt được mục tiêu của hệ thống Điều này giúp người dùng và nhà phát triển hiểu rõ quy trình và cách các thành phần của hệ thống tương tác với nhau

Phân chia và tổ chức công việc: Lưu đồ điều khiển giúp phân chia và tổ chức công việc giữa các thành phần của hệ thống Nó cho phép xác định trình tự và ưu tiên của các hoạt động, từ đó tạo ra sự cân đối và hiệu quả trong việc thực hiện nhiệm vụ

Xác định luồng dữ liệu: Lưu đồ điều khiển giúp xác định luồng dữ liệu và tương tác giữa các thành phần trong hệ thống Nó mô tả cách thông tin và dữ liệu được chuyển đổi, truyền và xử lý qua các bước và quy trình khác nhau

Từ đó giúp người dùng dễ dàng thực hiện xây dựng lên các chương trình điều khiển, kiểm soát chương trình

Lưu đồ giải thuật của chương trình như sau:

Hiểu quy trình hoạt động: Lưu đồ điều khiển giúp mô tả quy trình hoạt động của hệ thống Nó xác định các bước và luồng làm việc để đạt được mục tiêu của hệ thống Điều này giúp người dùng và nhà phát triển hiểu rõ quy trình và cách các thành phần của hệ thống tương tác với nhau

Phân chia và tổ chức công việc: Lưu đồ điều khiển giúp phân chia và tổ chức công việc giữa các thành phần của hệ thống Nó cho phép xác định trình tự và ưu tiên của các hoạt động, từ đó tạo ra sự cân đối và hiệu quả trong việc thực hiện nhiệm vụ

Lưu đồ giải thuật của khâu đóng nắp và cấp nắp

Hình 3 30 Chương trình con chiết rót và Dập nắp

3.2.3 Phương pháp tính toán tỉ lệ sơn trong chiết rót

Với mục tiêu đề ra để chiết rót đúng với tỉ lệ màu sơn, và phù hợp với điều khiện kinh tế thì nhóm chúng em cũng đã đề ra giải pháp như sau:

Sử dụng cảm biến lưu lượng YF-S201 trả về tín hiệu xung để quy về thể tích sơn đổ vào được

Sau khi chia tỉ lệ màu với các tỉ lệ được cài đặt tính ra thể tích mỗi màu sơn Sau đó tính ra được phần nguyên số xung để cảm biến nhận đọc Còn phần lẻ tính toán và thêm thời gian mở xung thêm

Công thức tính lưu lượng dòng chảy :

Với: A :Tiết diện ống v : Tốc độ dòng chảy với v= √2𝑔ℎ (4.22) Đường kính ống dẫn sơn : 8mm vậy bán kính sẽ là 0.004 m

Chiều cao của cột nước đến cảm biến : 0.15m

Theo tốc độ dòng chảy tính toán được như trên và dựa theo thể tích mỗi xung đếm được của cảm biến lưu lượng, sau khi đếm đủ số xung chẳn, phần lẻ của xung sẽ được quy đổi thành thời gian delay để đóng ngắt van

3.2.4 Thông kế các số lượng thiết bị điều khiển

 Cần 4 cảm biến lưu lượng để định lượng có 4 màu sơn

 Cần 4 Motor bơm cho 4 màu sơn

 Cần 4 van điện từ để đóng ngắt khi chiết rót

 Sử dụng 2 động cơ: 1 động cơ băng tải và 1 động cơ hộp trộn sơn

 Cần 4 cảm biến tiệm cận để phát hiện vị trí lon trong từng khâu

 Cần 1 cảm biến kim loại tiệm cận để đọc số lần quay của hộp trộn

 Sử dụng 3 xilanh tròn để đẩy lon và dập nắp

 Cần 1 giác hút chân không để lấy nắp từ bộ phận cấp nắp

 1 nam châm điện nhằm hút lon

 Dựa vào các đối tượng cần điều khiển xây dựng lên tủ điện với bố trính các thiết bị để thực hiện điều khiển vận hành hệ thống Sơ đồ kết nối các bảng vẽ điều khiển tại phụ lục số 1 đến phụ lục số 4

Lựa chọn thiết bị trong mô hình

Từ cơ sở tính toán giải thuật chiết rót chúng em chọn cảm biến lưu lượng sau:

Tên cảm biến: Cảm biến lưu lượng YF-S201

Mục đích: Đo lượng sơn chảy xuống lon ở khâu chiết rót

Tính năng: Chất liệu băng nhựa bên trong có cánh quạt nước và cảm biến hall Khi nước chảy qua van cảm biến làm động cơ quay dẫn đến sự thay đổi trạng thái đầu ra của cảm biến Hall, đầu ra tín hiệu xung

