Nghiên cứu, thiết kế, chế tạo máy đóng gói mía

v TÓM TẮT ĐỒ ÁN NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, MÁY ĐÓNG GÓI MÍA Đề tài "NGHIÊN CỨU, THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY ĐÓNG GÓI MÍA" với mục tiêu hướng tới là chế tạo ra máy đóng gói mía hoàn toàn tự động v

GIỚI THIỆU

Tính cấp thiết của đề tài

Cây mía là một loại cây trồng quan trọng trong nông nghiệp Việt Nam, với diện tích trồng khoảng 182.000 hecta và năng suất bình quân từ 60 đến 70 tấn/ha, sản lượng đạt khoảng 12 triệu tấn mỗi năm Sau khi thu hoạch, mía thường được chuyển đến nơi sản xuất và tiêu thụ, với nhiều phương pháp chế biến khác nhau, bao gồm ép lấy nước cốt để sản xuất đường quy mô lớn và ép nước để sử dụng trực tiếp ở quy mô nhỏ Đối với vận chuyển quy mô nhỏ, mía thường được cắt thành nhiều đoạn nhỏ để thuận tiện hơn.

Việc đóng gói mía hiện nay chủ yếu dựa vào sức lao động, dẫn đến tổn thất về chi phí nhân công và sản xuất, cũng như tiềm ẩn nguy cơ vệ sinh an toàn thực phẩm Áp dụng máy móc và tự động hóa trong quy trình đóng gói mía không chỉ giảm thiểu những vấn đề này mà còn nâng cao năng suất và sản lượng Do đó, nhóm thực hiện đề tài đã quyết định nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đóng gói mía.

Ý nghĩa khoa học và ứng dụng thực tiễn của đề tài

Nghiên cứu ứng dụng máy móc kỹ thuật cao trong sản xuất nông sản thực phẩm giúp giảm sức lao động con người và hạ giá thành sản phẩm, đồng thời nâng cao hiệu quả sản xuất và đáp ứng nhu cầu thị trường.

2 những tiêu chuẩn cao về an toàn vệ sinh thực phẩm trong chế biến ở các thị trường khó tính đòi hỏi chất lượng cao

Trong ngành sản xuất, công việc phân loại và đóng gói sản phẩm yêu cầu tính thẩm mỹ, tốc độ đáp ứng nhanh và độ ổn định cao, cùng với sự chính xác của thiết bị Những yêu cầu này đòi hỏi một lượng lớn nhân công, dẫn đến việc tăng chi phí nhân công và sản xuất.

Khi áp dụng đề tài vào thực tiễn, nhiều tính năng như phân loại mía theo kích thước chính xác và tự động đóng gói mía sẽ được thực hiện, giúp giảm chi phí sản xuất và nhân công Điều này không chỉ nâng cao mức độ tự động hóa cho dây chuyền sản xuất mà còn đảm bảo độ ổn định cao.

Mục tiêu nghiên cứu đề tài

Đề tài “Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo máy đóng gói mía” tập trung vào việc phát triển hệ thống tự động nhằm nâng cao năng suất sản xuất, cải thiện chất lượng an toàn thực phẩm và đảm bảo độ chính xác về kích thước sản phẩm Đồng thời, dự án cũng góp phần giảm chi phí nhân công và tăng cường mức độ tự động hóa cho quy trình sản xuất và đóng gói.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu đề tài

1.4.1 Đối tượng nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu cho đề tài tập trung hướng đến là máy đóng gói cây mía vào thùng với số lượng và số lớp mía theo yêu cầu

1.4.2 Phạm vi nghiên cứu đề tài

Phạm vi nghiên cứu của nhóm tập trung vào việc đóng gói mía đã thu hoạch, được cắt thành các đoạn ngắn khoảng 30cm Mỗi lớp đóng gói chứa 4 cây mía, và tổng cộng có 3 lớp mía trong mỗi thùng.

Phương pháp nghiên cứu

Các phương pháp nghiên cứu đề tài được nhóm sử dụng là:

Để có cái nhìn khách quan về cây mía, cần thu thập thông tin và dữ liệu về tổng quan cây mía, phương thức sản xuất trong nước và quốc tế, cũng như thị trường tiêu thụ mía Những thông tin này sẽ giúp áp dụng thực tiễn vào đề tài nghiên cứu một cách hiệu quả.

+ Đánh giá và kiểm tra: dựa vào những thông tin đã thu thập

Thiết kế và triển khai mô hình máy chế biến mía dựa trên các thông tin tổng quan như kích thước, độ chín và hình dạng của mía, nhằm tạo ra bản thiết kế phù hợp với các tiêu chí đã đề ra và tối ưu hóa chi phí lắp ráp.

Xây dựng thuật toán và phương pháp tính chính xác là yếu tố then chốt giúp máy móc hoạt động hiệu quả, đảm bảo hiệu suất cao và độ chính xác tối ưu Việc này không chỉ giảm thiểu rủi ro và sai số mà còn ảnh hưởng tích cực đến quy trình sản xuất và đóng gói.

+ Thực nghiệm và đánh giá máy khi đưa vào thực tế có phù hợp với lại những yêu cầu đưa ra.

Kết cấu của ĐATN

Với những yêu cầu về nhiệm vụ và các mục tiêu đã đề ra, nhóm đã xây dựng kết cấu của ĐATN gồm 6 chương, trong đó:

Chương 1: Giới thiệu - Trình bày về tổng quan giới thiệu về cây mía, về tính cấp thiết của đề tài, qua đó chọn ra đối tượng nghiên cứu và dùng những phương pháp nghiên cứu để giải quyết vấn đề đưa ra

Chương 2: Tổng quan nghiên cứu đề tài - Đề cập đến tổng quan nghiên cứu đề tài, về những nghiên cứu có tính liên quan trong và ngoài nước

Chương 3: Cơ sở lý thuyết - Trình bày về hệ thống những kiến thức, phương pháp tính sử dụng trong việc tính toán mô hình

Chương 4: Phương pháp và các giải pháp hệ thống - Đưa ra những giải pháp, phương hướng đánh giá để giải quyết các vấn đề có trong đề tài

Chương 5: Tính toán, thiết kế cơ khí - Đề cập về các phương pháp tính toán thiết kế cơ khí, dẫn động của mô hình có trong phần cơ khí, điện, xây dựng thuật toán, lập trình điều khiển tín hiệu,…

Chương 6: Chế tạo thử nghiệm, đánh giá - Trình bày về việc thử nghiệm, đánh giá dự trên mô hình thật.

TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Giới thiệu về cây mía

Cây mía (Saccharum officinarum) là một loại cây trồng nông nghiệp quan trọng với giá trị kinh tế cao, đặc biệt phổ biến ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới Cây mía chủ yếu được trồng để sản xuất đường, nhưng cũng có nhiều ứng dụng khác trong công nghiệp và đời sống Thuộc họ Hòa thảo (Poaceae), cây mía có thân thảo cao từ 2 đến 5 mét và đường kính từ 2 đến 5 cm, chứa nhiều nước và hàm lượng đường cao từ 12 đến 20% Lá mía dài, hẹp và mọc đối xứng, trong khi rễ cây phát triển mạnh mẽ, giúp cây chịu hạn và chống chịu tốt với điều kiện thời tiết khắc nghiệt.

Cây mía, có nguồn gốc từ Đông Nam Á và New Guinea, hiện được trồng phổ biến ở nhiều quốc gia như Ấn Độ, Brazil, Trung Quốc, Thái Lan và Việt Nam Để phát triển tốt nhất, cây mía cần khí hậu ấm áp với nhiệt độ từ 20 đến 30 độ C và lượng mưa hàng năm từ 1500 đến 2500 mm Đất trồng mía cần phải có độ thoát nước tốt, giàu dinh dưỡng và có độ pH từ 5 đến 8, tạo điều kiện lý tưởng cho sự sinh trưởng của cây.

Trồng mía bắt đầu bằng việc gieo các đoạn thân mía, hay còn gọi là hom mía, vào đất Sau vài tuần, hom mía sẽ phát triển thành cây mới Cây mía thường được trồng theo hàng, cách nhau từ 1 đến 1,5 mét để thuận tiện cho việc chăm sóc và thu hoạch Quá trình chăm sóc mía bao gồm tưới nước, bón phân, và kiểm soát sâu bệnh.

Mía thường được thu hoạch sau 12 đến 18 tháng trồng, có thể thực hiện bằng tay hoặc máy Sau khi thu hoạch, mía được đưa đến nhà máy để ép lấy nước và chế biến thành đường Ngoài việc sản xuất đường, cây mía còn có nhiều ứng dụng khác; bã mía sau khi ép có thể được dùng làm nguyên liệu sản xuất giấy, nhiên liệu sinh học và phân bón Nước ép mía tươi là một thức uống phổ biến ở nhiều nơi.

Cây mía có vai trò quan trọng trong kinh tế và đời sống của nhiều quốc gia, mang lại nguồn thu nhập lớn cho nông dân và thúc đẩy sự phát triển của nhiều ngành công nghiệp Hiểu biết về cây mía và các ứng dụng của nó giúp nhận thức rõ hơn về giá trị của loại cây này, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc phát triển nông nghiệp bền vững.

Nghiên cứu tình hình trong nước

Mặc dù chúng ta đang sống trong thời đại 4.0 với sự phát triển mạnh mẽ của nhiều ngành công nghệ cao, xuất khẩu nông sản vẫn giữ vai trò quan trọng trong nền kinh tế Hiện nay, việc ứng dụng khoa học và công nghệ vào sản xuất nông sản không chỉ cần thiết mà còn mang lại hiệu quả cao, giúp nâng cao chất lượng và giá trị sản phẩm.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Việc sản xuất không còn hoàn toàn dựa vào thiên thời địa lợi như trước, mà công nghệ máy móc đã giúp tăng sản lượng, giảm chi phí nhân công và đảm bảo chất lượng sản phẩm Trong nước, mía thường được đóng gói và vận chuyển bằng phương pháp thủ công, với ít đơn vị áp dụng công nghệ tự động do chi phí máy móc nhập khẩu cao Tuy nhiên, một số nơi đã bắt đầu sử dụng công nghệ hút chân không để đóng gói mía, giúp bảo quản sản phẩm tươi ngon, an toàn và thuận tiện trong quá trình vận chuyển đến tay người tiêu dùng.

