Băng tải cân sử dụng một load cell dạng single point để đo trọng lượng, cảm biến quang và gương phản xạ để phát hiện sản phẩm.. Ngoài ra, phần băng tải đầu ra của hệ thống là băng tải dạ
TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
Giới thiệu về đề tài
Kiểm tra khối lượng sản phẩm sau khi đóng gói là một bước quan trọng không thể thiếu trong quy trình sản xuất, giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm và hiệu quả hoạt động của doanh nghiệp Quá trình này giúp phát hiện và loại bỏ những sản phẩm lỗi, tránh tình trạng thiếu hoặc thừa trọng lượng, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn sản xuất và quy định pháp luật về đóng gói Điều này không chỉ bảo vệ quyền lợi của khách hàng mà còn duy trì uy tín thương hiệu, ngăn ngừa thiệt hại do sản phẩm không đạt yêu cầu.
Việc triển khai hệ thống kiểm tra khối lượng tự động là rất cần thiết để thay thế phương pháp kiểm tra thủ công Hệ thống cân khối lượng tự động mang lại nhiều ưu điểm vượt trội.
- Tự động hóa hoàn toàn quy trình kiểm tra, loại bỏ thao tác thủ công tốn thời gian và công sức, nâng cao năng suất
- Độ chính xác kiểm tra là nhất quán, tránh sai sót do yếu tố con người
Quản lý và giám sát chất lượng sản phẩm trở nên dễ dàng hơn, giúp phát hiện kịp thời các sai sót trong quá trình sản xuất và đóng gói, từ đó xử lý hiệu quả các vấn đề phát sinh.
Dự án này tập trung vào việc thiết kế hệ thống cân băng tải tự động để kiểm tra khối lượng sản phẩm Hai loại sản phẩm được kiểm tra là túi bột mì có khối lượng 1 kg và 2 kg.
Hình 1 1: Túi bột mì 2 kg
Giới thiệu về các phương pháp cân kiểm tra khối lượng
Phương pháp cân thủ công là quy trình kiểm tra khối lượng sản phẩm bằng cách sử dụng cân điện tử hoặc cân cơ học Sau khi túi bột được đóng gói, công nhân sẽ đặt từng túi lên cân, ghi nhận kết quả và so sánh với trọng lượng tiêu chuẩn để xác định chất lượng sản phẩm.
Phương pháp này nổi bật với chi phí đầu tư ban đầu thấp và không cần hệ thống tự động hóa phức tạp Công nhân có khả năng dễ dàng nhận diện và điều chỉnh các sai lệch nhỏ thông qua các thao tác thủ công.
Nhược điểm của quy trình này bao gồm năng suất thấp chỉ khoảng 15-20 sản phẩm mỗi phút, hiệu suất không ổn định do công nhân có thể mắc lỗi trong quá trình cân, khó khăn trong việc quản lý và giám sát kết quả đóng gói, cũng như yêu cầu nhiều công nhân để duy trì năng suất trong các dây chuyền sản xuất lớn.
1.2.2 Hệ thống cân tự động
Với sự tiến bộ của công nghệ, hệ thống cân tự động ngày càng trở nên phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, mang lại độ chính xác cao và hiệu quả sản xuất tối ưu Cân băng tải nổi bật như một thiết bị quan trọng, giúp đo lường khối lượng hàng hóa khi di chuyển trên băng tải, giảm thiểu sự can thiệp của con người và tối ưu hóa quy trình vận hành.
Cân băng tải đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp hiện đại, mang lại nhiều lợi ích thiết thực như:
- Đảo sản phẩm đạt tiêu chuẩn về khối lượng, giúp giảm thiểu tỷ lệ sản phẩm thiếu khối lượng, nâng cao uy tín thương hiệu
Phát hiện sớm các sản phẩm vượt trọng lượng cho phép điều chỉnh quy trình đóng gói một cách chính xác, từ đó ngăn ngừa thất thoát nguyên liệu và tiết kiệm chi phí sản xuất.
- Tăng hiệu quả và năng suất
- Giảm thiểu sai sót do thao tác thủ công
- Cải thiện quản lý hàng tồn kho, giúp theo dõi chính xác khối lượng nguyên liệu và thành phẩm, hỗ trợ quản lý hàng tồn kho hiệu quả.
Một số hệ thống cân trên thị trường
Hình 1 3: Hệ thống băng tải cân kiểm tra ZGCW-4 [1]
Hệ thống bao gồm băng tải đầu vào, băng tải cân nặng và bàn lăn đầu ra Băng tải cân sử dụng load cell single point để đo trọng lượng, kết hợp với cảm biến quang và gương phản xạ để phát hiện sản phẩm Sau khi hoàn tất quá trình cân, sản phẩm sẽ được phân loại tự động thông qua xy lanh khí nén.
Bảng 1 1: Thông số kỹ thuật của hệ thống ZGCW-4 [1]
Dải khối lượng đo 0.3 kg ~15 kg Độ chính xác ±5 g
Tốc độ đo Khoảng 40 sản phẩm/phút
Hệ thống cân có khả năng đo trọng lượng từ 0,3 đến 15 kg, hoàn toàn phù hợp để đo các sản phẩm có trọng lượng 1 và 2 kg Mặc dù độ chính xác của hệ thống đạt 5 g, nhưng tốc độ đo vẫn đảm bảo hiệu quả.
Hệ thống hiện tại không đáp ứng được năng suất yêu cầu là 60 sản phẩm/phút Bên cạnh đó, băng tải đầu ra dạng con lăn chỉ phù hợp cho việc đo các thùng carton cứng, trong khi khi đo sản phẩm túi bột mì mềm, hệ thống này có thể gặp phải tình trạng kẹt sản phẩm.
Hình 1 4: Hệ thống A&D Checkweigher AD-4942B [2]
Hệ thống băng tải con lăn nâng cao khả năng chịu tải trọng lớn, sử dụng 4 load cell dạng single ended beam để cải thiện độ chính xác và phạm vi đo Ngoài ra, hệ thống cho phép lựa chọn các chế độ cân như cân liên tục, cân dừng hoặc cân tĩnh, đáp ứng đa dạng yêu cầu kiểm tra khối lượng.
Bảng 1 2: Thông số kỹ thuật của hệ thống A&D Checkweigher AD-4942B [2]
Tải trọng tối đa 20 kg Độ chính xác ±10 g
Tốc độ 18 sản phẩm/phút
Kích thước tối đa của sản phẩm 300 x 350 (mm)
Hệ thống sử dụng băng tải con lăn có khả năng tải trọng tối đa lớn, nhưng gặp hạn chế về độ chính xác chỉ 10g và tốc độ đo thấp, chỉ đạt 18 sản phẩm/phút, không đáp ứng được yêu cầu của đề tài.
Hình 1 5: Juzheng Electronic Technology XR [3]
Hệ thống bao gồm ba phần chính: băng tải đầu vào, băng tải cân và băng tải đầu ra, sử dụng cảm biến quang dạng gương để phát hiện các sản phẩm dạng khối đặc Băng tải đầu ra có nhiều tùy chọn cho số cụm phân loại và cơ cấu phân loại, bao gồm thổi khí, xy lanh đẩy, hoặc cần gạt chuyển hướng Một số thông số nổi bật của hệ thống này rất đáng chú ý.
Bảng 1 3: Thông số hệ thống Juzheng Electronic Technology XR [3]
Năng suất Tối đa 150 sản phẩm/phút
Bề rộng băng tải 220 mm
Hệ thống đo lường có dải khối lượng từ 1 kg đến 5 kg với sai số 5 g đáp ứng yêu cầu bài toán Tuy nhiên, với năng suất cao 150 sản phẩm/phút, hệ thống vượt quá yêu cầu 60 sản phẩm/phút, dẫn đến khả năng lãng phí công suất và tài chính do chi phí trên 7500 USD.
1.3.4 Hệ thống Weight Batching Machine DHPZ của Dahang
Hình 1 6: Weight Batching Machine DHPZ [4]
Hệ thống cân băng tải tiên tiến được chế tạo từ thép không gỉ 304, phù hợp cho môi trường sản xuất ẩm ướt Sản phẩm sử dụng phương pháp cân tĩnh cho từng băng tải, với ba tùy chọn phân loại theo trọng lượng, số lượng hoặc cả hai Một số thông số nổi bật của hệ thống này đảm bảo hiệu suất và độ chính xác cao trong quá trình cân.
Bảng 1 4: Thông số hệ thống Weight Batching Machine DHPZ [4]
Năng suất 20 - 40 sản phẩm/phút
Kích thước từng băng tải cân 400 mm x 150 mm
Hệ thống có độ chính xác cao lên đến 1 gram nhờ phương pháp cân tĩnh và thời gian cân dài, cho phép phân loại nhiều kích cỡ sản phẩm cùng lúc theo nhu cầu Tuy nhiên, nhược điểm của hệ thống là năng suất thấp, chỉ đạt tối đa 40 sản phẩm mỗi phút, phụ thuộc vào tốc độ cấp mẫu và dải khối lượng cân nhỏ hơn so với yêu cầu của túi bột.
1.3.5 Toupack multi conveyor belt weight sorter
Hình 1 7: Hệ thống multi conveyor belt weight sorter của Toupack [5]
Hệ thống phân loại Toupack được thiết kế để xử lý đa dạng sản phẩm, từ thủy sản đến trái cây tròn như táo và cam Với cấu trúc nhiều khay riêng biệt, mỗi khay được trang bị cảm biến khối lượng và cơ cấu phân loại độc lập, hệ thống đảm bảo phân loại chính xác từng sản phẩm Nó tích hợp nhiều phương thức phân loại như đẩy, đòn bẩy, phun khí và trượt, cho phép phân loại nhiều kích thước sản phẩm cùng lúc với hiệu suất và độ chính xác cao.