Hình 3 31 Cảm biến lưu lượng YF-S201[6]

Hình 3 32 Sơ đồ hoạt động cảm biến lưu lượng YF-S201[6]

 Tần số tín hiệu đầu ra: F =7.5xQ (L/Phút) []

 F: Tần số tín hiệu đầu ra (Hz)

 Ta có 1 lít nước với công thức: 1x7.5x60 = 450 xung => 1 xung = 2.22ml

3.3.2 Cảm biến vật cản hồng ngoại

Tên cảm biến: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4

Mục đích: Nhận biết vị trí của lon, dừng băng tải khi cảm biến phát hiện lon đã đến vị trí của các khâu

Tính năng: Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu do sử dụng mắt nhận và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng biệt Cảm biến có thể chỉnh khoảng cách báo mong muốn thông qua biến trở, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở nên cần thêm 1 trở treo lên nguồn ở chân output khi sử dụng

 Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC

 Khoảng cách phát hiện: 10 ~ 30cm

 Có thể điều chỉnh khoảng cách qua biến trở

 Dòng kích ngõ ra: 300mA

 Loại ngõ ra: NPN thường mở

 Chất liệu sản phẩm: nhựa

 Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ

Hình 3 33 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4[6]

3.3.3 Cảm biến kim loại tiệm cận LJ12A3-4-Z/AX DC

Tên thiết bị: Cảm biến kim loại tiệm cận LJ12A3-4-Z/AX DC 3 dây PNP thường mở Thương hiệu: Omron

Mục đích: Cảm biến đếm số lần quay trộn sơn, tín hiệu của cảm biến cho phép dừng hộp quay đúng vị trí vuông góc với băng tải

 Dây màu nâu(Brown) là: +VCC

 Dây màu xanh dương(Blue) là: GND

 Dây màu đen (Black) là: Data

 Điện áp hoạt động: 6VDC – 36VDC

 Dòng điện ngõ ra: 300mA

 Khoảng cách phát hiện: 4 mm

 Phát hiện các đối tượng: kim loại / sắt

Hình 3 34 Cảm biến kim loại tiệm cận LJ12A3-4-Z/AX DC 3 dây PNP thường mở [6]

Tên thiết bị: Van điện từ nước thường đóng 220VAC

Mục đích: Đóng ngắt van chảy sơn ở khâu chiết rót

 Nhiệt độ thiết kế: -5 đến 85°c

 Áp suất làm việc: 0 đến 7kgf/cm²

 Chất liệu: Đồng thau, inox 304

 Kiểu kết nối với đường ống: Kiểu ren

 Kiểu tác động: Tác động trực tiếp

 Trạng thái của van: Van thường đóng

Hình 3 35 Van điện từ nước thường đóng 220VAC[3]

3.3.5 Van điện từ khí nén

Tên thiết bị: Van điện từ SMC SY3120 (Van 5/2)

Mục đích: dùng để đóng mở đường dẫn của khí nén và điều chỉnh hướng của khí nén, từ đó điều khiển hoạt động của xylanh

 kích thước cổng xả: ren M5

 Áp suất hoạt động: 0.15 – 0.8 MPa

 Loại van hơi 5 cửa 2 vị trí: (1 Đầu Coil Điện)

Hình 3 36 Van điện từ SMC SY3120 (Van 5/2) [3]

3.3.6 Van hút chân không dùng khí nén

Tên thiết bị: Van hút chân không STNC ZK

Mục đích: tạo chân không giúp hút nhả nắp

 Kớch thước cổng: ẳ” (ren 13mm)

Hình 3 37 Van hút chân không dùng khí nén[3]

Tên thiết bị: Xy lanh kép Airtac TN

Mục đích: Đẩy lon ra băng tải, đẩy thanh xi lanh, ngăn sơn rớt ra băng tải

 Đường kính xy lanh: 16 mm

Hình 3 38 Xy lanh kép Airtac TN[3]

Tên thiết bị: Xylanh tròn PVN

Mục đích: Dập nắp, giữ lon cố định

 Kích thước cổng: ren 9,6mm (1/8”)

3.3.9 Động cơ bước hộp lắc

Tên thiết bị: Step motor KH57

Mục đích: Động cơ quay hộp lắc

 Điện áp định mức: 24VDC

 Điện áp làm việc: 24 – 50 VDC

Hình 3 40 Motor Giảm Tốc S1-ST026 [3]