Hình 2.1: Mía được đóng gói bằng công nghệ hút chân không đảm bảo an toàn và chất lượng Trong khi đó, ở một số nơi khác, mía được đóng gói thủ công bằng tay với kích thước không đồng đều, dẫn đến rủi ro về sức khỏe và an toàn vệ sinh thực phẩm cho người tiêu dùng Việc đóng gói không đúng cách có thể ảnh hưởng tiêu cực đến chất lượng của mía.

Hình 2 2: Đóng gói mía phương pháp thủ công

Nghiên cứu tình hình ngoài nước

Đối với tình hình ngoài nước, việc sản xuất và đóng gói theo phương thức thủ công cũng được áp dụng rộng rãi

Ở một số quốc gia như châu Âu và Trung Quốc, sản xuất mía được thực hiện quy mô lớn với sự hỗ trợ của máy móc hiện đại và an toàn, bao gồm các thiết bị như máy đóng gói chân không và máy gọt mía hoàn toàn tự động.

Hình 2 4: Stretch Film Vacuum Packing Machine

Hình 2 5: Máy đóng mía từng cây tự động

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

Tổng quan về PLC Mitsubishi FX5U-64MT/ES

PLC Mitsubishi FX5U Series được thiết kế với nhiều đầu vào ra, hỗ trợ mở rộng lên đến 512 thiết bị Series này tích hợp truyền thông Ethernet, RS485 và đèn LED chỉ thị trạng thái, giúp người dùng dễ dàng vận hành và giám sát Ngoài ra, PLC FX5U còn có khe cắm thẻ nhớ, cho phép lưu trữ dữ liệu lên đến 4GB.

Hình 3 1: PLC FX5U 64MT/ES Đặc điểm nổi bật của PLC Mitsubishi FX5U Series:

+ FX5U cung cấp đa đầu vào ra và có khả năng mở rộng lên tới 512

+ Tích hợp truyền thông tương tự Ethernet giữa PLC và HMI, RS485

+ Đèn LED chỉ thị trạng thái vào ra giúp người dùng dễ dàng vận hành, giám sát

+ Tích hợp sẵn 2 đầu vào và 1 đầu ra tương tự

+ Khe cắm thẻ nhớ cho phép lưu trữ dữ liệu lên đến 4GB

+ Tích hợp sẵn điều khiển vị trí 4 trục

+ PLC Mitsubishi FX5U tích hợp sẵn bộ đếm tốc độ cao lên đến 8 kênh

+ Các module giao tiếp chuyển đổi có thể được gắn trực tiếp vào PLC vô cùng tiện lợi cho người dùng

+ Series này cho phép kết nối mở rộng với các module vào ra số, module chuyển đổi tương tự số ADP hay các module chức năng đặc biệt khác

Bộ nhớ chương trình 64K STEPS

CHƯƠNG 3: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

9 Đơn vị bộ nhớ chương trình FLASH Đầu vào kỹ thuật số tích hợp 32 Đầu ra kỹ thuật số tích hợp 32 Đầu vòa tương tự tích hợp 2

Logic đầu ra SINK Điểm I/O cục bộ 256

Thời gian chu kỳ LD (ns) 34

Thời gian chu kỳ MOV (ns) 34

Bảng 3 1: Thông số kỹ thuật của PLC FX5U 64MT/ES [12]

Hình 3 2: Kích thước của PLC [12]

Dòng FX5U-64MT/ES của Mitsubishi mang lại nhiều ưu điểm nổi bật so với các thế hệ PLC trước, với việc tích hợp sẵn 4 chân phát xung và nhiều đầu vào tốc độ cao Điều này rất phù hợp cho các ứng dụng điều khiển chuyển động từ 1 đến 4 trục sử dụng Servo hoặc Stepper, đồng thời hỗ trợ nội suy đường thẳng, thường được áp dụng trong các máy cắt và máy xếp/gắp phôi.

Tổng quan về Driver Servo Motor

+ Điện áp hoạt động:3 pha 220VAC hoặc 1 pha 220VAC

+ Phần mềm cấu hình: Mr Configurator 2-SW1DNC-MRC2-E

Cáp Encoder MR-J4 kết nối Bộ điều khiển MR-J4 với động cơ Servo Motor, trong khi Cáp nguồn MR-J4 cung cấp nguồn điện cho động cơ Ngoài ra, Cáp phanh MR-J4 cũng đảm bảo kết nối giữa Bộ điều khiển MR-J4 và động cơ Servo Motor để thực hiện chức năng phanh hiệu quả.

Model khuếch đại servo MRJ4-40A 40A Đầu ra Điện áp định mức 3 pha 170V AC

Nguồn điện mạch chính Điện áp/ tần số 3 pha hoặc 1 pha 200V AC đến 240V AC, 50/60

Hz Dòng điện định mức [A] 2.6

Biến động điện áp cho phép 3 pha hoặc 1 pha 170V AC đến 264V AC

Biến động tần số cho phép tối đa ±5%

Nguồn điện mạch điều khiển

Tần số điện áp 1 pha 200V AC đến 240V AC, 50/60 Hz Dòng điện định mức [A] 0.2

Biến động điện áp cho phép 1 pha 170V AC đến 264V AC

Biến động tần số cho phép tối đa ±5%

Giao diện cung cấp điện 24V DC ±10%

Giao diện bộ mã hóa phía tải Truyền thông nối tiếp tốc độ cao của Mitsubishi Công suất tái tạo cho phép của điện trở tái tạo tích hợp [W] 10

Phương pháp điều khiển dòng điện/điều khiển xung điện hình sin

Bảo vệ động cơ servo là rất quan trọng, bao gồm các chức năng như tắt quá dòng, tắt quá điện áp tái tạo, tắt quá tải, và bảo vệ quá nhiệt Ngoài ra, cần có cơ chế bảo vệ lỗi bộ mã hóa, bảo vệ lỗi tái tạo, bảo vệ điện áp thấp, bảo vệ điện tức thời, bảo vệ quá tốc độ, và bảo vệ lỗi quá mức để đảm bảo hiệu suất và độ bền của hệ thống.

Chế độ điều khiển vị trí

Tần số xung đầu vòa tối đa

4 Mpps (khi sử dụng bộ thu vi sai), 200 kpps (khi sử dụng bộ thu mở) Định vị xung phản hồi Độ phân giải bộ mã hóa: 22 bit

Hệ số nhân xung lệnh

Thiết bị điện tử bội số A/B, A: 1 đến 16777216, B: 1 đến 16777216,

1/10 < A/B < 4000 Định vị cài đặt chiều rộng hoàn chỉnh 0 xung đến ±65535 xung (đơn vị xung lệnh)

Lỗi quá mức ±3 vòng quay

Giới hạn mô men xoắn Đặt theo tham số hoặc đầu vào analog bên ngoài

(0 V DC đến +10 V DC/mô-men xoắn cực đại)

Chế độ kiểm soát tốc độ

Phạm vi kiểm soát tốc độ

Lệnh tốc độ tương tự 1:2000, lệnh tốc độ bên trong 1:5000 Đầu vào lệnh tốc độ tương tự

0 V DC đến ±10 V DC/tốc độ định mức (Tốc độ ở 10 V có thể thay đổi với [Pr PC12].)

Tốc độ dao động tốc độ

Tối đa ±0,01% (dao động tải 0% đến 100%), 0% (dao động công suất: ±10%)

Tối đa ±0,2% (nhiệt độ môi trường: 25 °C ±

10 °C) chỉ khi sử dụng lệnh tốc độ analog

Giới hạn mô men xoắn Đặt theo tham số hoặc đầu vào analog bên ngoài

(0 V DC đến +10 V DC/mô-men xoắn cực đại) Đầu vào lệnh mô men xoắn tương tự

0 V DC đến ±8 V DC/mô-men xoắn cực đại (trở kháng đầu vào: 10 kΩ đến 12 kΩ)

Tốc độ giới hạn Đặt theo thông số hoặc đầu vào analog bên ngoài

(0 V DC đến ± 10 V DC/tốc độ định mức)

Chức năng an toàn STO (IEC/EN 61800-5-2)

Bảng 3 2: Thông số của Driver [11]

Hình 3 3: Kích thước của Driver [11]

Bộ điều khiển Servo MR-J4A nổi bật với khả năng hoạt động êm ái và độ chính xác cao, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực như điều khiển băng tải, robotic, máy phay, máy tiện, hệ thống điều khiển đa trục X-Y, máy công nghệ thực phẩm, xử lý vật liệu, máy cấp cuộn, máy bốc xếp, máy dập, chế tạo máy và các hệ thống tự động hóa công nghiệp.

Tổng quan về Encoder

Encoder là thiết bị quan trọng trong ngành công nghiệp, chuyên cung cấp tín hiệu hồi tiếp Nó hoạt động bằng cách cung cấp thông tin về vị trí, hướng, tốc độ hoặc bước trong các điều kiện điện cơ bản.

Encoder sử dụng chuyển động và nhiều công nghệ để chuyển đổi nó thành tín hiệu Tín hiệu này sau đó được gửi đến các trung tâm điều khiển để được diễn dịch, nhằm đại diện cho giá trị sử dụng trong chương trình.

Encoder là linh kiện được ứng dụng nhiều trong các thiết bị cần độ chính xác cao như máy CNC, Servo, biến tần, hệ thống truyền tải sản xuất,

Encoder tuyệt đối (Absolute Encoder) là thiết bị mã hóa thông minh, có khả năng phản hồi tín hiệu chuyển động trong các thiết bị điện tử và cơ khí Với độ chính xác cao trong việc truyền tải thông tin, Encoder tuyệt đối giúp người dùng tiết kiệm thời gian và công sức trong việc xử lý dữ liệu.