Năng suất Lên đến 300 sản phẩm/phút
Kích thước sản phẩm tối đa 180 mm x 120 mm
Hệ thống phân loại đạt độ chính xác cao 0.3g và năng suất lên đến 300 sản phẩm/phút, rất phù hợp cho các ứng dụng phân loại sản phẩm nhỏ, nhẹ và yêu cầu độ chính xác cao Tuy nhiên, khi áp dụng cho sản phẩm nặng như túi bột mì 1 kg hoặc 2 kg, độ sai số 0.3g trở nên không cần thiết, dẫn đến lãng phí tài nguyên Năng suất vượt quá nhu cầu sản xuất 60 sản phẩm/phút, gây ra tình trạng không khai thác hết công suất và tăng chi phí đầu tư không cần thiết.
Mục tiêu và nhiệm vụ của đồ án
1.4.1 Mục tiêu của đồ án
Thiết kế một hệ thống cân để kiểm tra khối lượng với các yêu cầu sau:
- Sản phẩm đầu vào: 2 loại túi bột mì nặng 1 kg và 2 kg
- Kích thước sản phẩm: 20 x 15 x 6 cm và 24 x 18 x 10 cm
- Năng suất: 60 sản phẩm/phút
- Loại bỏ sản phẩm có khối lượng thiếu quá 1% khối lượng tiêu chuẩn (khối lượng < 990 g với túi 1 kg và < 1980 g với túi 2 kg)
Sai số đo cần phải nhỏ hơn 1% khối lượng sản phẩm Dựa trên một số sản phẩm hiện có trên thị trường, lựa chọn sai số đo là 0.5% khối lượng tiêu chuẩn, tương ứng với ±5 g cho túi 1 kg và ±10 g cho túi 2 kg.
- Kích thước hệ thống phù hợp với sản phẩm
- Dễ sử dụng, dễ bảo trì và thay thế các thành phần
1.4.3 Nhiệm vụ của đồ án
- Khảo sát các loại cân băng tải hiện có trên thị trường, lên phương án giải quyết phù hợp
Tính toán và thiết kế hệ thống cân băng tải bao gồm việc phát triển hệ thống cơ khí và điện, lập trình điều khiển cho thiết bị, thiết lập giao tiếp giữa hệ thống và máy tính, cùng với việc thiết kế giao diện người dùng thân thiện.
- Chế tạo, lắp ráp và thử nghiệm hệ thống cân băng tải
- Đánh giá kết quả, đưa ra kết luận và hướng phát triển của đề tài.
Tổ chức đồ án
Cấu trúc đồ án tốt nghiệp bao gồm các chương như sau:
- Chương 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI
- Chương 2: LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
- Chương 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ
- Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
- Chương 5: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
- Chương 6: THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
- Chương 7: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI
LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN
Lựa chọn phương án cân
• Phương án 1: Cân băng tải
Hình 2 1: Hệ thống cân băng tải của Mettler [6]
- Sản phẩm được đặt lên băng tải đầu vào để ổn định, tránh gây rung cho hệ cân
- Tiếp theo sản phẩm đi qua băng tải cân và tiến hành cân
- Cuối cùng sản phẩm được phân loại ở băng tải đầu ra Ưu điểm:
- Giá thành rẻ vì chỉ cần một băng tải để cân, một cơ cấu để phân loại
- Năng suất cao khi cân liên tục
- Dễ bố trí tích hợp vào các khâu khác
- Độ chính xác giảm khi cân liên tục, thời gian cân ngắn
- Băng tải rung khi hoạt động có thể ảnh hưởng đến kết quả
• Phương án 2: Cân tổ hợp
Hình 2 2: Hệ thống cân tổ hợp của Dahang [4]
- Sản phẩm được đặt tên từng khay và tiến hành cân
- Khi đủ số lượng, các sản phẩm được cơ cấu vận chuyển (băng tải hoặc xy lanh) đẩy ra theo từng cỡ Ưu điểm:
- Độ chính xác cao nhờ cân tĩnh, thời gian cân lớn
- Khoảng cân rộng, từ vài g đến vài kg
- Năng suất thấp vì hệ thống cần chờ đặt sản phẩm lên từng khay
- Giá thành cao, cần nhiều load cell và cơ cấu phân loại cho từng khay
• Phương án 3: Cân dạng khay
Hình 2 3: Hệ thống cân dạng khay của hãng Toupack [5]
- Các khay được bố trí thành vòng trên băng tải
- Sản phẩm được đặt lên khay tích hợp load cell để tiến hành cân khối lượng
- Khi đến vị trí thả hàng, sản phẩm được cơ cấu phân loại trên khay phân loại theo từng cỡ Ưu điểm:
- Độ chính xác cao, lên đến 0.3 g nhờ thời gian cân lớn
- Năng suất rất cao, tùy theo kích thước và khối lượng sản phẩm cũng như số lượng khay mà năng suất có thể lên đến 300 sản phẩm/phút
Giá thành của hệ thống rất cao do yêu cầu lắp đặt load cell và động cơ trên từng khay, cùng với bộ điều khiển phức tạp cần xử lý tín hiệu từ nhiều load cell.
Với yêu cầu năng suất 60 sản phẩm mỗi phút và sai số cân 5 g, phương án 1 được lựa chọn do ưu điểm về sai số và năng suất đáp ứng đủ tiêu chí, đồng thời có chi phí thấp nhất.
Lựa chọn phương án cơ khí
Hình 2 4: Bố trí hệ thống băng tải cân
Hệ thống băng tải cân cần được chia thành nhất 3 cụm chính như sau:
- Cụm băng tải đầu vào: tiếp nhận và giúp ổn định sản phẩm, tránh gây rung động cho hệ cân
Cụm băng tải cân được trang bị cảm biến để đo khối lượng và phát hiện sản phẩm, cần được tách biệt khỏi các cụm băng tải khác để đảm bảo kết quả cân chính xác, không bị ảnh hưởng bởi rung động hay các yếu tố bên ngoài.
Cụm băng tải đầu ra bao gồm cơ cấu phân loại nhằm loại bỏ các sản phẩm không đạt khối lượng tiêu chuẩn, đồng thời chuyển những sản phẩm đạt yêu cầu đến giai đoạn tiếp theo trong dây chuyền sản xuất.
2.2.2 Lựa chọn loại băng tải
Để đảm bảo kết quả cân chính xác, cần duy trì băng tải với mức độ rung thấp Đồng thời, tốc độ băng tải phải đạt yêu cầu năng suất sản xuất tối thiểu là 60 sản phẩm mỗi phút.
Khả năng tải của hệ thống phù hợp với sản phẩm 2 kg Chi phí đầu tư vào hệ thống hợp lý để đảm bảo tính kinh tế
Trong quá trình cân sản phẩm đơn lẻ, hai loại băng tải chính thường được sử dụng là băng tải con lăn và băng tải đai Mỗi loại băng tải này có những ưu điểm và nhược điểm riêng, ảnh hưởng đến hiệu quả hoạt động của hệ thống cân Dưới đây là bảng so sánh giữa băng tải con lăn và băng tải đai, giúp người dùng hiểu rõ hơn về sự lựa chọn phù hợp cho nhu cầu của mình.
Hình 2 5: Băng tải cân dạng con lăn và dạng đai
Bảng 2 1: Ưu và nhược điểm của băng tải con lăn và băng tải đai
Băng tải cân dạng con lăn Băng tải cân dạng đai
Tải trọng lớn thường trên 15 kg và tải trọng nhẹ từ 1 kg đến 20 kg có độ chính xác khác nhau Đối với tải trọng lớn, độ chính xác thấp với sai số khoảng 10 g do sản phẩm di chuyển qua các con lăn bị rung, ảnh hưởng đến kết quả Trong khi đó, tải trọng nhẹ có độ chính xác cao với sai số dưới 1 g, khi sản phẩm di chuyển trên mặt phẳng không bị rung.
Tốc độ Chậm dưới 30 sản phẩm/phút Nhanh, đa dạng tốc độ từ 40 sản phẩm/phút đến hơn 200 sản phẩm/phút
15 Độ bền và bảo trì
Có thể thay thế các con lăn đơn lẻ, con lăn bằng thép có độ bền cao
Dễ thay thế đai khi bị hỏng, đai bằng nhựa có độ bền thấp hơn con lăn thép
Với khả năng vận chuyển sản phẩm tối đa 2 kg và sai số chỉ ±5 g, băng tải đai là sự lựa chọn tối ưu nhờ vào bề mặt phẳng, không gây rung và tốc độ tối thiểu 60 sản phẩm/phút Trong khi đó, băng tải con lăn có thể không đáp ứng được yêu cầu về sai số và tốc độ, vì vậy băng tải đai được ưu tiên sử dụng.
2.2.3 Lựa chọn loại động cơ
Khi chọn động cơ cho hệ thống băng tải, cần xem xét các yếu tố như độ chính xác, mô-men xoắn cao, độ rung, độ ồn và chi phí triển khai, vì chúng ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất hoạt động Đối với băng tải cân, ba loại động cơ phù hợp là động cơ AC, động cơ AC servo và động cơ bước.
Động cơ AC là loại động cơ điện hoạt động nhờ dòng điện xoay chiều, bao gồm hai phần chính: stator bên ngoài với các cuộn dây tạo ra từ trường quay, và rô-to bên trong gắn vào trục đầu ra Từ trường của rô-to có thể được tạo ra từ nam châm vĩnh cửu, sự lồi từ trở, hoặc cuộn dây điện DC hoặc AC.
Bảng 2 2: Ưu điểm và nhược điểm của động cơ AC Ưu điểm Nhược điểm
- Hiệu suất ổn định khoảng 80%
- Vận hành nhẹ nhàng, êm ái dù ở vận tốc thấp hay cao
- Chi phí ban đầu rẻ
- Độ chính xác khi điều khiển thấp hơn động cơ servo và động cơ bước
- Hiệu suất thấp hơn động cơ servo
- Momen thấp ở tốc độ thấp
Động cơ servo là thiết bị truyền động quay hoặc tuyến tính, cho phép điều khiển chính xác vị trí, vận tốc và gia tốc Nó bao gồm một động cơ kết hợp với cảm biến phản hồi vị trí, đồng thời yêu cầu một bộ điều khiển tinh vi, thường là mô-đun chuyên dụng được thiết kế riêng cho động cơ servo.