Tên thiết bị: Động cơ JGB37- 520

Mục đích: Động cơ băng tải

 Điện áp hoạt động: Từ 12~24V DC

 Điện áp định mức: 24V DC

 Tốc độ chạy không tải ở 24V: 66 RPM

 Dòng điện không tải ở 24V: 60 mA

 Mô-men xoắn ở 24V: 5 kg.cm

 Kích thước hộp số: 24mm

3.3.11 Driver Điều Khiển Động Cơ Bước DM556

Tên thiết bị: Driver Điều Khiển Động Cơ Bước DM556

Mục đích: Điều khiển động cơ bước

 Điện áp sử dụng: 20 ~ 50VDC

 Dòng điện ngõ ra tối đa: Max 4.2A

 Các tùy chỉnh vi bước: 1/2, 1/4, 1/8, 1/16, 1/32, 1/64, 1/128; or 1/5, 1/10, 1/20, 1/25, 1/40, 1/50, 1/100, 1/125

 Các tùy chỉnh dòng điện: 1.0A, 1.46A, 1.91A, 2.37A, 2.84A, 3.31A, 3.76A, 4.20A

 Giảm độ nóng motor bằng công nghệ implementation of 3-state current control

 Xung điều khiển: PULSE/DIRECTION & CW/CCW

 Tần số xung tối đa: 300 KHz

 Sử dụng cho động cơ 2 Phase và 4 Phase

 Bảo vệ Ngắn mạch, Quá áp, dòng, nhiệt độ tích hợp

Hình 3 42 Hộp giảm tốc SPG[3]

Tên thiết bị: Bơm nước mini RS385 12V

Mục đích: Bơm sơn vô lon

 Điện áp đầu vào: 6 – 12V ( điện áp khuyên dùng: 9 – 12 V DC – 1A)

 Đường kính động cơ: 27mm

 Đường kinh đầu máy bơm: 44mm

 Tổng chiều dài máy bơm: 60mm

 Chiều dài ống hút giới hạn: 2 mét

 Nhiệt độ nước giới hạn: 80 độ C

Hình 3 43 Hộp giảm tốc SPG[3]

CHẾ TẠO, THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ HỆ THỐNG PHA SƠN

Chế tạo và lắp ghép

Chế tạo và lắp ráp: Sau khi hoàn thành thiết kế và tính toán, tiến hành chế tạo các thành phần và linh kiện của máy kiểm tra Đồng thời, lắp ráp các thành phần lại với nhau để tạo thành máy hoàn chỉnh Quá trình chế tạo và lắp ráp cần tuân thủ các quy trình và quy định kỹ thuật

Khâu này được chúng em thiết kế đơn giản nhằm mục đích tối ưu kinh phí, nhóm chúng em thiết kế một ống nhựa dài làm nơi chứa lon và một xylanh 2 ty đẩy làm nhiệm vụ đẩy lon ra băng tải

Hình 4 1 Bộ phận cấp lon

Khâu này là khâu chính cũng là khâu quan trọng nhất của toàn hệ thống, đòi hỏi tính chính xác và ổn định cao Vì thế nhóm đã thống nhất thiết kế đo lưu lượng thông qua cảm biến và van rót trực tiếp vào lon Khâu này gồm có: van điện từ, cảm biến lưu lượng, xylanh gạt sơn, bơm mini Định lượng lượng sơn cần rót vào lon bằng cách tính toán theo tổng số xung của cảm biến lưu lượng YF-S201 Sau đó sẽ đóng ngắt van điện từ để cho lượng sơn chảy vào lon đúng với số xung đếm được, một xung bằng 2.25ml và xem như lượng chất lỏng chảy là không đổi Đây cũng là điểm mấu chốt cũng là nhược điểm rất quan trọng của cảm biến, vì vậy nhóm đã tính toán dựa trên chương trình PLC để tính toán lượng sơn chiết rót ra là chính xác nhất Sau khi chiết rót xong, sẽ có xilanh gạt sơn để tránh sơn đổ ra băng tải, hạn chế việc giảm hiệu suất của băng tải

Hệ thống chiết rót trong công nghiệp sử dụng đồng hồ đo lưu lượng (flow meter) để đảm bảo độ chính xác tuyệt đối, tuy nhiên giá thành của sản phẩm rất cao nên chúng em sử dụng cảm biến lưu lượng YF-S201 để thay thế thiết bị trên Chương trình thuật toán chiết rót tại mục lục số