Encoder tương đối, hay còn gọi là Incremental Encoder, là thiết bị chuyển đổi chuyển động góc hoặc vị trí của trục thành mã tương tự hoặc kỹ thuật số, giúp xác định vị trí và chuyển động Thiết bị này được sử dụng rộng rãi trên thị trường hiện nay.

Chúng cung cấp khả năng phản hồi nhanh chóng và khoảng cách chính xác, với thiết kế đơn giản và tiết kiệm chi phí nhờ ít cảm biến Tuy nhiên, nhược điểm là encoder bị hạn chế bởi chỉ số thông tin, do đó cần thêm thiết bị tham chiếu để tính toán chuyển động hiệu quả.

Tổng quan về cơ cấu vít me

3.4.1 Cơ cấu nâng hạ bằng vít me

Vít me là cơ cấu trục vít kết hợp với đai ốc, sử dụng trong chuyển động cơ cấu trượt dọc Kích thước của vít me thường dài gấp nhiều lần đường kính, có thể lên tới hàng chục hoặc hàng trăm lần Vít me được thiết kế với phần ren ở hai đầu mối, hình thang giúp chịu lực tốt.

Cơ cấu nâng hạ bằng vít me là thiết bị chuyên dụng cho việc nâng hạ trong các nhà máy nước, công trình thủy điện và luyện kim Với thiết kế nhỏ gọn, thiết bị này hoạt động với tốc độ nâng chậm, đảm bảo hiệu quả và độ chính xác cao Ngoài ra, cơ cấu này còn được sử dụng để nâng hạ các loại cửa van và cửa phai khác nhau.

Hình 3 5: Cơ cấu vít me

3.4.2 Đặc điểm cơ cấu vít me nâng hạ

Cơ cấu nâng hạ bằng vít me có đặc điểm nổi bật như sau:

+ Có độ chính xác chuyển động cao, tỷ số chuyển động khá lớn

+ Tạo ra lực truyền lớn

+ Vít me có số vòng quay hoặc bước ren lớn nên tạo ra chuyển động nhanh

+ Lực tác động lớn, tác động hai chiều lên và xuống 2 chiều này lực tác động thường bằng nhau

3.4.3 Kết cấu và nguyên lý bộ nâng hạ vít me

Nguyên lý nâng hạ bằng vít me hoạt động theo cơ chế chuyển động dọc, cho phép di chuyển lên hoặc xuống theo trục hộp số Hệ thống này sử dụng trục vít me hành trình kết hợp với hộp giảm tốc, giúp tịnh tiến một cách an toàn và hiệu quả trong quá trình hoạt động.

Vít me chuyển động quay sẽ khiến thanh vít quay, trong khi đai ốc di chuyển dọc theo trục Khi hoạt động, trục hành trình sẽ di chuyển, làm cho đai ốc di chuyển lên và xuống.

Trục vít me hoạt động theo nguyên lý rằng khi trục vít đứng yên, đai ốc sẽ chuyển động tịnh tiến, và ngược lại, khi đai ốc đứng yên, trục vít sẽ di chuyển Với thiết kế có ren ở hai đầu, một bộ phận đứng yên sẽ khiến bộ phận kia chuyển động.

3.4.4 Phân loại cơ cấu nâng hạ

Hiện nay, có hai loại cơ cấu nâng hạ bằng vít me phổ biến là vít me chuyển động dọc và vít me chuyển động quay Mỗi loại có cấu tạo và nguyên lý hoạt động riêng biệt.

Trục hành trình là cơ cấu chuyển động theo trục số, có khả năng nâng hạ di chuyển lên hoặc xuống Trong quá trình hoạt động, trục vít hành trình thực hiện chuyển động tịnh tiến, và được phân loại thành 4 loại chính: mặt bích, hình trụ, đầu phẳng và ren.

Loại 2 của cơ cấu nâng hạ sử dụng thành vít chuyển động quay và đai ốc dịch chuyển theo trục, cho phép đai ốc di chuyển lên hoặc xuống khi trục quay Có hai kiểu thiết kế chính trong hệ thống này, bao gồm kiểu lưới ren và kiểu trụ.

3.4.5 Ứng dụng cơ cấu nâng hạ bằng vit me

Cơ cấu nâng hạ bằng vít me hiện nay được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi để thay thế cho xilanh Loại cơ cấu này được sử dụng phổ biến trong nhiều ngành công nghiệp khác nhau, mang lại hiệu quả cao trong việc nâng hạ.

+ Ứng dụng ngành môi trường : Cơ cấu nâng hạ dùng để nâng hạ cửa xả

+ Ứng dụng trong sản xuất : Ống thép, robot nâng cánh tay, máy ép bùn, dây chuyền sơn, dây chuyển tấm cuộn

+ Điều chỉnh băng tải cùng với hệ thống nâng hạ xử lý thực phẩm

+ Ứng dụng trong công nghiệp khai khoáng, hóa chất

+ Điều chỉnh dầm bê tông, điều chỉnh giảm xóc

+ Trong luyện kim thì được ứng dụng điều chỉnh góc nghiêng trong khoan khép, máy đúc… + Ứng dụng bảo dưỡng thang máy và hệ thống tháp nâng cơ giới

+ Tính ứng dụng cao trong các ngành công nghiệp và công trình thủy lợi.

Tổng quan cơ cấu thanh trượt

Thanh trượt vuông, hay còn gọi là ray trượt vuông, là thiết bị dẫn hướng quan trọng trong ngành công nghiệp tự động hóa Thiết bị này giúp các chi tiết và cơ cấu máy chuyển động chính xác và êm ái, nâng cao hiệu suất vận hành.

Nguyên lý hoạt động của thanh trượt vuông dựa vào chuyển động tịnh tiến giữa con trượt vuông và thanh ray ty trượt vuông Hai bộ phận chính cấu thành thanh trượt vuông là con trượt vuông block và thanh ray trượt Cách thức hoạt động và mục đích sử dụng của thanh trượt vuông có thể khác nhau tùy theo ứng dụng cụ thể.

16 sử dụng của từng loại con trượt vuông mà thiết bị này sẽ có những thông số kỹ thuật khác nhau cho từng chi tiết máy

Dòng ray trượt tuyến tính là một thành phần thiết yếu, được ứng dụng rộng rãi trong nhiều loại máy móc công nghiệp Hầu hết các máy gia công sản xuất hiện nay đều sử dụng thanh trượt vuông, cho thấy tầm quan trọng của nó trong ngành công nghiệp.

Thanh trượt dẫn hướng đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng công nghiệp như máy CNC cơ khí, máy CNC khắc đá, máy in 3D, máy plasma, và máy CNC chế biến gỗ Những thiết bị này sử dụng thanh trượt để đảm bảo độ chính xác và hiệu suất cao trong quá trình hoạt động.

Hình 3 6: Cơ cấu thanh trượt

3.5.2 Ưu điểm của thanh trượt

Sử dụng con trượt và ray trượt vuông mang lại nhiều lợi ích, đồng thời cũng là tiêu chuẩn quan trọng khi lựa chọn thanh trượt dẫn hướng chất lượng cao Với những tính năng ưu việt, thanh trượt vuông ngày càng trở nên phổ biến trong các thiết bị và máy móc.

Thanh trượt vuông là thiết bị dẫn hướng chính xác cao và ít ma sát, mang lại nhiều lợi ích cho chi tiết máy Nhờ vào đặc tính này, thiết bị giúp máy móc hoạt động ổn định, giảm thiểu nhiệt độ phát sinh và kéo dài tuổi thọ mà không gặp sự cố hay hỏng hóc.

Thanh trượt vuông cho phép chịu được tải trọng lớn, giúp cân bằng lực và dẫn hướng hiệu quả ở cả 4 hướng nhờ độ cứng vững cao

Lắp đặt và sử dụng dễ dàng, sản phẩm mang lại hiệu quả làm việc cao, giúp tiết kiệm chi phí bảo trì và sửa chữa nhờ vào khả năng hoạt động bền bỉ và tuổi thọ cao của thanh trượt.

Thanh ray trượt vuông làm có khả năng chống rung lắc cực tốt nhờ rail trượt được phân bố đều theo biên dạng chữ O

Cho phép thiết bị máy vận hành với tốc độ cao mà ít xảy ra hiện tượng bể đầu con trượt block

3.5.3 Nhược điểm của thanh trượt

So với thanh trượt thép, thanh trượt tròn thông thường, giá thanh trượt vuông cao hơn, chi phí đầu tư ban đầu để sử dụng khá cao

Cấu tạo của thanh trượt vuông được thiết kế dựa trên chiều cao tổng của con trượt và thanh trượt, cùng với vị trí các tâm lỗ bắt bu lông theo tiêu chuẩn nhất định Điều này cho thấy không phải loại máy móc, thiết bị nào cũng có thể sử dụng chung một loại thanh trượt vuông.

CHƯƠNG 4: PHƯƠNG PHÁP VÀ CÁC GIẢI PHÁP VỀ HỆ THỐNG

PHƯƠNG PHÁP VÀ CÁC GIẢI PHÁP HỆ THỐNG

Yêu cầu đề tài

Hệ thống xử lý và đóng gói mía cần đáp ứng nhiều yêu cầu quan trọng như tính toán chiều dài mía khi đưa vào, thời gian mía trong thùng, và thời gian mía trên bàn xếp Ngoài ra, quy cách xếp mía, quy cách nâng hạ bàn nâng, tốc độ máy, và sản lượng đạt được cũng là những yếu tố cần xem xét Đặc biệt, tính an toàn của máy đối với người sử dụng và hiệu quả mà máy mang lại là những yêu cầu không thể thiếu trong đề tài của nhóm.