Bảng 2 3: Ưu điểm và nhược điểm của động cơ AC servo Ưu điểm Nhược điểm
- Hiệu suất cao, lên tới 90% khi tải nhẹ
- Động cơ có tỉ lệ mô-men xoắn trên quán tính cao và có thể nhanh chóng tăng tốc
- Hoạt động yên tĩnh, trơn tru
- Độ chính xác cao hơn các động cơ khác nhờ điều khiển vòng kín
- Bởi vì các thành phần phản hồi là bắt buộc, làm tăng chi phí lắp đặt
- Điều khiển động cơ servo khá phức tạp, thường yêu cầu một bộ điều khiển chuyên biệt để điều khiển
- Giá thành cao hơn các loại động cơ khác.
Động cơ bước hoạt động bằng cách quay trục theo các bước cố định, cho phép xác định vị trí góc chính xác mà không cần cảm biến Cấu trúc bên trong của động cơ là yếu tố quyết định giúp đếm số bước đã thực hiện, mang lại khả năng kiểm soát chính xác trong các ứng dụng khác nhau.
Bảng 2 4: Ưu điểm, và nhược điểm của động cơ bước Ưu điểm Nhược điểm
- Không cần cảm biến để phát hiện vị trí
Điều khiển động cơ bước đơn giản hơn so với động cơ servo, vì nó chỉ cần một trình điều khiển mà không yêu cầu tính toán hoặc điều chỉnh phức tạp để hoạt động hiệu quả.
- Với microstepping, động cơ bước có thể
- Có thể trượt bước khi tải cao, sử dụng microstepping làm cho động cơ bước thậm chí còn có nhiều khả năng gặp phải vấn đề này
- Momen xoắn thấp và chạy khá ồn ở tốc độ trung bình đến cao
17 đạt được độ chính xác vị trí cao, lên đến khoảng 0,007°
- Động cơ bước cung cấp mô-men xoắn tốt ở tốc độ thấp, phù hợp với các ứng dụng cần giữ vị trí
- Hoạt động ở tốc độ cao có thể gây rung lắc
- Có hiệu suất thấp hơn các động cơ khác có cùng kích thước và trọng lượng
• Đánh giá và lựa chọn động cơ
Bảng 2 5: Tiêu chí đánh giá và lựa chọn động cơ cho băng tải
Tiêu chí Trọng số Động cơ AC Động cơ servo Động cơ bước Điểm Kết quả Điểm Kết quả Điểm Kết quả
Rung ở tốc độ cao 0.3 8.5 2.55 9 2.7 5 1.5 Độ ồn khi làm việc 0.25 8 2 8.5 2.125 5 1.25
Dựa trên các tiêu chí đánh giá, động cơ AC là lựa chọn tối ưu nhất nhờ vào chi phí thấp, độ rung và độ ồn giảm thiểu.
Bộ truyền là yếu tố then chốt trong việc chuyển đổi và truyền lực hiệu quả, giúp điều chỉnh tốc độ và mô-men xoắn từ động cơ đến băng tải Điều này đảm bảo băng tải hoạt động ổn định, nâng cao khả năng truyền động và độ bền của hệ thống Đặc biệt, với băng tải cân, bộ truyền cần có hiệu suất ổn định và không gây rung lắc để không ảnh hưởng đến quá trình cân Các loại bộ truyền có thể được áp dụng bao gồm bộ truyền đai dẹt, đai thang, đai răng và bộ truyền xích, mỗi loại đều có ưu và nhược điểm riêng.
• Bộ truyền đai dẹt và đai thang
Bảng 2 6: Ưu điểm, nhược điểm bộ truyền đai dẹt và đai thang Ưu điểm Nhược điểm
- Có thể truyền động giữa các trục xa nhau
- Làm việc êm và không ồn nhờ vào độ dẻo của đai, có thể truyền chuyển động với vận tốc lớn
- Đề phòng sự quá tải của động cơ nhờ vào sự trượt trơn của đai khi quá tải
- Kết cấu và vận hành đơn giản
- Không cần bôi trơn, giá thành giảm
- Kích thước bộ truyền lớn (kích thước lớn hơn khoảng 5 lần so với bộ truyền bánh răng nếu truyền cùng công suất)
- Tỷ số truyền khi làm việc thay đổi do hiện tượng trượt đàn hồi của đai và bánh đai
Hiệu suất truyền động chịu ảnh hưởng lớn từ góc ôm đai, ma sát giữa dây đai và bánh đai, cũng như lực căng của đai Hiện tượng trượt đai có thể xảy ra dễ dàng trong quá trình hoạt động.
- Lực tác dụng lên trục và ổ lớn do cần căng đai
- Tuổi thọ thấp (từ 1000-5000 giờ)
Bảng 2 7: Ưu điểm, nhược điểm của bộ truyền đai răng Ưu điểm Nhược điểm
- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn so với bộ truyền đai dẹt cùng công suất
- Hiệu suất cao do không có hiện tượng trượt giữa đai và bánh đai 𝜂 = 0,92 −
- Hoạt động êm ái nhờ tính mềm dẻo của đai
- Chỉ có thể truyền động giữa các trục có khoảng cách gần
- Khó điều chỉnh tỉ số truyền
- Cấu tạo phức tạp hơn đai dẹt
- Lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn đai dẹt và đai thang vì không yêu cầu đai quá căng
- Ít bị ảnh hưởng bởi ma sát do nhiệt độ và độ ẩm như đai dẹt
Bộ truyền xích bao gồm xích và các đĩa xích dẫn, bị dẫn, giúp chuyển động và tải trọng từ trục dẫn động sang trục bị dẫn thông qua sự ăn khớp giữa các mắt xích và răng của đĩa xích Các trục trong bộ truyền xích song song và có thể có nhiều bánh xích bị dẫn Ngoài ra, bộ truyền xích còn có các bộ phận như căng xích, che chắn và bôi trơn để đảm bảo hiệu suất hoạt động.
Bảng 2 8: Ưu điểm, nhược điểm của bộ truyền xích Ưu điểm Nhược điểm
- Không có hiện tượng trượt
- Làm việc với tải nặng rất tốt và có thể làm việc khi có quá tải đột ngột
- Không đòi hỏi phải căng xích, lực tác dụng lên trục và ổ nhỏ hơn bộ truyền đai
- Kích thước bộ truyền nhỏ hơn bộ truyền đai nếu truyền cùng công suất và số vòng quay
Lựa chọn phương án điện
2.3.1 Lựa chọn loại cảm biến để đo khối lượng
Cân điện tử sử dụng load cell để đo khối lượng, trong đó load cell là thiết bị cảm biến chuyển đổi lực hoặc trọng lượng thành tín hiệu điện Hiện nay, load cell strain gauge là loại phổ biến nhất, bên cạnh đó còn có các loại load cell khác như thủy lực và khí nén.
Hình 2 8: Cấu tạo load cell strain gauge [8]
Load cell strain gauge bao gồm các thành phần chính như strain gauge, bộ đo biến dạng, lò xo uốn bảo vệ và phần thân của load cell Strain gauge là các dải điện trở mỏng được gắn lên bề mặt của thân load cell, giúp đo biến dạng chính xác.
Khi load cell bị biến dạng do lực tác dụng, strain gauge cũng biến dạng, dẫn đến sự thay đổi điện trở Sự thay đổi này có thể được đo bằng điện kế, từ đó tính toán lực tác dụng Bộ chuyển đổi tín hiệu điện trở từ strain gauge thành tín hiệu điện áp có thể bao gồm bộ khuếch đại và bộ lọc, giúp tạo ra tín hiệu sử dụng được.
Cầu Wheatstone là một mạch điện chuyên dụng để đo chính xác sự thay đổi điện trở, thường bao gồm bốn cảm biến biến dạng và hai điện trở cố định Các điện trở được sắp xếp theo cấu trúc hình cầu, tạo thành cầu Wheatstone.
Load cell hoạt động bằng cách cung cấp điện áp thấp cho các strain gauge, với điện trở của chúng bằng nhau khi không có lực tác dụng Khi có lực tác dụng, các strain gauge bị biến dạng không đều, dẫn đến mất cân bằng cầu Wheatstone và thay đổi điện áp đầu ra Sự thay đổi này tỉ lệ thuận với lực tác dụng lên load cell, cho phép hệ thống nhanh chóng chuyển đổi thành giá trị trọng lượng thông qua việc đo điện áp đầu ra.
Trong ứng dụng cân băng tải, có hai dạng load cell strain gause được sử dụng phổ biến là Single Ended Beam Load Cells và Single Point Load Cells
• Single Ended Beam Load Cells
Hình 2 9: Single Ended Beam Load Cells [9]
Load cell này thường được ứng dụng trong các hệ thống cân băng tải lớn, cân sàn, và cân bồn/phễu/silo Tải trọng được truyền vào theo hướng dọc theo trục tải chính của lỗ thẳng đứng.
Hình 2 10: Bố trí Single Ended Beam Load Cells trong cân băng tải [9]
Load cell này thường được sử dụng trong cân dừng hoặc đo sản phẩm lớn Việc bố trí 4 load cell ở 4 góc băng tải không chỉ tăng khả năng tải mà còn mở rộng vùng làm việc Điều này giúp giảm thiểu ảnh hưởng của sự lệch tâm và tải trọng không đồng đều, từ đó nâng cao độ chính xác trong phép đo.
Trong hệ thống load cell, ball/cup và rocker pin đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra bề mặt giữa bộ nhận tải và load cell, cho phép bộ thu tải co giãn mà không gây ra lực bên ngoài không mong muốn lên load cell Điều này giúp cung cấp lực phục hồi, giữ cho cân luôn ở vị trí trung tâm Đầu nhận tải được thiết kế với lỗ ren để kết nối chắc chắn giữa bề mặt cân và load cell.