Hình 4 2 Bộ phận chiết rót trong mô hình

4.1.3 Bộ phận cấp và đóng nắp

Sau khi Khâu chiết rót hoàn thành nhiệm vụ xong, lon sẽ được băng tải đưa đến vị trí đóng nắp Khâu đóng nắp này bao gồm các cơ cấu xylanh sau:

Xylanh cố định lon: dùng để cố định vị trí chính xác

Xylanh di chuyển dọc: cùng với giác hút chân không và xylanh hạ xuống và hút nắp lên từ băng tải đi chuyển đến vị trí cố định của lon thả nắp xuống đúng vị trí lon để chuẩn bị đóng nắp

Xylanh di chuyển ngang: đưa nắp được hút sang tới vị trí lon hoặc đưa xylanh dập nắp về vị trí đóng nắp

Xylanh dập nắp: dùng một lực làm nắp đóng chặt vào lon

Hình 4 3 Bộ phận đóng nắp trong mô hình

Khâu này còn thiết kế thêm một máng cấp nắp một cách chính xác đến vị trí chỉ định để đảm bảo hệ thống có thể hoàn thành được đúng nhiệm vụ

Sau khi hệ thống hoàn thành khâu đóng nắp sẽ bước tới bước cuối cùng để hoàn thành quá trình sản xuất cho ra lon sơn như yêu cầu Khâu này làm nhiệm vụ trộn sơn để sơn ở trong lon được mịn và đúng màu hơn, khâu này được thiết kế sử dụng một xylanh kết hợp nam châm điện để đẩy lon vào hộp xoay và hút lon ra khỏi hộp xoay ra bên ngoài Hộp xoay quay theo số vòng được định sẵn từ trước để tạo hỗn hợp sơn đồng nhất và dừng ở vị trí ngang với mép song song với băng tải để lon có thể được đưa ra bên ngoài

Hình 4 5 Bộ phận trộn sơn trong mô hình

4.1.5 Mô hình hoàn thiện Đây là hình ảnh mô hình hoàn thiện tổng thể sau khi thi công

Hình 4 4 Máng cấp nắp trong mô hình

Hình 4 6 Mô hình thực tế sau khi hoàn thành

Tủ điện có vai trò chủ chốt là trung tâm trong hệ thống Gồm PLC, màn hình HMI, delay, CB,… được nhóm thi công dựa trên bản thiết kế và kinh nghiệm thực tập nhà máy

Hình 4 7 Hình ảnh bên ngoài tủ điện

Hình 4 8 Hình ảnh bên trong tủ điện

Thiết kế giao diện

Sử dụng phần mềm Easy Buider nhằm thiết lập giao diện sử dụng trên màn hình HMI của WEINTEX cho các chức năng của mô hình

Hình 4 9 Giao diện sau khi khởi động

● Thao tác trong giao diện khởi động:

Main Screen : Vào giao diện chính của hệ thống để tiến hành công tác

Hình 4 10 Giao diện chính của hệ thống

Núm chỉnh : thay đổi giữa 2 chế độ Manual ( Điều khiển bằng tay ) và Auto (Tự động)

Start: Bắt đầu thực hiện quy trình

Reset: Đưa hệ thống về trị số mặc định

Main : vào hệ thống giám sát

Manual : vào giao diện điều khiển bằng tay

4.2.2 Giao diện dữ liệu tỉ lệ pha màu

Giao diện này cho người dùng một bảng màu với 73 màu sắc có tỉ lệ pha trộn được tính toán khác nhau Nhấn chọn từng màu trên bảng sẽ hiển thị tỉ lệ trong bảng bên dưới, nhập số lượng lon, nhấn CONFIRM, sau đó chuyển đến giao diện vận hành

● Thao tác trong giao diện:

- Chọn hoặc nhập số ID 1 trong 73 màu có trong bảng màu

- Nhập số lượng lon vào ô seri number

- Nếu số lượng lon nhập vào bằng 0, sẽ có thông báo yêu cầu nhập lại

- Nếu số lượng lớn hơn 0, sẽ có thông báo xác nhận lần cuối và tự động chuyển đến giao diện vận hành

Hình 4 11 Giao diện màu chọn màu trong bảng nhập số liệu

4.2.3 Giao diện giám sát Đây là giao diện chính của mô hình, chứa tất cả các tùy chọn trong điều khiển giám sát hệ thống Từ màn hình giám sát có thể quan sát được mô hình đang hoạt động như thế nào,