+ Cần có độ chính xác trong việc tính toán chiều dài của mía là 260mm

+ Thực hiện đúng quy cách xếp mía với số lượng mía là 4 cây/1 lớp

+ Xếp đủ số lớp mía trong 3 lớp/thùng

4.2 Thiết kế nguyên lý hoạt động của hệ thống

Hình 4 1: Sơ đồ khối của hệ thống

4.3 Phương hướng và giải pháp thực hiện

4.3.1 Phương án 1 Đối với việc tính toán chiều dài của mía sau khi cắt cần thực hiện một cách tương đối chính xác Việc sử dụng encoder kết hợp với các tín hiệu cảm biến, tử đó tìm hiểu và đưa ra thuật toán để giải quyết vấn đề trên Sử dụng encoder để tính toán chiều dài mía sau khi cắt sẽ tiết kiệm về mặt kinh tế, dễ dàng thay đổi được việc tính toán kích thước mía Nhưng khi sử dụng Encoder cũng mang đến một số nhược điểm như có sai số trả về vì các thiết bị sử dụng chẳng hạn như băng tải, xy lanh đều không phải là những thiết bị highspeed(tốc độ cao) nên các tín hiệu trả về sẽ có thời gian phản hồi, dẫn đến việc tính toán sai trong chương trình, phụ thuộc vào tốc độ băng tải, khi tốc độ băng tải thay đổi dẫn đến việc hệ số calibration(hiệu chuẩn) cũng thay đổi

Bàn xếp và bàn lùa mía sử dụng cơ cấu xy lanh để lùa mía qua thành lớp, mang lại hiệu quả kinh tế và tiết kiệm thời gian Tuy nhiên, số lượng mía phụ thuộc vào vị trí đặt, không linh hoạt trong việc thay đổi kích thước lớp, dễ gây sai số khi mía có kích thước khác nhau, dẫn đến hư hỏng máy móc Cơ cấu nâng hạ thùng yêu cầu độ chính xác cao, khả năng chịu tải nặng và thời gian phản hồi nhanh Việc sử dụng Vít me kết hợp với động cơ Servo đáp ứng tốt các yêu cầu này, cho phép thay đổi kích thước lớp linh hoạt dựa trên thông số mía đầu vào Độ chính xác cao nhờ vào Encoder trong động cơ Servo cung cấp tín hiệu feedback chính xác về vị trí Tuy nhiên, chi phí sử dụng Servo cao, thao tác lập trình phức tạp và yêu cầu chính xác trong lắp đặt cơ khí.

Bảng tóm tắt phương án 1:

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Tính toán mía dựa vào

Encoder gắn trên băng tải Ít chi phí đầu tư

Dễ dàng thay đổi tính kích thước

Feedback chiều dài trả về dễ bị sai số

Phụ thuộc vào tốc độ băng tải

Sử dụng cơ cấu xy lanh trên bàn xếp, bàn lùa Ít chi phí đầu tư

Khả năng đáp ứng nhanh

Không linh hoạt được trong việc thay đổi kích thước các lớp mía

Phải thay đổi vị trí lắp đặt phụ thuộc vào kích thước lớp mía

Dễ gây tình trạng bị sai số

Sử dụng cơ cấu Servo + Vít me bi Độ chính cao trong từng vị trí nâng hạ

Khả năng chịu tải cao

Dễ thay đổi, kích thước số lượng lớp mía

Chi phí đầu tư cao

Yêu cầu có kiến thức trong việc lập trình logic

Cần có độ chính xác cao trong phần lắp đặt cơ khí

Bảng 4 1: Bảng tóm tắt phương án 1

Tương tự như phương án 1, việc tính toán về chiều dài mía sẽ sử dụng thuật toán Encoder để tính toán

Hình 4 2: Đóng gói sản phẩm sử dụng khay

Bàn xếp sẽ áp dụng motor servo để xếp mía vào từng khay, giúp tối ưu hóa quá trình xếp lớp và giảm sai số Cơ cấu này sử dụng thuật toán dịch khay dựa trên vị trí servo, cho phép linh hoạt trong việc điều chỉnh số lượng mía mỗi lớp Tuy nhiên, việc xây dựng hệ thống này yêu cầu chi phí đầu tư lớn và độ chính xác cao trong cơ khí, cũng như kiến thức lập trình logic Đối với khâu đóng gói, phương án thả mía rơi tự do qua cơ cấu khay mở đóng bằng xy lanh sẽ được sử dụng, mang lại hiệu quả và thời gian xếp lớp nhanh chóng Tuy nhiên, chi phí lắp đặt cũng cao và yêu cầu độ chính xác trong cơ khí.

Bảng tóm tắt phương án 2:

Phương án Ưu điểm Nhược điểm

Tính toán mía dựa vào

Encoder gắn trên băng tải Ít chi phí đầu tư

Dễ dàng thay đổi tính kích thước

Feedback chiều dài trả về dễ bị sai số

Phụ thuộc vào tốc độ băng tải

Bàn xếp cơ cấu khay sử dụng cơ cấu dịch của Motor

Servo Điều chỉnh được vị trí các khay

Giảm được sai số trong khâu xếp mía

Xếp mía với tốc độ nhanh

Thời gian thiết kế, lắp đặt lâu

Yêu cầu có độ chính xác trong phần tính toán cơ khí

Cơ cấu đóng gói sử dụng khay đóng mở

Thời gian đóng gói mía nhanh

Yêu cầu có độ chính xác trong phần tính toán cơ khí

Thời gian thiết kế, lắp đặt lâu

Bảng 4 2: Bảng tóm tắt phương án 2

Từ những phương án được nhóm tìm hiểu, nghiên cứu, nhóm đã lựa chọn phương án

Để thực hiện đề tài tốt nghiệp, việc lựa chọn phương án 1 không chỉ giúp tiết kiệm chi phí mà còn đáp ứng các yêu cầu đề ra Điều này giúp nhóm giảm bớt cả chi phí lẫn thời gian hoàn thành đồ án tốt nghiệp.

4.5 Trình tự công việc tiến hành

Trình tự công việc tiến hành gồm:

+ Lên phương án, tìm hiểu, nghiên cứu về đề tài

+ Tìm hiểu về các thiết bị điện lập trình, các cơ cấu cơ khí

+ Tính toán, thiết kế phần mô hình cơ khí

+ Tính toán về các thuật toán như Encoder, Servo, PLC,…

+ Lắp ráp phần cứng dựa trên bảng vẽ đã thiết kế

+ Thiết kế tủ điện, các thiết bị điện

+ Đấu tủ điện, kéo dây từ các cơ cấu chấp hành về tủ điện

+ Lập trình PLC điều khiển

+ Chạy mô hình và đánh giá dựa trên chương trình điều khiển đã viết + Thực hiện viết báo cáo về đề tài.

Trình tự công việc tiến hành

TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Tổng quan về hệ thống

5.1.1 Sơ đồ khối của hệ thống

Hình 5 1: Sơ đồ khối của hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống của đề tài gồm:

+ Khối tín hiệu: là những thiết bị ngoại vi đóng vai trò gửi tín hiệu về bộ điều khiển PLC như cảm biến, encoder

Khối điều khiển là phần quan trọng trong hệ thống, với PLC đóng vai trò trung tâm PLC không chỉ thu nhận tín hiệu mà còn tính toán và xử lý dữ liệu, sau đó truyền đạt kết quả đến các khối khác trong hệ thống.

Khối cơ khí bao gồm các cơ cấu chấp hành như xy lanh, motor và vít me, thực hiện các nhiệm vụ dựa trên những tính toán được cung cấp bởi khối điều khiển.

Khối hiển thị nhận thông tin từ khối điều khiển, cho phép người vận hành theo dõi và nhập số liệu trực tiếp vào HMI.

5.1.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Trước khi bắt đầu quy trình chạy tự động, cần thực hiện thao tác hiệu chuẩn (Calibration) cho băng tải bằng cách sử dụng hai cảm biến kết hợp với Encoder Quá trình này giúp xác định hệ số băng tải (xung/mm), từ đó tính toán kích thước chiều dài của mía một cách chính xác.

Trong quy trình chạy tự động, mía được cấp vào băng tải để tính toán chiều dài Nếu kích thước mía đạt yêu cầu, nó sẽ được chuyển sang bàn xếp mía; ngược lại, mía không đạt sẽ bị loại ra khỏi băng tải.

CHƯƠNG 5: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG

Khi mía được đưa vào bàn xếp, cơ cấu xy lanh sẽ tiếp tục lùa mía vào và đếm số lượng mía đã vào Khi đạt yêu cầu về số lượng, xy lanh sẽ chuyển mía vào thùng Khung nâng hạ sử dụng cơ cấu vít me và thanh trượt để nâng hạ thùng khi mía đã được lùa Sau khi lùa đủ một lớp, thùng sẽ hạ xuống theo khoảng cách đã cài đặt dựa trên kích thước đường kính mía thực tế Khi đủ số lớp, cơ cấu đẩy thùng sẽ hoạt động, sau đó cơ cấu nâng hạ sẽ trở về vị trí nhận thùng (Home) để tiếp tục quy trình.

Tính toán, thiết kế cơ khí

5.2.1 Sơ đồ khối phần cơ khí

Hệ thống máy xử lý và đóng gói mía bao gồm ba bộ phận chính: băng tải cấp mía, bàn xếp mía và khung nâng hạ thùng Mỗi bộ phận đảm nhiệm một chức năng riêng biệt nhưng liên kết chặt chẽ với nhau, nhằm đảm bảo sản phẩm cuối cùng đạt yêu cầu chất lượng.

Hình 5 2: Sơ đồ khối của hệ thống cơ khí

Sơ đồ khối minh họa quy trình từ việc cấp mía đầu vào cho đến khi sản phẩm đầu ra được hoàn thiện Mỗi giai đoạn xử lý đều sử dụng các thiết bị và cơ cấu chấp hành riêng biệt, đảm nhiệm những chức năng khác nhau trong quá trình sản xuất.

Băng tải vào mía sử dụng tính toán về chiều dài của mía khi mía đi qua các cảm biến bằng cách kết hợp sử dụng thuật toán Encoder

Hình 5 3: Thiết kế 3D băng tải mía

Để tính toán chiều dài của mía với kích thước L Mía = 300mm, cần đảm bảo việc hiệu chuẩn kích thước và đo chiều dài khi vận hành Khoảng cách an toàn giữa hai trục Roller được xác định là L Roller = 640mm, trong khi đường kính của trục Roller là D Roller = 30mm.