Hình 2 11: Single Point Load Cells [9]
Cảm biến tải trọng một điểm thường được sử dụng riêng lẻ trong các ứng dụng cân băng tải kích thước nhỏ, cân bàn, bồn chứa, phễu
Cách bố trí lý tưởng cho cảm biến tải trọng là đặt tâm thẳng đứng của nó (trục tải chính) ở giữa băng chuyền hoặc tại trọng tâm của mặt phẳng nhận tải Load cell này có khả năng đáp ứng đồng nhất ở tất cả các điểm trong vùng làm việc.
Các khung trên và dưới được lắp vào các bề mặt nằm ngang của load cell, thường có tấm đệm giữa hai mặt phẳng tiếp xúc để tạo khoảng trống, giúp điều chỉnh độ lệch của load cell khi chịu tải.
Bảng 2 11: So sánh Single ended beam load cell và Single point load cell
Tiêu chí Single ended beam load cell Single point load cell
Cấu tạo Dầm đơn giản, một đầu cố định, một đầu chịu tải
Khối hộp nhỏ gọn, chịu tải trực tiếp lên tâm load cell
Bố trí 4 load cell ở 4 góc băng tải 1 load cell ở giữa băng tải
Vùng làm việc lớn nhờ bố trí nhiều load cell, có thể đến vài mét
Vùng làm việc nhỏ hơn, khoảng 600 (mm)
Chi phí Giá thành cao vì cần 4 load cell Giá thành rẻ
Cần một bộ xử lý hiệu riêng hoặc một đầu cân có thể xử lý cả 4 tín hiệu
Chỉ một đầu cân để xử lý tín hiệu load cell
• Đánh giá và lựa chọn load cell
Với kích thước túi bột mì tối đa là 24 cm x 18 cm, vùng làm việc của load cell single point đủ để đáp ứng nhu cầu đo lường Load cell này có ưu điểm về giá thành rẻ và giảm yêu cầu về bộ xử lý tín hiệu phức tạp, vì vậy lựa chọn loại load cell này là hợp lý.
2.3.2 Loại cảm biến phát hiện sản phẩm Để đảm bảo quá trình cân hoạt động chính xác, cần sử dụng cảm biến để phát hiện vật trên băng tải, nhằm xác định thời điểm bắt đầu và kết thúc quá trình cân Đối với việc phát hiện túi bột trên băng tải, có thể sử dụng cảm biến quang để phát hiện vật Có hai loại cảm biến quang phù hợp: cảm biến thu phát chung và cảm biến thu phát riêng Một số đặc điểm của hai loại cảm biến này có thể kể đến như:
Bảng 2 12: Một số đặc điểm của cảm biến quang thu phát chung và thu phát riêng Đặc điểm Thu phát chung Thu phát riêng
Cấu tạo Thiết bị thu và phát ánh sáng được đặt chung trong một khối cảm biến
Với vật phản xạ kém, có thể dùng gương phản xạ
Hai thiết bị thu và phát riêng biệt
Nguyên lý Ánh sáng từ mắt phát bị vật phản xạ lại đến mắt thu làm tín hiệu đầu ra của cảm biến thay đổi
Khi ánh sáng bị chắn giữa thiết bị phát và thiết bị thu, cảm biến sẽ chuyển đổi đầu ra Thiết bị này có ưu điểm là thiết kế nhỏ gọn, đơn giản và giá thành hợp lý Đặc biệt, cảm biến có độ nhạy cao và khoảng cách đọc lớn, có thể lên đến 15 mét, đồng thời ít bị ảnh hưởng bởi ánh sáng môi trường.
Khoảng cách đọc ngắn (khoảng 1 m), có thể bị nhiễu bởi ánh sáng môi trường
Thiết kế phức tạp, cần không gian bố trí, giá thành cao
• Đánh giá và lựa chọn loại cảm biến
Từ những đặc điêm trên, với túi bột có bề rộng tối đa 18 cm, ta chọn cảm biến quang thu phát chung là cảm biến để phát hiện vật
2.3.3 Lựa chọn bộ điều khiển Để điều khiển hệ thống, xử lý kết quả cân, hiển thị kết quả trên màn hình và giao tiếp với máy tính, cần có một bộ điều khiển chung cho toàn bộ hệ thống Có thể sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) hoặc vi điều khiển để thực hiện chức năng này PLC cung cấp khả năng điều khiển mạnh mẽ và linh hoạt cho các ứng dụng công nghiệp, trong khi vi điều khiển có thể được tùy chỉnh theo yêu cầu cụ thể của hệ thống, giúp xử lý và quản lý các thông tin hiệu quả Dưới đây là bảng ưu nhược điểm của từng loại thiết bị
Bảng 2 13: Ưu điểm, nhược điểm của PLC và vi điều khiển Ưu điểm Nhược điểm
- Hoạt động ổn định và bền trong môi trường công nghiệp
- Có khả năng mở rộng dễ dàng với các module bổ sung
- Các giao thức truyền thông đa dạng
- Bộ nhớ lưu trữ lớn
- Kích thước và trọng lượng lớn
- Cho phép tùy chỉnh và lập trình theo yêu cầu cụ thể của ứng dụng, phù hợp cho các dự án DIY hoặc ứng dụng nhúng
- Khả năng chống nhiễu kém
- Khó mở rộng và hạn chế về bộ nhớ
• Đánh giá và lựa chọn bộ điều khiển
Bảng 2 14: Tiêu chí đánh giá và lựa chọn bộ điều khiển
Tiêu chí Trọng số PLC Vi điều khiển Điểm Kết quả Điểm Kết quả
PLC nổi bật với nhiều ưu điểm như độ chính xác cao trong điều khiển, hoạt động ổn định và khả năng mở rộng hệ thống Ngoài ra, nó còn cho phép tích hợp linh hoạt các tính năng và thiết bị mới Vì vậy, việc chọn PLC làm bộ điều khiển cho hệ thống là một phương án hợp lý.
Cấu trúc điều khiển
• Cấu trúc điều khiển tập trung
Cấu trúc điều khiển tập trung là mô hình trong đó một vi xử lý đảm nhận vai trò điều khiển chính, thực hiện tất cả các tác vụ trong hệ thống như đọc tín hiệu từ cảm biến, xử lý thuật toán và xuất các giá trị thành phần Ưu điểm của cấu trúc này bao gồm sự đơn giản trong thiết kế và khả năng quản lý tập trung, giúp dễ dàng tối ưu hóa và bảo trì hệ thống.
- Đơn giản trong việc giao tiếp giữa vi xử lý, cảm biến, cơ cấu chấp hành, tránh nhiễu khi giao tiếp
- Dễ dàng trong việc kiểm soát nguồn thông tin, dữ liệu
- Tạo áp lực lên vi xử lý chính, yêu cầu kiểm soát các luồng xử lý tốt
• Cấu trúc điều khiển phân cấp
Cấu trúc điều khiển phân cấp bao gồm một vi xử lý chính và nhiều vi xử lý phụ, được sắp xếp theo trật tự phù hợp với nhu cầu hệ thống Mỗi thành phần trong cấu trúc này đảm nhiệm chức năng riêng biệt, góp phần nâng cao hiệu quả điều khiển của hệ thống.
- Tăng hiệu quả xử lý của từng vi xử lý nhờ tối ưu khả năng của vi xử lý cho từng tác vụ thích hợp
- Có thể hoạt động song song nhiều thành phần
- Phức tạp trong quá trình xử lý dữ liệu và giao tiếp truyền nhận
- Giá thành thường cao hơn do dùng hiều vi xử lý
• Kết luận và lựa chọn
Hệ thống cần giao tiếp hiệu quả với đầu cân và máy tính, nhận tín hiệu từ hai cảm biến và điều khiển van xy lanh Tốc độ băng tải được điều chỉnh riêng biệt bởi bộ điều khiển tốc độ của động cơ, giúp giảm tải cho PLC Với khả năng xử lý tốt các tác vụ này, một PLC duy nhất là đủ, do đó, lựa chọn cấu trúc điều khiển tập trung là hợp lý.
PLC Đầu cân Van xy lanh Máy tính khí nén Cảm biến
Hình 2 12: Cấu trúc điều khiển.
Giải thuật chung của hệ thống
Các bộ phận cơ khí, điện Load cell ADC
Cảm biến phát hiện vật trên băng tải cân
Dữ liệu khác như tốc độ băng tải, vị trí
(Dưới dạng tín hiệu digital) Đầu cân xử lý tín hiệu
Dữ liệu cân (chế độ hoạt động, đơn vị, thời gian lấy mẫu )
Hiển thị kết quả trên màn hình Đưa ra tín hiệu tới van khí nén
Hình 2 13: Giải thuật chung của hệ thống
Sản phẩm được đưa vào băng tải và phát hiện bởi cảm biến đầu vào Khi sản phẩm hoàn toàn nằm trên băng tải cân, đầu cân sẽ đọc và xử lý tín hiệu từ load cell qua bộ ADC, cùng với thông tin về tốc độ băng tải Thông tin này được PLC ghi nhận cho đến khi sản phẩm đến vị trí cảm biến đầu ra.
30 tín hiệu này cùng với các thông số cài đặt sẽ được sử dụng để tính toán khối lượng sản phẩm Dựa trên kết quả tính toán, PLC sẽ điều khiển hoạt động của xy lanh khí nén và hiển thị kết quả trên màn hình.