53 điều khiển hệ thống thông qua các nút nhấn trên màn hình, tùy chọn các màn hình quản lý sản xuất, cảnh báo lỗi

● Thao tác trong giao diện:

- Home: Trở về giao diện đậ̀u

- Main : chuyển về giao diện vận hành

- SETTING: thiết lập thông số cho hệ thống

- Status: Thể hiện trạng thái các khâu

- Control Panel: Các nút nhấn điều khiển hệ thống

- PARAMETER: Thể hiện thiết lập thể tích, số lần dập nắp, số vòng quay động cơ trộn sơn

- BACK và NEXT :chuyển tới quan sát khâu tiếp theo Để vận hành hệ thống, nhấn chọn biểu tượng màu để chọn màu sắc, số lượng lon muốn sản xuất, nhấn START để bắt đầu quá trình

Hình 4 12 Giao diện giám sát bơm và đóng nắp lon

Kết quả thực hiện

4.3.1 Sự đồng bộ về màu sắc của sơn

Công suất sản xuất thực nghiệm 3 lon trong vòng 120s Vậy dự kiến trong vòng 1 giờ có thể sản xuất được khoảng 90 lon

Hệ thống chạy liên tục vì thế có thể tăng năng suất so với các hệ thống trước đây

Khi chọn cùng một mã màu, màu sắc và thể tích đồng nhất giữa các lon

Khi so sánh giữa những lần pha với mã màu khác nhau, có sự chênh lệch về thể tích, nguyên nhân là do lập trình chọn số xung để phối màu có sự khác nhau

+Khi chọn mã màu 4 (50% đỏ, 50% vàng) Vậy số xung mỗi màu là 20 xung Tổng xung 2 màu là 40 xung (90 ml)

Hình 4 13 Màu thực tế so với màu sắc trong bảng màu

Màu sơn sau khi pha có sự đồng bộ về màu sau mỗi lượt sơn, và những màu sắc phù hợp theo lựa chọn

Hình 4 14 Đồng đều về màu sắc trong mỗi lần pha

Hình 4 15 sản phẩm sau khi trộn các màu khác nhau

4.3.2 Kiểm nghiệm chất lượng màu sơn

Gới thiệu máy xác định màu LS170

Máy đo màu Linshang LS170 là một công cụ đo chênh lệch màu tinh tế và di động, máy đo màu cầm tay này được sử dụng rộng rãi trong sơn, in thử giấy, trang trí, da và bông, in dệt, nhựa và các ngành công nghiệp khác Máy đo màu Linshang LS170 có chức năng Bluetooth và nó cần được sử dụng với APP di động phù hợp.Thiết kế khớp màu nhanh chóng, chính xác với màu Pantone

Với ID = 4 trên bảng màu ta chọn màu chuẩn là màu pantone LS - 7563 C

Hình 4.16 ID = 4 và thông số màu

Với màu sơn được trộn ta có thông số kiểm tra qua máy L2e.24, a2.06,b2f.25

Hình 4.17: Màu chuẩn LS -7563C sản phẩm và thông số máy kiểm tra được

Từ các số liệu có tính độ sai lệch màu ∆𝐸 để kiểm nghiệm về màu sắc

 ΔL khác nhau về độ sáng

 Δa khác nhau về màu đỏ và màu xanh lá cây

 Δb khác nhau về màu vàng và màu xanh da trời

Tương tự ta có các bảng thống kê về màu sơn khác mà nhóm đã pha chế được:

ID Mã màu chuẩn Thông số L1,a1,b1(%) Màu sơn sản phẩm Thông số L2,a2,b2(%) Độ sai lệch màu

Bảng 4.1:Thống kê các màu sắc khi sơn

Sai số trung bình qua các lần pha sơn

Tính toán kết quả sai số về lưu lượng:

Với 1 xung cảm biến trả về tương đương với 2.22ml, thể tích chiết rót đề ra là 177,6 ml tương đương 80 xung

Bằng cách tính toán thể tích sơn trong lon qua mực nước sơn và dùng dụng cụ đo, ta được bảng sau:

Số lần kiểm nghiệm Thể tích thực tế thu được (ml) Tỷ lệ sai số(%)

Bảng 4.2: Bảng kiểm nghiệm sai số về lưu lượng

Suy ra, sai số của hệ thống trong khoảng ±5% Sai số này phụ thuộc vào độ chính xác của cảm biến YF- 201, tốc độ đọc xung trả về và hệ thống ống dẫn Ảnh hưởng của sai số đến kết quả pha màu của hệ thống nhìn chung không quá đáng kể