Việc tính toán Calibration sẽ cần sử dụng 2 cảm biến để thực hiện, khoảng cách giữa

2 cảm biến cần lớn hơn kích thước chiều dài mía L 2 Cảm biến > L Mia Vì thế, ta chọn khoảng cách giữa 2 cảm biến L 2 Cảm biến = 370mm

Trên băng tải cấp mía, một cơ cấu lùa mía sử dụng xy lanh đã được lắp đặt với kích thước đạt yêu cầu để tiếp tục quy trình sản xuất Cơ cấu xy lanh này được bố trí theo đúng sơ đồ thiết kế.

Vị trí để lùa mía sẽ đặt ở vị trí cách cảm biến thứ 2 bằng một nữa kích thước chiều dài mía:

Từ kích thước đường kính Roller và khoảng cách giữa 2 trục Roller, Ta có chu vi của băng tải là:

→ Ta chọn chu vi băng tải là 1374(mm)

Để đảm bảo băng tải hoạt động hiệu quả mà không gặp vướng víu hay va chạm, kích thước bề rộng băng tải cần được lựa chọn phù hợp với đường kính của mía, thường từ 15mm đến 20mm Do đó, bề rộng băng tải lý tưởng sẽ là 100mm.

Hình 5 4: Thiết kế 3D bàn xếp mía

Mô hình cần đảm bảo sự liên kết chặt chẽ, đồng bộ và linh hoạt giữa các bộ phận băng tải và xếp mía Do đó, việc tính toán và thiết kế khung là rất quan trọng để đáp ứng các yêu cầu này.

Bàn xếp mía được thiết kế tối ưu để phù hợp với kích thước của mía, đồng thời đảm bảo không xảy ra va chạm khi xếp và lùa mía vào thùng.

Khung được làm từ nhôm định hình với kích thước 340x740x580(mm) giúp dễ dàng trong việc lắp đặt và kết nối các bộ phận Băng tải được lắp trên khung bàn xếp, tạo điều kiện thuận lợi cho việc lùa mía vào Bàn xếp mía được chế tạo từ chất liệu Mica, gắn trực tiếp vào khung với kích thước 340x520.

Khung có hai cơ cấu xy lanh phục vụ cho việc xếp và lùa mía Xy lanh xếp mía được lựa chọn với hành trình tối đa bằng kích thước của một lớp mía, cụ thể là 200mm Đối với xy lanh lùa mía vào thùng, dựa trên kích thước chiều dài khung là 340mm, ta chọn xy lanh có hành trình 400mm, lớn hơn kích thước chiều dài khung.

Khung nâng hạ thùng bao gồm khung và bàn nâng hạ, hoạt động dựa trên cơ cấu Vit-me bi kết hợp với thanh trượt Cấu trúc này giúp di chuyển thùng đến vị trí chính xác theo khoảng cách giữa các lớp.

Hình 5 5: Thiết kế 3D khung nâng hạ thùng

Khung nâng hạ có kích thước 460x340x600(mm) được làm từ nhôm định hình, mang lại độ chắc chắn và cứng cáp Thiết kế này đảm bảo sự ổn định cho bàn nâng hạ, giúp di chuyển an toàn cùng với khối lượng thùng chứa mía thay đổi theo từng lớp Sự chính xác trong quá trình nâng hạ là rất quan trọng để tránh hư hỏng và đáp ứng yêu cầu sử dụng.

Hình 5 6: Bàn nâng hạ thùng

Bàn nâng hạ thùng, lựa chọn và thiết kế gia công sao phù hợp so với thùng khi đặt vào

Thùng chứa mía có kích thước 250x250x300(mm), do đó kích thước nhóm thiết kế bàn nâng sẽ là 270x320x2(mm) Phần Vitme kết hợp với thanh trượt để nâng hạ sử dụng Vitme bi, mang lại nhiều ưu điểm như ma sát thấp, hiệu suất truyền động cao, tính chính xác và ổn định, cùng với độ vững dọc trục tốt Tuy nhiên, khả năng chịu lực của Vitme bi sẽ kém hơn so với Vitme đai ốc thông thường.

Bàn trượt nhôm được thiết kế tối ưu với kích thước 230x630x6 mm, phù hợp với khung nâng hạ Để đáp ứng kích thước này, nhóm đã lựa chọn cặp thanh trượt dài 520 mm.

5.2.5 Xy lanh băng tải cấp mía, bàn xếp

Dựa vào kích thước và cân nặng thực tế trong quá trình thực hiện, nhóm thực hiện đề tài thấy khối lượng lớn nhất mà mía đạt được là 𝑚 𝑀𝑖𝑎 = 500g

Hình 5 7: Sơ đồ phân bố lực lên mía

Ta có công thức trọng lượng của mía là:

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

Theo định luật Newton, để đẩy mía, lực đẩy 𝐹 đẩ𝑦 cần lớn hơn lực ma sát 𝐹 𝑚𝑎 𝑠á𝑡 Mía có hình dạng trụ tròn, dẫn đến hệ số ma sát lăn thấp hơn nhiều so với ma sát trượt Hệ số ma sát thường nằm trong khoảng từ 0 đến 1, vì vậy chúng ta chọn hệ số ma sát lăn 𝜇 = 0.1.

+ Từ hệ số ma sát lăn ta có được:

F đẩy > F ma sát = μ ∙ P mía = 0,1 ∙ 4,9 = 0,49(N) [19] + Đối với áp suất được sử dụng thông dụng trong các máy nén khí hiện nay thường là p = 5 (bar)~ 5,0986 ( kgf cm 2 ) = 0,5(N/mm 2 ) [19]

Vì thế tải trọng cần đáp ứng là

+ Diện tích bề mặt piston xy lanh: S = π ∙ ( D

+ Lực đẩy tối đa của xy lanh là: F = p ∙ S (**)

Từ (*) và (**), ta có được lực đẩy tối đa (kg) mà xy lanh có thể là:

⇒ Vậy để có thể đẩy được mía có khối lượng tối đa là 0,5kg thì cần xy lanh có đường kính

Vì thế để giảm về mặt chi phí, nhóm thực hiện đề tài tận dụng xy lanh có sẳn với đường kính

D = 5mm để đáp ứng bài toán đưa ra

5.2.6 Xy lanh đẩy mía vào thùng Đối với xy lanh đẩy mía vào thùng khi đã đủ mía, với số lượng mía là 4 cây thì khối lượng lớn nhất của mía cũng tăng lên 4 lần, cùng với việc ma sát giữa mía và bàn sẽ là ma sát trượt

Theo như hình trên, ta có công thức trọng lượng của mía là:

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

+ Ta có, hệ số ma sát trượt trong phạm vi từ 0 – 1 Vì vậy, chọn hệ số ma sát trượt 𝜇 = 0,7

Từ hệ số ma sát trượt ta có được:

F đẩy > F ma sát = μ ∙ P mía = 0,7 ∙ 19,6 = 13,72(N) [19] + Ta lại có, lực đẩy tối đa (kg) mà xy lanh có thể đẩy là:

⇒ Vậy với mía có khối lượng tối đa là 2kg thì cần xy lanh có đường kính D > 7,13(mm)

Vì thế để giảm về mặt chi phí, nhóm thực hiện đề tài tận dụng xy lanh có sẳn với đường kính

D = 10mm để đáp ứng bài toán đưa ra.

Tính toán chọn động cơ và bộ truyền động

5.3.1 Lựa chọn bộ truyền động Đối với băng tải được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất thường sẽ sử dụng các dạng băng tải như băng tải với bộ truyền động đai, xích, Mỗi kiểu băng tải đều có những ưu, nhược điểm riêng Đối với hệ thống của nhóm thực hiện đề tài sẽ sử dụng loại băng tải loại truyền động đai với một số ưu điểm như: Giá thành không quá cao, hoạt động êm ái, phù hợp với tải trọng nhẹ,…

5.3.2 Tính toán lựa động cơ cho băng tải Đối với băng tải, có các cơ cấu chuyển động như roller, dây đai,…Sau khi thiết kế có được tổng trọng lượng tác dụng lên là m = 5(kg) và khối lượng sản phẩm phân bố trên một đơn vị chiều dài (𝐿 𝑏ă𝑛𝑔 𝑡ả𝑖 = 0,8𝑚) băng tải là:

Do đây là băng tải phẳng, không chịu bất kỳ lực bên ngoài nào tác dụng lên nên ngoại lực tác dụng lên băng tải F a = 0

Ta chọn hệ số ma sát ổ lăn khi làm việc như bảng dưới: f 𝒍 𝟎 (m) Điều kiện làm việc

0,03 49 Các băng tải tạm thời hoặc băng tải di động

Các băng tải làm việc trong môi trường rất lạnh (Đến -40 Độ C); thường xuyên khởi động – dừng;

0,022 66 Các băng tải cố định, được căn chỉnh và bảo dưỡng theo quy chuẩn 0,012 156 Sử dụng khi cần tính công suất phanh khi tải vật phẩm đi xuống

Bảng 5 1: Bảng tra thông số lực ma sát ổ lăn [2]

Công suất của băng tải là:

P 1 : Là công suất kéo không tải theo phương ngang

P 2 : Là công suất kéo có tải theo phương ngang

P 3 : Là công suất kéo có tải theo phương thẳng đứng(đối với đề tài thì P 3 = 0 do không có kéo tải theo phương thẳng đứng)

P t : Là công suất dẫn động cơ cấu gạt sản phẩm Độ rộng băng tải(mm) Dạng cơ cấu gạt

Bảng 5 2: Bảng tra công suất cơ cấu gạt 𝑃 𝑡 [9]

Công suất kéo không tải theo phương ngang là:

6120 = 1,45 ∙ 10 −5 (kW) [9] Công suất kéo có tải theo phương ngang là:

Tra bảng 5.2 ta có độ rộng băng tải là l < 400mm nên P t sẽ nhỏ hơn 0,75(kW) nên lấy theo công thức tam suất có được P t = 0,1875(kW)

+ W: là khối lượng các bộ phận chuyển động của băng tải, không tính khối lượng vật phẩm được vận chuyển (kg);

+ W m : Khối lượng vật phẩm phân bố trên một đơn vị dài của băng tải (kg/m);

+ V: Vận tốc băng tải (m/phút)

+ l: Chiều dài băng tải theo phương ngang (m)

+ l 0 : Chiều dài băng tải theo phương ngang được điều chỉnh (m)

Ta có công suất làm việc là:

Tốc độ quay của động cơ là:

N motor = 60 ∙ V bă𝑛𝑔 tả𝑖 π ∙ D roller = 60 ∙ 0,503 π ∙ 30 10 −3 = 320 (vòng/phút) [9]

Từ những tính toán, ta có số liệu đầu vào:

STT Thông tin đầu vào Số liệu Đơn vị

1 Tổng trọng lượng tác dụng m 5 Kg

2 Ngoại lực tác dụng lên băng tải 𝐹 𝑎 0 N

7 Vận tốc băng tải V bă𝑛𝑔 tả𝑖 503 mm/s

8 Tốc độ quay của động cơ 𝑁 𝑚𝑜𝑡𝑜𝑟 320 Vòng/phút

9 Công suất làm việc P lv 187 W

8 Điện áp cấp cho động cơ 220 VAC

9 Thời gian hoạt động 8h/ngày

Bảng 5 3: Bảng thông số đầu vào lựa chọn động cơ băng tải

Tính toán lựa chọn hộp số:

+ Tốc độ quay trục trên hộp số:

90 π = 107 ( r min) [8] + Động cơ dây quấn 4 cực, tần số 50Hz có tốc độ định mức 1300 – 1600 RPM

+ Tỷ số truyền của động cơ trong phạm vi là: i = 1300~1600

107 = 12,15~14,95 [8] + Dựa vào bảng cataloge tiêu chuẩn Oriental chọn: I = 15

Tính toán momen xoắn trục cho hộp số:

+ Tổng lực tác dụng lên băng tải:

F = F a + m ∙ g(sinθ + μ ∙ cosθ ) = 0 + 5 ∙ 9,8(sin0 ° + 0.3 ∙ cos0°) = 14,7(N) [8] + Momen xoắn trục đầu ra hộp số:

2 ∙ 0,9 = 0,245(N m) [8] Chọn hệ số an toàn = 2

T L = 0,245 ∙ 2 = 0,49(N m) [8] Sau khi tra tài liệu về hộp số, ta có hiệu suất của hộp số động cơ n = 0.81

+ Momen xoắn của trục động cơ là:

Hình 5 8: Catalog của động cơ Washin [9]

Hình 5 9: Catalog của hộp số động cơ Wanshin [9]

→ Từ những tính toán trên, nhóm thực hiện đề tài đã chọn hộp số 60GK15H và Motor

60YS06WGV22 của hãng Wanshin với những thông số sau:

Tốc độ quay của động cơ 1300 – 1600 RPM Điện áp 1P - 220VAC

Tỷ số truyền hộp số 1/15

Bảng 5 4: Thông số động cơ Wanshin [9]

5.3.3 Tính toán lựa chọn Vít me

Vật liệu trục vít: Thép 45

Vật liệu đai ốc: Gang xám

Khối lượng đai ốc: 0,3Kg

Trong thiết kế cơ cấu vít me đai ốc bi, nhóm thực hiện đã sử dụng bàn trượt có kích thước 230x630x6 mm theo phương thẳng đứng Bàn nâng có kích thước 270x320x2 mm được thiết kế với chất liệu Inox 304, đảm bảo chất lượng và độ bền.

+ Khối lượng của bàn nâng là: m bàn nâng = D ∙ V = 8000 ∙ 270 ∙ 320 ∙ 2 ∙ 10 −3 = 1,3824(kg) [8] Trong đó:

𝑚 𝑏à𝑛 𝑛â𝑛𝑔 : Khối lượng của bàn nâng

D: Khối lượng riêng của Inox 304 (8000kg/m 3 )

V: Thế tích của bàn nâng

Ta có bàn nâng sẽ nâng hạ chứa thùng mía, ta lấy khối lượng lớn nhất của thùng mía là 6kg Vậy nên tổng khối lượng sẽ là 𝑚 = 𝑚 𝑇ℎù𝑛𝑔 𝑚í𝑎 + 𝑚 𝑏à𝑛 𝑛â𝑛𝑔 = 6 + 1,384 = 7,384(𝑘𝑔)

Trong quá trình nâng hạ thùng mía, không có lực dọc trục nào phát sinh, do đó, lực dọc trục 𝐹 𝑎 tác động lên bộ truyền chỉ là tổng khối lượng của bàn nâng hạ và thùng chứa mía.

+ Lực dọc trục tác động:

+ Tính sơ bộ đường kính trong của Vít me:

+ Theo điều kiện bền, ta có: d 1 = √4 ∙ 1,3 ∙ F a π ∙ [σ K ] = √4 ∙ 1,3 ∙ 72.36 π ∙ 120 ≈ 1(mm) [2]

F a : Lực dọc trục (N) d 1 : Đường kính trong của Vit me(mm)

Giới hạn chảy của vật liệu chế tạo vít là yếu tố quan trọng, trong đó trục vít được làm từ thép C45 với giới hạn chảy [σ ch ] là 360MPa, như tham khảo từ bảng dưới đây.

+ Chọn trục Vít me có đường kính d 1 = 15(mm)

Hình 5 10: Bảng cơ tính của một số vật liệu [2]

+ Tính các thông số bộ truyền:

→ Chọn đường kính bi d b = 3(mm)

+ Bán kính răng lăn r 1 = (0,51 ÷ 0,53) ∙ d b = 0,51 ∙ 3 = 1,53(mm) [2] + Khoảng cách từ tâm rãnh đến tâm bi c = (r l −d b

2) ∙ cos45° ≈ 0,02(mm) [2] Trong đó: 𝛽 là góc tiếp xúc (45°)

+ Đường kính vòng tròn qua các tâm bi

D tb = d 1 + 2 ∙ (r 1 − c) = 15 + 2 ∙ (1,53 − 0,02) = 18,02(mm) [2] + Đường kính trong của ren đai ốc

D 1 = D tb + 2 ∙ (r 1 − c) = 18,02 + 2 ∙ (1,53 − 0,02) = 21,04(mm) [2] + Chiều cao làm việc của ren h 1

+ Đường kính ngoài của Vít me(d) và đai ốc(D) d = d 1 + 2 ∙ h 1 = 15 + 2 ∙ 1 = 17(mm) [2]

+ Góc nâng của Vít me 𝛾 γ = arctg ( p π ∙ D tb ) = arctg ( 4 π ∙ 18,02) = 4.04° [2] + Số bi trong các vòng ren làm việc

3 = 43.04 ≈ 44(viên) [2] Với số vòng ren làm việc K = 2,3

→ Chọn số bi trong vòng ren làm việc là Z b = 44(viên)

∆ = D 1 − (2 ∙ d b + d 1 ) = 21,04 − (2 ∙ 3 + 15) = 0.04(mm) [2] + Khe hở tương đối

+ Góc ma sát lăn thay thế: φ 1 = arctg ( 2 ∙ f t d l ∙ sinβ) = arctg ( 2 ∙ 0.005

15 ∙ sin45°) = 0.05° [2] Trong đó, hệ số ma sát lăn 𝑓 𝑡 = 0.005

+ Hiệu suất biến chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến η = tgγ tg(γ + φ l ) = tg(4,04) tg(4,04 + 0.05)= 0,99 [2] + Tính kiểm nghiệm về độ bền

Tải trọng riêng dọc trục q a = F a

44∙(4) 2 ∙0.8= 0,13 [2] Trong đó, 𝜆 = 0.8 – hệ số phân bố tải trọng không đều cho các viên bi

Hình 5 11: Đồ thị xác định ứng suất lớn nhất 𝜎 𝑚𝑎𝑥 [2]

+ Từ χ = 0.0027 và q a = 0.13 từ đồ thị ta xác định được σ max = 800 MPa (1)

Ta có [𝜎 𝑚𝑎𝑥 ] = 5000𝑀𝑃𝑎 đối với mặt làm việc của vít và đai ốc đạt độ rắng HRC ≥ 53 và của bi HRC ≥ 63 (2)

Từ (1) và (2), ta thấy được σ max ≤ [σ max ] (800MPa < 5000MPa), thỏa mãn điều kiện bền cho vít

5.3.4 Tính toán lựa chọn động cơ cho bộ nâng hạ Vít me Đối với bộ phận nâng hạ thùng với mục đích di chuyển đúng với khoảng cách của từng lớp, để khi xy lanh đẩy mía vào sẽ không bị va chạm Với yêu cầu đưa ra, nhóm thực h iện đề tài có nhiều phương án chẳng hạn như sử dụng: Stepper Motor, IAI, Servo AC Motor …Với mỗi loại động cơ đều có nhiều ưu điểm và nhược điểm khác nhau, để phù hợp về mặt mô hình cũng như tính linh hoạt trong khâu lập trình, nhóm đã chọn phương án sử dụng Servo AC Motor

Từ những tính toán về dựa vào bộ vít me bi ở mục 5.3.3, ta có bảng thông số yêu cầu đầu vào để tính toán và lựa chọn động cơ:

STT Thông số kỹ thuật Số liệu Đơn vị

1 Tốc độ tối đa của bàn V L 0,1 m/s

2 Độ phân giải Vít me Δ L khi cấp 1 xung 0,0001 mm

3 Nguồn điện động cơ 220 VAC

4 Khối lượng của bàn nâng, và thùng mía m 8 kg

6 Hệ số ma sát trượt 𝜇 0,04

8 Hệ số ma sát trong đai ốc 𝜇 0 0,3

9 Đường kính trục Vít me bi 𝐷 𝐵 16 mm

10 Tổng chiều dài Vít me bi 𝐿 𝐵 500 mm

11 Bước Vít me bi 𝑃 𝐵 4 mm

12 Vật liệu làm Vit me bi Thép C45

13 Thời gian tăng, giảm tốc 300 ms

Bảng 5 5: Bảng thông số đầu vào tính toán lựa chọn Vít me

Tính toán thiết kế và lựa chọn:

+ Độ phân giải của động cơ từ độ phân giải cần thiết để dẫn động bàn θ = 360 Δl

4 = 0,009 [8] + Tốc độ quay của động cơ

4 = 1500 (vòng phút) [8] + Momen xoắn tải thực của trục động cơ

= 4,3615 ∙ 10 −3 (𝑁 ∙ 𝑚) [8] Trong đó: Lực tác dụng lên bàn nâng F

+ Momen quán tính của tải trọng 𝐽 𝐿 [𝑘𝑔 ∙ 𝑚 2 ]

+ Momen quán tính của bàn nâng và thùng mía

2𝜋 = 2,04 ∙ 10 −5 [kgm 2 ] [8] + Momen quán tính tải

Lựa chọn tạm thời motor Servo AC

+ Hệ số an toàn được giả định là S f = 1,5

+ Momen quán tính tải J L = 4,581 ∙ 10 −3 [kgm 2 ]

→ Từ đó, chọn một động cơ xoay chiều có tốc độ quay 3000 [r/min], momen xoắn định mức 6,54 ∙ 10 −3 [Nm] và momen quán tính tải cho phép là 4,581 ∙ 10 −3 [kgm 2 ]

→ Chọn động cơ Servo HG – KR43B

+ Tốc độ quay định mức N = 3000 [r/min]

+ Momen xoắn định mức tối đa: 𝑇 𝑚𝑎𝑥 = 4,5[𝑁 𝑚]

+ Momen quán tính tải trọng cho phép J = 0,371 [kgm 2 ]

Hình 5 12: Catalog Motor Servo HG-KR43B [11]

Tính toán thiết kế hệ thống điện

Hình 5 13: Sơ đồ khối phần nguồn a Thiết bị bảo vệ MCB

Nguồn điện là yếu tố thiết yếu cung cấp năng lượng cho các thiết bị điều khiển, cảm biến và Driver Nhóm sẽ sử dụng nguồn 220VAC – 50HZ cho toàn bộ hệ thống điện Các thiết bị điện như MCB sẽ đảm bảo an toàn cho hệ thống, ngăn ngừa tình trạng ngắn mạch và quá tải điện áp.

Khi chọn thiết bị bảo vệ đóng cắt cho hệ thống điện, nhóm thực hiện đề tài đã tính toán tổng công suất của hệ thống để xác định dòng điện định mức tổng Dựa trên kết quả này, nhóm đã lựa chọn thiết bị đóng cắt và bảo vệ phù hợp Đặc biệt, hệ thống điện của nhóm sử dụng hai MCB để bảo vệ riêng cho từng thiết bị khác nhau.

+ Ta có, công thức tính công suất tổng cho MCB thứ 1 là:

𝑃 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 1 = 𝑃 𝑃𝐿𝐶 + 𝑃𝑁𝑔𝑢ồ𝑛 24𝑉𝐷𝐶 + 𝑃 𝑀𝑜𝑡𝑜𝑟 = 40 + 180 + 22 = 242(𝑊) [7] + Cường độ dòng điện tổng 𝐼 𝑇𝑜𝑡𝑎𝑙 1 :

+ Để dự phòng an toàn và cần nâng cấp phụ tải nếu khi cần thiết thì:

→ Chọn MCB 6A của hãng Schneider có mã là A9K27206 để bảo vệ cho PLC và Nguồn 24VDC

MCB thứ 2 sẽ được chọn để bảo vệ Driver AC Servo, dựa trên thông số của Driver Cường độ dòng điện định mức của Driver là 𝐼 𝐷𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 = 2,6(𝐴).

+ Tương tự như trên, ta có: 𝐼 𝑇𝐾 2 = 2 ∙ 𝐼 𝐷𝑟𝑖𝑣𝑒𝑟 = 2 ∙ 2,6 = 5,2(𝐴)

→ Chọn MCB 6A của hãng Schneider có mã là A9K27206 để bảo vệ cho Driver AC Servo

Số cực 2P Điện áp 230VAC

Dòng cắt ngắn mạch 6kA

Bảng 5 6: Bảng thông số kỹ thuật MCB [17]

Hình 5 14: Sơ đồ kết nối mạch động lực của hệ thống

Nguồn 24VDC cung cấp điện cho các thiết bị ngoại vi như cảm biến, Encoder, HMI và chân CN1 của Driver Servo Việc lựa chọn nguồn 24VDC cần dựa trên cách tính tổng tải để chọn nguồn phù hợp nhất.

+ Ta có, công suất tiêu thụ tổng của các thiết bị là:

+ Tổng dòng điện tiêu thụ là:

+ Với công suất tiêu thụ là 0,89A, nhóm thực hiện đề tài chọn nguồn 24VDC của hãng Omron có mã là S8VM – 05024CD với bảng các thông số sau:

Nguồn cấp đầu vào 220VAC Điện áp định mức đầu ra 24VDC

Dòng điện định mức đầu ra 2,2A

Bảng 5 7: Bảng thông số kỹ thuật của bộ nguồn 24VDC [18]

Hình 5 15: Sơ đồ khối phần điều khiển

Bộ điều khiển PLC đóng vai trò là trung tâm điều khiển của hệ thống, thu thập thông tin từ các cảm biến và encoder Sau khi phân tích và so sánh dữ liệu với các giá trị đã được lập trình, PLC sẽ phát tín hiệu cho các cơ cấu chấp hành để thực hiện các nhiệm vụ cần thiết.

Hình 5 16: Bộ điều khiển lập trình PLC FX5U 64MT/ES

Bộ điều khiển lập trình PLC cho đề tài yêu cầu có nhiều chân I/O, kênh đọc tốc độ High-Speed Counter đầu vào và kênh ngõ ra phát xung tốc độ cao Sau khi tìm hiểu và lựa chọn, nhóm thực hiện đề tài đã quyết định sử dụng bộ PLC Mitsubishi FX5U để đáp ứng các tính năng cần thiết.

PLC Mitsubishi FX5U được phát triển với sự chú trọng đến người dùng, mang đến tính năng điều khiển vượt trội và khả năng điều khiển định vị tốt hơn Sản phẩm thuộc dòng MELSEC iQ-F Series của Mitsubishi, được cải tiến từ dòng MELSEC-F Series.

Module CPU được trang bị nhiều tính năng tích hợp sẵn để phục vụ các loại điều khiển khác nhau, bao gồm định vị với 8 kênh xung đầu vào tốc độ cao và ngõ ra xung tốc độ cao cho việc điều khiển 4 trục Ngoài ra, module còn có các ngõ vào ra analog gắn sẵn Các trang bị tiêu chuẩn của module bao gồm cổng Ethernet, cổng RS-485 và khe nhớ SD Cổng Ethernet tương thích với nhiều loại CC-Link IE Field Network, cho phép kết nối với đa dạng thiết bị khác nhau.

Dòng MELSEC iQ-F có CPU có khả năng xử lý tốc độ cao với tốc độ thao tác lệnh là

34 ns CPU hỗ trợ viết cấu trúc chương trình với nhiều ngôn ngữ khác nhau: Ladder ,ST ,

Dòng MELSEC iQ-F có khả năng duy trì chương trình mà không cần pin, và dữ liệu xung đồng hồ có thể được lưu trữ lên đến 10 ngày nhờ vào siêu tụ điện.

Thông số kỹ thuật của PLC FX5U 64MT/ES Điện áp cung cấp

CPU Điện áp cấp cho module CPU có thể dùng AC (100-240V) hoặc DC(24V)

Có thể chứa 64000 bước (Step)

Thẻ nhớ SD Hỗ trợ thẻ nhớ SD tối đa 4GB

Tích hợp kết nối cổng Ethernet ,cổng RS-485

Các I/O và chức năng chuyên dụng

Số lượng điểm I/O kết nối tối đa 512 điểm (bao gồm cả module CPU: 32/64/80 tùy loại module , CC-Link:512 điểm ,AnyALINK,và Remote IO)

Tích hợp 2 ngõ vào analog 12 bit , 1 ngõ ra analog 12 bit

Bộ đếm tốc độ cao (Encoder) tối đa 8 kênh với xung đầu vào 200kHz Điều khiển vị trí 4 trục với xung tần số 200kHz

Số lượng I/O là 64 Ngõ ra Transistor dạng Sink

Board mở rộng Hỗ trợ mở rộng truyền thông RS232, RS422, và RS485

Bảng 5 8: Bảng thông số kỹ thuật của PLC FX5U [12]

Hình 5 17: Sơ đồ kết nối động lực của PLC và Nguồn 24VDC

Bộ điều khiển Driver AC Servo Mitsubishi được lựa chọn cho khung nâng hạ thùng chứa mía nhờ vào độ chính xác cao trong việc tính toán khoảng cách di chuyển và khả năng linh hoạt trong việc thay đổi số lượng lớp Với những ưu điểm như đáp ứng nhanh và tính linh hoạt, bộ Driver này có khả năng giải quyết hiệu quả các yêu cầu của đề tài.

Hình 5 18: Bộ Driver AC Servo MRJ4-40A

Bộ điều khiển Servo MR-J4-40A của Mitsubishi là sản phẩm cao cấp trong dòng Servo MR-J4, hoạt động với điện áp 200-320VAC và tần số 50/60Hz Thiết bị này sử dụng chuỗi xung và đầu vào tương tự để điều khiển, với dải công suất từ 0.1 đến 22kW, phù hợp cho nhiều mục đích sử dụng khác nhau.