THIẾT KẾ CƠ KHÍ
Tính toán kích thước băng tải và động cơ
Các thông số đầu vào:
- Tốc độ phân loại yêu cầu tối thiểu 60 sản phẩm/phút
- Kích thước sản phẩm: 24 cm x 18 cm
Tính sơ bộ kích thước băng tải:
Theo tài liệu [9], thời gian cân được tính như sau:
𝑤𝑒𝑖𝑔ℎ 𝑡𝑖𝑚𝑒: thời gian cân, giá trị này buộc phải lớn hơn 0.3 s
𝑆𝑐𝑎𝑙𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑦𝑜𝑟 𝐿𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ (𝐶𝐿): Chiều dài băng tải, đơn vị inch
𝑀𝑎𝑥𝑖𝑚𝑢𝑚 𝑃𝑎𝑐𝑘𝑎𝑔𝑒 𝐿𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ (𝑀𝑃𝐿): Chiều dài sản phẩm tối đa, đơn vị inch
𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑦𝑜𝑟 𝑆𝑝𝑒𝑒𝑑 (𝐹𝑃𝑀): Tốc độ băng tải, đơn vị feet/phút
𝐶𝐿 Với Rate: số sản phẩm trong 1 phút Với yêu cầu tốc độ 60 sản phẩm/phút, ta có:
Chọn sơ bộ 𝑤𝑒𝑖𝑔ℎ 𝑡𝑖𝑚𝑒 là 0.5s, vậy ta có:
5 ∗ 𝐶𝐿 Suy ra 𝑆𝑐𝑎𝑙𝑒 𝐶𝑜𝑛𝑣𝑒𝑦𝑜𝑟 𝐿𝑒𝑛𝑔𝑡ℎ (𝐶𝐿) = 18.89 inch, xấp xỉ 48 cm
Vậy chọn băng tải có chiều dài 50 cm
Hình 3 2: Chiều dài băng tải
Với vật rộng 18 cm, ta chọn bề rộng đai là 22 cm, chiều rộng băng tải là 25 cm
Để thuận tiện cho thiết kế, chế tạo, lắp ráp và bảo trì, cả ba loại băng tải: băng tải đầu vào, băng tải cân và băng tải đầu ra đều được thiết kế theo cùng một mẫu.
Bảng 3 1: Bảng thông số sơ bộ của băng tải
Thông số Giá trị Đơn vị
Khi lựa chọn động cơ cho băng tải, cần xác định khối lượng tối đa mà băng tải có thể tải trong một thời điểm để tránh quá tải do sự cố, với mức khối lượng tối đa là 10 kg.
Tham khảo một số sản phẩm băng tải cân động trên thị trường với các sản phẩm
Để tính toán số vòng quay của băng tải với trọng lượng 10 kg và đường kính trục tang băng tải 𝐷 = 40 mm, khi vận tốc băng tải đạt 0.5 m/s, ta có thể xác định số vòng quay cần thiết.
𝜋𝐷 = 3.98 vòng/s = 238 vòng/phút Theo tài liệu [10], ta có lực căng cần thiết nhỏ nhất của bộ phận kéo là:
𝑞 = 20 kg/m: Tải trọng tổng cộng phân bố trên một mét dài của băng tải
𝑓 = (0.025 ÷ 0.03)𝑙: độ võng cho phép đối với dây băng tải Chọn 𝑓 = 0.025𝑙 Vậy ta có:
Để đảm bảo lực kéo từ tang được truyền đến băng qua ma sát, lực kéo (lực vòng) trên thang dẫn động cần đạt 8𝑓 = 62.5 kg, đồng thời phải thỏa mãn điều kiện không tính đến tổn thất trên tang do độ cứng của băng.
Suy ra lực kéo 𝑊 (bằng lực cản tổng cộng là):
𝑒 𝑓𝛼 : dựa theo bảng 2.1 trong tài liệu [10], với góc ôm đai 𝛼 = 180 𝑜 , loại tang thép hoạt động trong điều kiện khí hậu của nhà máy, chọn 𝑒 𝑓𝛼 = 2.56
Với vận tốc vòng của băng tải là 𝑣 = 0.5 m/s, công suất làm việc của băng tải là:
Tang dẫn động được truyền từ động cơ qua bộ truyền đai với tỉ số truyền là 𝑢 𝑑 1:1, hiệu suất của bộ truyền là:
Trong đó hiệu suất của các thành phần dựa theo tài liệu [11]:
𝜂 𝑑𝑟 = 0.96: hiệu suất bộ truyền đai răng (0,95 – 0,96)
Chọn hệ số an toàn 𝑠 = 1.5, ta có công suất động cơ cần thiết là:
Số vòng quay của động cơ:
Từ các thông số trên, chọn động cơ AC 1 pha DKM - 9SDGE-90F2P kèm hộp số giảm tốc 9PBK5BH với tỉ số truyền 5:1
Hình 3 4: Động cơ 9SDGE-90F2P kèm hộp số 9PBK5BH [12]
Bảng 3 2: Thông số động cơ 9SDGE-90F2P kèm hộp số 9PBK5BH [12]
Tốc độ Momen xoắn tối đa
Cường độ dòng điện Đường kính trục
Bộ truyền đai răng
- Số vòng quay: 𝑛 1 = 𝑛 𝑑𝑐 = 238 vòng/phút
- Làm việc trong nhà máy khô ráo, không bụi, từ 1 đến 2 ca
Dựa theo tài liệu [13], ta có:
Với: Overload Factor (Ks) = Ko + Kr + Ki = 2, trong đó:
- Ko là hệ số hiệu chỉnh tải (Load Correction Factor), với ứng dụng băng tải và thời gian làm việc 8 đến 16 tiếng, chọn Ko = 2
- Kr là hệ số hiệu chỉnh tỷ lệ tốc độ (Speed Ration Correction Coefficient), với tỉ số truyền 𝑢 = 1, chọn Kr = 0
- Ki là hệ số hiệu chỉnh bánh dẫn hướng (Idlers Correction Coefficient), Ki = 0 Với công suất thiết kế là 97.5 W và tốc độ 238 vòng/phút, chọn loại đai S5M
Theo tài liệu [14], với loại đai S5M có chiều cao răng h = 1.91, tương đương với mô đun m = 3, bề rộng răng tối thiểu là 12.5 mm Do đó, dựa trên các bề rộng đai tiêu chuẩn từ Misumi, bề rộng đai được chọn là 15 mm.
Dựa vào bảng 28 và bảng 38 trong tài liệu [13], với công suất thiết kế 97.5 W cho đai rộng 10 mm, tương đương 134.28
1.59 = 61.32 W cho đai rộng 15 mm, ta chọn số răng pulley là 𝑧 𝑑 = 𝑧 𝐷 = 22 răng, đường kính vòng chia 31.83 mm
Chọn sơ bộ khoảng cách trục C' = 85 mm, ta có chiều dài đai xấp xỉ:
Theo catalog của Misumi [15], chọn đai có chiều dài 275 mm
Tính lại khoảng cách trục:
Vì tỉ số truyền u = 1 nên góc ôm đai 𝜃 = 180 𝑜
Kiểm tra lại công suất thiết kế:
Pd 5 W < Ps * Km * Kb = 94 * 1.59 = 149.46 W Trong đó:
- Ps = 94 W: khả năng truyền tải tham chiếu (Reference Transmission Capacity)
- Km = 1: Hệ số hiệu chỉnh tương tác (Engagement Correction Coefficient)
- Kb = 1.59: Hệ số chiều rộng
Dựa theo bảng 16 tài liệu [13], ta có khoảng căng đai tối thiểu là 10 mm
60000 = 0.397 m/s Lực tác dụng lên trục:
Từ những tính toán trên, chọn đai răng Misumi 150S5M275 [16], Pulley Misumi HTPA22S5M150-A-N8 [17]
Hình 3 5: Đai răng và pulley
Bảng 3 3: Thông số bộ truyền đai răng
Thông số Ký hiệu Kết quả tính toán
Tỷ số truyền thực tế u 1 Đường kính vòng chia d1 d2 31.83 mm 31.83 mm
Lực tác dụng lên trục Fr 281.22 N
Trục
- Số vòng quay: 𝑛 = 238 vòng/phút
- Đường kính trục tang: 40 mm
- Bề rộng đai băng tải: 220 mm
Với bề rộng băng tải 220 mm, chiều dài trục tang được chọn sơ bộ là 230 mm, và đường kính trục băng tải bằng 10 mm, tương ứng với đường kính trục động cơ Đai băng có bề rộng 15 mm, chiều dài pulley sơ bộ là 17 mm, và khoảng cách giữa pulley và trục tang là 15 mm.
Momen xoắn trục băng tải:
𝑛 = 3730 Nmm Lực vòng băng tải:
Ta có hệ phương trình lực:
Hình 3 6: Biểu đồ lực trên trục dẫn động Mômen tương đương tại tiết diện j:
𝑀 𝑡𝑑𝑗 = √𝑀 𝑥𝑗 2 + 𝑀 𝑦𝑗 2 + 0.75 𝑇 𝑗 2 Đường kính trục tại các tiết diện j:
Với trục thép đường kính d = 10 mm có [𝜎] = 80, lập được bảng tính toán sau: Bảng 3 4: Bảng tính toán moment và đường kính trục
Trục có đường kính 10 mm đã được chọn và đáp ứng đầy đủ các điều kiện bền tính toán Đối với trục bị động, chúng ta cũng quyết định chọn trục với đường kính 10 mm.
Ổ lăn
- Số vòng quay: 238 vòng/phút
- Quay 1 chiều, làm việc 2 ca, tải va đập nhẹ, nhiệt độ làm việc dưới 100 độ
Hình 3 7: Phân bố lực trên trục
Tại vị trí C trên trục chịu lực nhiều nhất nên ta tính toán ổ lăn tại vị trí C, ổ lăn tại
A sẽ được chọn theo ổ lăn tại C
Theo tài liệu [18], tải trọng quy ước trên ổ:
(Với X=1: ổ bi đỡ V=1.2: vòng ngoài quay 𝐾 𝑡 = 1, nhiệt độ 𝜃 = 105 𝑜 𝐶 𝐾 đ 1,2: tải va đập nhẹ)
Tuổi thọ tính bằng triệu vòng quay, giả sử tuổi thọ của ổ là 5 năm:
10 6 = 342.72 Khả năng tải động tính toán:
Tham khảo các sản phẩm ổ bi đỡ của SKF, chọn ổ bi đỡ SKF6000 với các thông số sau: Bảng 3 5: Thông số ổ bi đỡ SKF6000 [19] d (mm) D (mm) B (mm) C (kN) 𝐶 0 (kN)
Xy lanh khí nén
Đối với túi bột đóng gói, việc sử dụng tấm đệm hình chữ nhật thay vì hình tròn là cần thiết để đẩy sản phẩm hiệu quả Do đó, lựa chọn sử dụng xy lanh có dẫn hướng là giải pháp tối ưu.
- Thời gian thực hiện hết hành trình: 𝑡 < 1 s
- Thời gian gia tốc của xy lanh 𝑡 𝑎 = 0.1𝑠
- Áp suất khí nén: 𝑃 = 5 bar
- Khối lượng sản phẩm: 2 kg
Gia tốc của xy lanh: 𝑎 > 220
0.1∗0.9= 2444.4 mm/s 2 = 2.44 m/s 2 Chọn gia tốc của xy lanh = 2.5 m/s 2 để tính toán
Ta có lực tác động lên sản phẩm:
Hình 3 8: Sơ đồ lực tác động lên sản phẩm
Giả sử cần xy lanh và tấm đẩy nặng 1 kg, hệ số ma sát giữa túi bột và băng tải là
𝜇 = 0.25, áp dụng định luật II Newton, ta có:
Vậy đường kính yêu cầu của piston là:
Để đảm bảo khả năng bố trí xy lanh trong thiết kế và cung cấp đủ khoảng dư cho việc điều chỉnh, hãy tham khảo các sản phẩm xy lanh từ Misumi Một lựa chọn phù hợp là xy lanh CKD STL-B-8-250 với đường kính 8 mm và chiều dài 250 mm.
Khung đỡ
Hình 3 9: Khung đỡ băng tải
Khung băng tải được sản xuất từ inox 304 dày 3 mm, với các rãnh cắt để lắp động cơ và chấn vuông góc Để giảm thiểu rung động trong quá trình vận hành và sai số khi chấn vuông góc, khung được gia cố bằng 4 thanh ty chống inox đường kính 12 mm ở hai mặt bên.
Phần gá tủ điện và bộ điều khiển động cơ được lắp đặt trên hai thanh ty chống inox đường kính 25 mm, chiều dài 1.6 m, bằng các tấm gá inox Điều này giúp tăng cường độ chắc chắn và thuận tiện trong quá trình lắp đặt, đồng thời kết hợp với xy lanh khí nén.
Hình 3 10: Thanh gá tủ điện
Để giảm thiểu rung động cho hệ thống băng tải, khung dưới được thiết kế hàn nguyên khối từ ống inox 304 với kích thước 60 mm x 1.5 mm, thay vì sử dụng khung nhôm định hình Phía dưới khung có chân tăng chỉnh chiều cao với đế cao su dẹt, giúp chống trượt và hạn chế rung cho hệ thống.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN
Sơ đồ khối hệ thống điện
Van xy lanh Đầu cân
Nguồn 220 VAC Bộ chuyển đổi Nguồn 24 VDC
Hình 4 1: Sơ đồ khối hệ thống điện
Hệ thống điện được cấu thành từ một PLC điều khiển trung tâm, kết hợp với load cell và đầu cân để đọc tín hiệu từ load cell Ngoài ra, hệ thống còn bao gồm hai cảm biến quang thu phát riêng biệt nhằm phát hiện vật.
Lựa chọn thiết bị điện
- Khối lượng sản phẩm: 1 kg đến 2 kg
- Vùng làm việc: 500 mm x 220 mm
- Sai số cân: 0.5 % khối lượng sản phẩm Ước lượng tải trọng động của load cell:
Với khung băng tải bằng inox 304, ước lượng khối lượng khung băng tải khoảng
Khi xảy ra lỗi dẫn đến việc có 2 hoặc 3 sản phẩm trên băng tải cân, điều này có thể gây hư hỏng cho load cell Do đó, chúng ta nên chọn khối lượng sản phẩm tối đa là 10 kg để đảm bảo an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống.
Vậy load cell cần có tải trọng động tối đa > 20 kg Dựa theo catalog của hãng Mettler Toledo, ta chọn load cell MT1260
Hình 4 2: Load cell Mettler Toledo MT1260 [21]
Bảng 4 1: Thông số kỹ thuật load cell Mettler Toledo MT1260 [21]
Tải trọng định mức (R.C.) 50 kg
Tải trọng động an toàn 35 kg
Vùng làm việc tối đa 60 cm x 60 cm
Tỉ lệ điện áp đầu ra 2 ± 0.2 mV/V
Sai số đo ≤ 0.0016% tải trọng định mức
Sai số lặp lại ≤ 0.01 % tải Điện áp đầu vào 5 ~ 15 VDC, tối đa 20 VDC
Giới hạn tải An toàn: 150% tải trọng định mức
Tối đa: 300 % tải trọng định mức
4.2.2 Bộ chuyển đổi tín hiệu
Bộ chuyển đổi tín hiệu, hay đầu cân, là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, giúp đo lường khối lượng với độ chính xác cao và quản lý dữ liệu cân hiệu quả Thiết bị này dễ dàng tích hợp vào các hệ thống tự động hóa và có khả năng giao tiếp với PLC hoặc các thiết bị điều khiển khác Với tốc độ đọc khoảng 100 Hz và điện áp đầu vào từ 5 – 15 V, loại load cell 7 dây kết nối (Ex+, Ex-, Sen+, Sen-, Sig+, Sig-, SHD) có tỉ lệ điện áp là 2 ± 0.2 mV/V Đầu cân Excell 150S là một lựa chọn lý tưởng với các thông số kỹ thuật phù hợp cho nhu cầu công nghiệp.
Bảng 4 2: Thông số kỹ thuật đầu cân Excell 150S [22]
Nguồn điện đầu vào 12~24 VDC, 1.5 A
Load cell áp dụng 5 VDC ±5%, 120 mA
Phạm vi điều chỉnh Zero 0.05 mV ~ 5 mV Độ nhạy đầu vào 0.12 𝜇V/D Độ phân giải A/D Internal 1/1,000,000
Tốc độ chuyển đổi A/D Tối đa 120 lần/giây
Kết nối RS-232C, RS-485 (hỗ trợ Modbus RTU)
Số chân kết nối load cell 7
Bảng 4 3: Số lượng input/output của bộ điều khiển
Tên thiết bị Loại Số lượng
Cảm biến hành trình xy lanh I 2
Van điều khiển xy lanh O 2
Chúng tôi đã chọn PLC Siemens 6ES7212-1BE40-0XB0 (S7-1200, CPU 1212C, DC/DC/RLY) với 8 đầu vào (DI) và 6 đầu ra (DO) để làm bộ điều khiển cho hệ thống, đáp ứng yêu cầu về số lượng input là 8 và output là 2 Để giải quyết giao tiếp với đầu cân qua giao thức RS-232, chúng tôi sử dụng module RS-232 Siemens 6ES7241-1AH32-0XB0 (CM 1241).
Hình 4 4: PLC Siemen S7-1200 1212C và module RS232 CM 1241
4.2.4 Cảm biến phát hiện sản phẩm
Theo phương án của chương 2, với việc túi bột có bề mặt nhôm phản xạ không ổn định, ta chọn cảm biến quang kèm gương phản xạ Omron E3Z-R81
Hình 4 5: Cảm biến quang kèm gương phản xạ Omron E3Z-R81 [25]
Bảng 4 4: Thông số kỹ thuật cảm biến Omron E3Z-R81 [25]
Loại phát hiện Thu phát chung kèm gương
Khoảng cách phát hiện tối đa 2 m Đối tượng phát hiện Vật mờ đục, nhỏ nhất là khối vuông 12 mm
Nguồn sáng Led hồng ngoại
Thời gian đáp ứng Tối đa 1 ms
Chế độ hoạt động Light-ON/Dark-ON
4.2.5 Thiết bị điều khiển động cơ
Trong ứng dụng cân băng tải, động cơ hoạt động ở tốc độ cố định mà không cần điều khiển chính xác tốc độ hay vị trí Đối với động cơ DKM 9SDGE-90F2P, bộ điều khiển tốc độ phù hợp là DKM FX 3000-18S.
Hình 4 6: Bộ điều khiển tốc độ DKM FX 3000-18S [26]
Bảng 4 5: Thông số bộ điều khiển tốc độ DKM FX 3000-18S [26] Điện áp 220V ~ 240V, 50 Hz
Phạm vi điều chỉnh tốc độ 20~1400 RPM
Xy lanh cần điều khiển 2 vị trí, ta chọn van xy lanh 3/2 Với áp suất khí 5 bar 0.5 Mpa, chọn van Airtac 3V120-M5 [27]
Hình 4 7: Van khí nén Airtac 3V120-M5 Bảng 4 6: Thông số van Airtac 3V120-M5 [27]
Tên sản phẩm Airtac 3V120-M5 Điện áp 24 VDC Áp suất 0.15 MPa – 0.8 Mpa
4.2.7 Cảm biến hành trình xy lanh
Chọn cảm biến hành trình xy lanh dạng cảm biến từ, mẫu Airtac CS1-U, loại cảm biến dùng nguồn 24 VDC, nhiệt độ làm việc : -10~70 độ C
Hình 4 8: Cảm biến từ Airtac CS1-U [28]
Nút nhấn điều khiển gồm start, reset và stop, chọn nút nhấn start màu xanh, reset màu vàng và stop màu đỏ
Hình 4 9: Nút nhấn Scneider loại start, reset và stop [29]
Bảng 4 7: Thông số kỹ thuật nút nhấn Schneider XA2EW [29]
Mã sản phẩm Schneider XA2EW33M1/35M1/34M2
Màu Xanh lá/vàng/đỏ
Dòng điện tiêu thụ < 10 mA Điện áp cung cấp 24 VDC
Nút dừng khẩn cấp (Emergency Stop)
Hình 4 10: Nút dừng Schneider XB4BS8444
Bảng 4 8: Bảng thông số nút nhấn Schneider XB4BS8444 [30]
Mã sản phẩm XB4BS8444
Màu Đỏ Điện áp cung cấp 24 VDC
4.2.9 Đèn báo Đèn báo pha trong tủ điện là thiết bị báo hiệu trạng thái có điện của hệ thống Nó thường được đặt sau switch on – off của toàn hệ và trước CB của cụm Chọn đèn báo Schneider XB7EV03MP [31], có điện áp 220…230V AC 50/60Hz, cường độ dòng điện 20mA
Hình 4 11: Đèn báo XB7EV03MP [31]
4.2.10 Tháp đèn báo trạng thái Đèn tháp báo hiệu là dòng đèn tín hiệu cảnh báo với nhiều tầng xếp lên nhau mỗi tầng một màu khác nhau dùng để làm tín hiệu cảnh báo cho người sử dụng dễ dàng quan sát Ngoài ra nó còn tích hợp thêm còi báo
Hình 4 12: Tháp đèn báo động Schneider XVGB3SM [32]
Bảng 4 9: Thông số kỹ thuật tháp đèn báo động Schneider XVGB3SM [32]
Mã sản phẩm Schneider XVGB3SM
Màu Đỏ - Vàng – Xanh lục
Dòng áp cung cấp 24 VDC
Quạt thông gió tủ điện công nghiệp được lắp đặt bên trong cánh cửa tủ điện, giúp loại bỏ khí nóng và làm mát các thiết bị điện bên trong Để tối ưu hóa hiệu suất, nên chọn quạt hút tủ điện kèm lọc bụi Plastim PTF1000 với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Bảng 4 10: Thông số kỹ thuật quạt tủ điện Plastim PTF1000 [33]
Mã sản phẩm Plastim PTF1000 Điện áp AC 220V/240V 50/60Hz
Tốc độ vòng quay 2500 vòng/phút
Trong hệ thống, tất cả các thiết bị điều khiển đều sử dụng nguồn điện 24 VDC Để lựa chọn nguồn điện phù hợp, cần xác định cường độ dòng điện tiêu thụ của từng thiết bị Dựa trên các thông số kỹ thuật của từng thiết bị, bảng dòng điện tiêu thụ đã được lập để tham khảo.
Bảng 4 11: Dòng điện tiêu thụ của các thiết bị trong hệ thống
Thiết bị Số lượng Dòng tiêu thụ (A)
Với hệ số an toản 1.5, ta chọn nguồn 24V có I > 1.955 ∗ 1.5 = 2.932 A
Bảng 4 12: Thông số nguồn Schneider ABLS1A24050 [34]
Mã sản phẩm Điện áp đầu vào
(VAC) Điện áp đầu ra (VDC)
Dựa vào thông số động cơ từ nhà sản xuất, dòng hoạt động của động cơ là 1 A
Dòng = dòng định mức hệ số khởi động Trong đó hệ số khởi động có giá trị từ 1,2 ~ 1,5, ta chọn sơ bộ 1,5
Vì dùng hệ thống dùng 3 động cơ cho băng tải nên dòng cần thiết là 4.5 A, ta chọn MCB Schneider A9F74206:
Bảng 4 13: Bảng thông số MCB A9F74206 [35]
Dòng định mức (A) 6A Điện áp hoạt động 230 V AC
Với hệ điều khiển sử nguồn điều khiển 24V - 5A, ta cũng chọn MCB Schneider A9F74206 làm MCB cho hệ điều khiển
Contactor là thiết bị điện hạ áp, có chức năng đóng cắt thường xuyên các mạch điện động lực Đối với 3 động cơ có dòng cần thiết 1.5A, nên sử dụng contactor Schneider LC1E0610M7 với dòng định mức 6A, điện áp 220V AC 50Hz và điện áp điều khiển phù hợp.
24 VDC để đóng cắt động cơ trong trường hợp khẩn cấp
Công tắc nguồn Hanyoung Nux MAS-025-A là thiết bị lý tưởng để đóng cắt mạch điện bên ngoài tủ điện, giúp dễ dàng bật tắt hệ thống Với cường độ dòng điện tối đa 12 A cho 2 MCB, công tắc này đảm bảo hiệu suất và an toàn cho hệ thống điện.
Hình 4 16: Công tắc nguồn Hanyoung Nux MAS-025-A [37]
Bảng 4 14: Thông số kỹ thuật công tắc nguồn Hanyoung Nux MAS-025-A [37]
Mã sản phẩm Hanyoung Nux MAS-025-A
Dòng định mức (A) 25A Điện áp tối đa 690 VAC
4.2.16 Phích cắm điện công nghiệp Ổ cắm hay phích cắm công nghiệp là thiết bị đấu nối được dùng phổ biến cho các máy công cụ, máy sản xuất trong công nghiệp Dựa vào cường độ dòng điện của các thành phần, chọn phích cắm Schneider PKE16M723 16A 3P 220V [38] để làm phích cắm cho hệ thống
Hình 4 17: Phích cắm Schneider PKE16M723 [38]
Dựa trên tài liệu [39] và cường độ dòng điện của các thiết bị điện đã được lựa chọn, chúng tôi đã xác định rằng dây dẫn cần sử dụng là dây lõi đồng Dưới đây là bảng lựa chọn các loại dây dẫn phù hợp.
Bảng 4 15: Bảng chọn các loại dây dẫn
Chức năng Đường kính Màu
Nguồn 220 VAC (N) 1.5 mm Xanh dương
Dây nối đất (PE) 1.5 mm Xanh lá
Nguồn 24V (âm) 1 mm Xanh dương
Dây tín hiệu 0.5 mm Trắng
THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN
Giải thuật điều khiển
Hình 5 1: Giải thuật điều khiển của PLC
Hình 5 2: Giải thuật cân tự động
60 Hình 5 3: Giải thuật hiển thị của máy tính
Thiết kế phần mềm điều khiển
Để tối ưu hóa sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm, hệ thống cân bằng tải sẽ được lắp đặt sau khâu đóng gói và trước khâu dán nhãn Kết quả cân sẽ được lưu trữ để dễ dàng theo dõi và quản lý, đồng thời cung cấp dữ liệu cho quy trình đóng thùng Phần mềm điều khiển, lưu trữ dữ liệu và giao tiếp với các quy trình khác sẽ được xây dựng bằng ngôn ngữ lập trình C#, nổi bật với khả năng thiết kế giao diện tùy biến cao và nhiều ưu điểm khác.
C# kết hợp hoàn hảo với NET Framework, mang đến một bộ thư viện phong phú và các công cụ phát triển mạnh mẽ, từ đó nâng cao hiệu quả và tốc độ trong quá trình phát triển ứng dụng.
C# cung cấp nhiều công cụ mạnh mẽ giúp kết nối dễ dàng với các dịch vụ API, cho phép tích hợp hệ thống băng tải cân với các hệ thống khác, chẳng hạn như hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu.
C# là ngôn ngữ lập trình lý tưởng cho việc phát triển ứng dụng hiệu suất cao, với khả năng mở rộng dễ dàng, giúp hệ thống đáp ứng tốt các yêu cầu tăng trưởng và mở rộng trong tương lai.
Hình 5 4: Giao diện phần mềm điều khiển
Các thành phần của giao diện được mô tả trong bảng dưới đây
Bảng 5 1: Mô tả những thành phần của giao diện
1 Mode Lựa chọn chế độ Automation hoặc Manual
2 State Hiển thị trạng thái hiện tại của hệ thống
3 Plc status Hiển thị tình trạng kết nối của PLC
4 Erorr Hiển thị mã lỗi của hệ thống
5 Ip và Connect Địa chỉ IP của PLC và nút để kết nối với PLC
6 Button - Start: Nút để bắt đầu quy trình cân
- Reset: Nút để reset chương trình khi gặp lỗi
- Stop: Nút để dừng quy trình cân
7 Parameter - Class (Kg): Loại sản phẩm được cân (1 kg hoặc 2 kg)
- Conv Speed (mm/s): Tốc độ của băng tải
- Cylinder time (ms): thời gian hoàn thành 1 chu kỳ của xy lanh
- Objects on Conv: Số lượng sản phẩm hiện tại trên băng tải cân
8 Fail bag Hiển thị số lượng túi bị lỗi (cân fail), xảy ra khi có 2 túi nằm trên băng tải cân, túi thứ 1 sẽ bị lỗi
9 Objects Hiển thị tổng số lượng các túi mỗi loại:
- Under: Số túi thiếu khối lượng (-1%)
- Good: Số túi có khối lượng đạt
- Over: Số túi dư khối lượng (+1%)
10 Weights Hiển thị tổng khối lượng của mỗi loại túi
11 Total Hiển thị tổng khối lượng và tổng số túi
12 OK/NG Hiển thị đánh giá kết quả cân, khi cân fail thì kết quả báo NG
13 Value Hiển thị khối lượng và đơn vị của sản phẩm sau khi cân
Trong chế độ manual, phần này sẽ hiển thị khối lượng hiện tại trên cân
14 Command Các lệnh điều khiển đầu cân:
- Hold: Lệnh để giữ giá trị hiện tại của cân trong chế độ manual
- Gross: Lệnh để đầu cân hiển thị khối lượng tổng của hàng hóa bao gồm bao bì
- Tare: Lệnh để trừ khối lượng của bao bì ra khỏi tổng trọng lượng
- Zero: Lệnh để đặt giá trị hiện tại của đầu cân về 0
Các trạng thái của hệ thống được thể hiện trong bảng dưới đây:
Bảng 5 2: Các trạng thái của hệ thống
Undefined Trạng thái mặc định khi hệ thống băng tải cân mới khởi động
Idle Hệ thống băng tải cân đã sẵn sàng hoạt động và đang chờ lệnh Start từ người điều khiển để bắt đầu cân hàng
Executing Hệ thống băng tải cân đang thực hiện quá trình cân sản phẩm
Suspended Quá trình cân đang tạm dừng, có thể tiếp tục khi được yêu cầu Ví dụ: người dùng nhấn nút dừng khẩn cấp để sửa lỗi
Stopped Hệ thống băng tải cân đã dừng Ví dụ: khi người dùng nhấn nút stop
Aborted Hệ thống băng tải cân đã lập tức dừng Ví dụ: khi có mã lỗi xuất hiện Quy trình vận hành:
Khởi động hệ thống và băng tải, sau đó nhập địa chỉ IP và kết nối với PLC Khi kết nối thành công, chọn chế độ tự động hóa và lớp 1 kg hoặc 2 kg Nhấn nút Run để bắt đầu quy trình cân Khi hoàn tất, nhấn Stop để dừng quá trình cân và tắt hệ thống.
THỰC NGHIỆM VÀ ĐÁNH GIÁ KẾT QUẢ
Một số hình ảnh trong quá trình thực hiện mô hình
Hệ thống được lắp ráp, căng đai và điều chỉnh chân tăng chỉnh chiều cao cho 4 chân của của hệ thống đồng phẳng
Hình 6 1: Mô hình thiết kế hệ thống
Hình 6 2: Lắp ráp hệ thống thực tế
Hình ảnh minh họa tổng quan thiết kế hệ thống với các thành phần chính như khung đỡ, ba cụm băng tải đầu vào, băng tải cân và băng tải đầu ra, cùng với việc bố trí tủ điện và xy lanh khí nén, giúp người xem dễ dàng hình dung quá trình hoạt động của toàn bộ hệ thống.
Hình 6 3: Lắp các cụm động cơ và bộ truyền đai răng; cơ cấu căng đai; load cell
Bộ truyền đai răng và băng tải được căng trước khi vận hành, load cell có thanh chống quá tải để tránh sai sót gây hư hỏng load cell.
Kiểm tra cân tĩnh
Sau khi lắp ráp, hệ thống cân cần được hiệu chuẩn để đảm bảo kết quả chính xác
Sử dụng quả cân chuẩn M1 [40] với khối lượng 1 kg, sai số ± 50 mg, đạt chuẩn ĐLVN47: 2009 để hiệu chuẩn Các bước thực hiện như sau:
- Bật công tắc CAL trên đầu cân và chọn chế độ 02 CAL Tiếp theo, chọn đơn vị đo là g và khoảng chia 1
- Đảm bảo băng tải trống để lấy điểm ZERO Khi tín hiệu ổn định, nhấn Enter để tiếp tục
Để hiệu chuẩn cân, đầu tiên nhập giá trị khối lượng quả cân chuẩn 1000g và đặt quả cân lên băng tải Khi tín hiệu ổn định, nhấn Enter để hoàn tất quá trình hiệu chuẩn Khi đầu cân hiển thị "SUCCESS", quá trình đã hoàn thành Cuối cùng, tắt công tắc CAL và kiểm tra lại kết quả.
6.2.2 Kiểm tra tải tĩnh ở các góc của băng tải
Kiểm tra tải tĩnh ở các góc của băng tải là rất quan trọng để đảm bảo độ chính xác và cân bằng của hệ thống cân Các góc băng tải có thể chịu lực không đồng đều do khung băng tải không phẳng, gây ra bởi mấp mô trên sàn và sai số trong việc điều chỉnh chân tăng chỉnh Việc thực hiện kiểm tra tải tĩnh giúp phát hiện những điểm bất thường này, từ đó điều chỉnh băng tải để đạt được sự cân bằng và độ chính xác tối ưu cho cân.
Tham khảo tài liệu [41], các vị trí kiểm tra tải tĩnh được đánh số như hình dưới:
Hình 6 5: Các vị trí kiểm tra tải tĩnh
Hình 6 6: Kết quả kiểm tra tĩnh các vị trí trên băng tải
Các kết quả đều là 1000 g cho thấy các vị trí trên băng tải không có chênh lệch so với quả cân chuẩn.
Kiểm tra cân động
6.3.1 Chạy không tải để kiểm tra dao động của hệ
Kiểm tra băng tải cân khi không tải là cần thiết để đánh giá tính ổn định của hệ thống cơ khí Qua đó, có thể phát hiện các hiện tượng rung lắc hay dao động bất thường, giúp xác định liệu có sự cố về cơ khí, điều chỉnh không đồng đều hoặc lỗi trong thiết kế hay không.
Phương pháp thực nghiệm sử dụng đầu cân Mettler Toledo IND360 DIN với bước nhảy 0.1 g, thời gian lấy mẫu 5 giây và tần số lấy mẫu 100 Hz Ba băng tải được khởi động đồng thời ở trạng thái không tải để kiểm tra sự dao động của hệ thống Dữ liệu về khối lượng sẽ được ghi nhận và phân tích nhằm đánh giá mức độ dao động và tính ổn định của hệ thống.
Hình 6 7: Biểu đồ giá trị khối lượng khi chạy không tải trong 5 s
Hình 6 8: Biểu đồ phân bố giá trị khối lượng khi chạy không tải trong 5 s Bảng 6 1: Bảng thống kê giá trị khối lượng khi chạy không tải trong 5 s
Thông số Lần 1 Lần 2 Lần 3 Lần 4 Lần 5 Lần 6 Lần 7 Lần 8 Lần 9 Lần
Kết quả khối lượng cho thấy phân phối chuẩn với giá trị nằm trong khoảng -1 g đến 1.2 g và giá trị trung bình từ -0.002 g đến 0.58 g, cho thấy hệ thống có xu hướng cho kết quả khối lượng cao hơn giá trị thực tế là 0 Độ lệch chuẩn dao động từ 0.137 đến 0.255, chỉ ra rằng các giá trị cân thay đổi trung bình khoảng 0.135 đến 0.255 Phương sai lớn nhất là 0.076, cho thấy dữ liệu không phân tán xa so với trung bình và có biến động nhỏ.
Hệ thống thường cho kết quả cao hơn từ 0 đến 0.5 g, với sai số khoảng -0.1 đến +0.6 g khi không tải Nguyên nhân gây ra sai số này có thể do quá trình gia công, lắp ráp và rung động của động cơ, bộ truyền đai, cũng như băng tải trong quá trình hoạt động Với sai số cân là 5 g, sai số của hệ thống được coi là chấp nhận được.
6.3.2 Thực nghiệm với túi bột mì để kiểm tra sai số và năng suất Để kiểm tra sự chính xác và hiệu suất của hệ thống trong điều kiện hoạt động thực tế, tiến hành thực nghiệm với túi bột mì 1 kg và 2 kg
• Lựa chọn bộ lọc tín hiệu
Bộ chuyển đổi Excell 150s cung cấp 9 bộ lọc tần số từ 5 Hz đến 0.26 Hz, giúp xử lý tín hiệu cân một cách hiệu quả Mục tiêu chính của thiết bị này là loại bỏ nhiễu và nâng cao độ chính xác trong quá trình đo khối lượng.
70 lượng Tiến hành thực nghiệm cân với các túi bột mì 1000g, tần số lấy mẫu 100 Hz, thời gian lấy mẫu 0.4 s để chọn bộ lọc phù hợp
Hình 6 9: Đo khối lượng túi bột 1000 g, không dùng bộ lọc
Hình 6 10: Đo khối lượng túi bột 1000 g, bộ lọc = 5 (1.04 Hz)
Dữ liệu kết quả cân và biểu đồ các bộ lọc được đính kèm trong phụ lục 1
Bộ lọc 5 với tần số 1.04 Hz và thời gian đáp ứng 0.15 s cho thấy sai số xác lập khoảng 2 g là phù hợp nhất, do đó, chúng tôi quyết định chọn bộ lọc 5 làm bộ lọc cho hệ thống.
• Kiểm tra sai số của hệ thống Để xác định sai số của hệ thống, tiến hành thí nghiệm cân với sản phẩm 1000 g và
Sử dụng bộ lọc 5 và tần số lấy mẫu 100 Hz, hệ thống được đánh giá với 2000 g trong thời gian lấy mẫu 0.4 s, thực hiện 100 lần đo để kiểm tra độ chính xác và độ ổn định trong quá trình cân.
Bảng 6 2: Kết quả cân các mẫu 1000 g và 2000 g
Mẫu (g) Số lần đo Giá trị trung bình
Bảng giá trị các kết quả cân được đính kèm trong phụ lục 2
Hình 6 11: Biểu đồ phân bố giá trị khối lượng tính toán, mẫu 1000 g
Hình 6 12: Biểu đồ phân bố giá trị khối lượng tính toán, mẫu 2000 g
Dựa vào bảng kết quả và biểu đồ phân phối, sai số đo được ghi nhận là khoảng ± 1 g và ± 1.5 g đối với mẫu nặng 2000 g Những sai số này hoàn toàn phù hợp với yêu cầu đề bài.
• Kiểm tra sai số và năng suất khi cân các mẫu có khối lượng khác nhau
Thực hiện cân tĩnh các mẫu có khối lượng khác nhau (gần 1 kg và 2 kg) và đánh dấu lại kết quả trước khi cân động
Hình 6 13: Quá trình cân tĩnh 10 mẫu 1 kg và 10 mẫu 2 kg, đánh dấu lại
Bảng 6 3: Kết quả cân các mẫu
Khối lượng thực tế Kết quả Khối lượng thực tế Kết quả
Sai số cân đạt từ -1.95 g đến +2.44 g cho vật nặng 1 kg và từ -3.41 g đến +1.47 g cho vật nặng 2 kg Sai số này đáp ứng yêu cầu đề bài là 5 g cho vật 1 kg và 10 g cho vật 2 kg Về năng suất, trong quá trình vận hành, máy đóng gói có năng suất cấp liệu ở khâu trước là
Hệ thống có khả năng xử lý lên đến 60 sản phẩm mỗi phút, nhưng thời gian xử lý phụ thuộc vào khả năng cân tối đa của băng tải và tốc độ phân loại của xy lanh khí nén Đối với vật nặng 1 kg, xy lanh thực hiện một chu kỳ trong 0.5 giây, trong khi với vật nặng 2 kg, thời gian là 0.7 giây Thời gian trung bình để một vật đi qua băng tải cân là khoảng 0.92 giây, do đó, năng suất tối đa của hệ thống đạt khoảng 65 sản phẩm mỗi phút.
Video quá trình thực nghiệm:
- Túi 1 kg: https://youtu.be/4vRTMwH0qAE
- Túi 2 kg: https://youtu.be/2B_L3eU-BH8