Dòng Servo MR-J4 mang lại hiệu quả kinh tế vượt trội với tốc độ bus qua mạng SSCNET III/H nhanh gấp 3 lần so với các giải pháp cũ Thiết kế tối ưu của nó yêu cầu ít dây dẫn và kết nối, đồng thời giảm thiểu năng lượng tiêu thụ nhờ vào nguồn năng lượng tái tạo khi sử dụng model 3 trục.

Servo MR-J4 được hỗ trợ bởi iQ Works của Mitsubishi Electric, mang đến đầy đủ tính năng của PLC bao gồm chuyển động, lập trình và phát triển HMI trong một gói phần mềm toàn diện.

Tốc độ tần số lên đến 2500Hz giúp giảm đáng kể thời gian cài đặt xuống còn 150Mbps Hệ thống SSCNET III/h sử dụng kết nối qua cáp quang tốc độ cao, tạo ra mạng chuyển động hiệu quả.

Thuật toán điều khiển liên tục, tiên tiến: chức năng chỉnh tự động one – touch được nâng cao với kiểm soát của thời gian thực

Servo motor AC có độ phân giải lên đến 22 bit, tương đương khoảng 4 triệu xung mỗi vòng quay Hệ thống điều khiển sử dụng phương pháp điều chế độ rộng xung (PWM) để điều chỉnh dòng điện Thiết bị này hỗ trợ ba chế độ điều khiển chính: vị trí, vận tốc và momen xoắn.

Thông số kỹ thuật bộ Driver Servo MRJ4 – 40A

Nguồn cấp chính 3 Phase hoặc 1 Phase 220VAC

Dòng điện định mức đầu vào 2,6A Điện áp ngõ ra 3 Phase 170VAC

Dòng điện định mức ngõ ra 2,8A

Nguồn mạch điều khiển 1 Phase 220VAC

Dòng điện định mức mạch điều khiển 0,2A

Công suất tiêu thụ của mạch điều khiển 30W

Bảng 5 9: Bảng thông số kỹ thuật của Driver MRJ4 - 40A [12]

Hình 5 19: Sơ đồ kết nối động lực của Driver

Hình 5 20: Sơ đồ kết nối tín hiệu của Driver

Hình 5 21: Sơ đồ khối phần tín hiệu

THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN

Lưu đồ giải thuật của hệ thống

6.1.1 Lưu đồ giải thuật về quy trình Calibration

Hình 6 1: Lưu đồ giải thuật về quy trình Calibration

CHƯƠNG 6: THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN

Giải thích về lưu đồ:

Quy trình Calibration tính toán hệ số Xung/mm dựa trên tốc độ quay băng tải và khoảng cách giữa hai cảm biến, từ đó xây dựng thuật toán tính toán Trước khi thực hiện quy trình, cần phải Calib lại để tránh sai số do thay đổi tốc độ băng tải hoặc vị trí cảm biến Để thuận tiện, nhóm đã tích hợp nút nhấn Auto Stop; khi nhấn giữ trong 1 giây, đèn đỏ sẽ nháy liên tục, cho biết quá trình Calib đang diễn ra, sau đó băng tải sẽ bắt đầu chạy.

Khi tiến hành cho mía vào băng tải, cảm biến 1 sẽ phát hiện và thực hiện tính toán hệ số dựa trên thuật toán đã được lập sẵn Quá trình Calibration sẽ kết thúc khi mía đến vị trí của cảm biến 2 Hệ số đã tính toán sẽ được áp dụng trong quy trình vận hành tiếp theo.

Thuật toán Encoder sẽ phụ thuộc vào khoảng cách giữa 2 vị trí đặt của cảm biến

Hình 6 2: Vị trí của 2 cảm biến

Khi cảm biến 1 phát hiện mía, giá trị xung ban đầu của Encoder sẽ được chuyển vào thanh ghi Tiếp theo, khi cảm biến 2 phát hiện mía, giá trị xung cuối của Encoder cũng sẽ được chuyển vào thanh ghi.

+ Sau đó, ta lấy hiệu của 2 giá trị xung đầu và cuối thực hiện chia cho khoảng cách đặt giữa

2 cảm biến Từ đó ta tính được hệ xung/mm để thực hiện việc tính chiều dài của mía

6.1.2 Lưu đồ giải thuật về quy trình chạy hệ thống

Lưu đồ giải thuật cho quy trình vận hành hệ thống sẽ được chia thành các lưu đồ riêng biệt nhưng có sự liên kết chặt chẽ, bao gồm: lưu đồ quy trình tính chiều dài mía, lưu đồ quy trình bàn xếp mía, và lưu đồ quy trình khung nâng hạ thùng Trong đó, quy trình tính chiều dài mía là một phần quan trọng của hệ thống.

Hình 6 3: Lưu đồ giải thuật về quy trình tính chiều dài mía

Sau khi hoàn thành quá trình hiệu chuẩn, chúng ta sẽ có hệ số xung/mm để tính toán chiều dài trong quy trình tự động Trước khi bắt đầu quy trình chạy, cần kiểm tra xem các lỗi trong chương trình Alarm đã được khắc phục hay chưa, vì nếu máy hoạt động khi có Alarm sẽ dẫn đến nguy cơ mất an toàn lao động và có thể gây hư hỏng cho máy móc.

Hình 6 4: Lưu đồ giải thuật về quy trình Alarm

Sau khi xử lý hết các cảnh báo, người dùng nhấn nút Auto Start để khởi động quy trình đã lập trình sẵn, và băng tải sẽ bắt đầu hoạt động Khi mía được đưa vào băng tải, cảm biến 1 sẽ phát hiện và sử dụng xung cạnh lên trong chương trình để bắt đầu ghi nhận giá trị xung ban đầu Khi mía ra khỏi cảm biến 1, giá trị xung cuối sẽ được ghi vào thanh ghi Từ đó, kết hợp với hệ số xung đã được xác định trong chương trình Calib, ta có thể tính toán được chiều dài thực tế của mía.

Nếu mía đạt chiều dài yêu cầu, xy lanh 1 sẽ đẩy mía vào bàn xếp và gửi tín hiệu hoàn thành cho chương trình bàn xếp để tiếp tục quy trình Ngược lại, nếu mía không đạt chiều dài yêu cầu, xy lanh sẽ không hoạt động, cho phép mía chạy hết băng tải.

56 b Quy trình bàn xếp mía

Hình 6 5: Lưu đồ giải thuật của bàn xếp mía

Khi mía đạt yêu cầu về chiều dài, nó sẽ được đưa vào bàn xếp mía để tiến hành quy trình Cảm biến 3 sẽ phát hiện mía đã vào bàn và có một khoảng delay 300ms để tránh nhiễu không cần thiết Tiếp theo, xy lanh 2 sẽ đẩy và xếp mía vào bàn, đồng thời tăng giá trị Buffer lên 1 đơn vị Các giá trị Buffer này sẽ được lưu trữ trong thanh ghi Retantive, một bộ nhớ lưu trữ khi mất điện.

Sau khi đã đạt đủ lượng Buffer mía, cần kiểm tra tín hiệu từ bàn xếp để xác định xem đã sẵn sàng chưa Tiếp theo, thực hiện kích xy lanh 3 để đẩy mía vào thùng, nhằm tiến hành quy trình nâng hạ thùng mía Trong thời gian Buffer mía đủ, việc xếp mía sẽ bị ngừng lại để tránh tình trạng dư Buffer, nhằm đảm bảo an toàn cho quy trình.

Sau khi bàn xếp mía đã hoàn thành việc xếp đủ số lượng cho một lớp theo giá trị cài đặt, xy lanh trên bàn xếp sẽ đẩy lớp mía vào thùng Tiếp theo, quy trình nâng hạ thùng sẽ được thực hiện.

Trước khi tiến hành nâng hạ thùng, cảm biến 7 cần xác nhận thùng đã được đặt đúng vị trí trên bàn nâng Nếu bàn nâng đã vào vị trí, tiến hành cho bàn xếp lùa mía vào thùng.

Mỗi lớp mía sẽ được nâng hạ theo khoảng cách được cài đặt trước, và tăng buffer lên

1 đơn vị, các giá trị Buffer được lưu vào vùng nhớ Retantive để lưu giá trị tránh trường hợp bị mất điện dẫn đến sai buffer

Khi mía đạt đủ số lớp theo giá trị cài đặt, bàn xếp sẽ gửi tín hiệu Unready và dừng việc đẩy mía để tránh hư hỏng Lúc này, xy lanh 4 sẽ đẩy thùng ra và chờ tín hiệu phản hồi từ cảm biến kiểm tra thùng để rút xy lanh.

Sau khi thùng được đưa ra, Servo sẽ tự động trở về vị trí home theo chương trình đã lập trình Tại vị trí home, Servo xác định điểm gốc của bàn nâng là vị trí 0 Khi quá trình trở về home hoàn tất, cảm biến tiệm cận sẽ xác nhận Servo đã ở vị trí này, dừng động cơ và gửi tín hiệu hoàn thành quy trình nâng hạ thùng, cho phép bàn xếp thực hiện lại quy trình ban đầu.

Vị trí Home Servo cần trùng với vị trí thùng vào để thuận tiện cho việc cấp thùng Ngoài ra, Home Servo có thể hoạt động ở chế độ Manual, vì khi khởi động lại máy, các vị trí hiện tại của Servo có thể bị sai Do đó, cần xác định lại điểm ban đầu để thực hiện quy trình tự động một cách chính xác.

Hình 6 6: Lưu đồ giải thuật về khung nâng hạ thùng

CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ

Thi công mô hình

Hình 7 1: Thiết kế băng tải cấp mía

Hình 7 2: Băng tải cấp mía thực tế

Băng tải có chiều ngang 100mm và chiều dài 800mm được thiết kế phù hợp cho kích thước mía từ 250mm đến 300mm.

CHƯƠNG 7: CHẾ TẠO THỬ NGHIỆM, ĐÁNH GIÁ

Băng tải được gắn liền với khung bàn nâng, tạo sự chắc chắn trong quá trình vận hành cũng như trong khâu xếp mía

7.1.2 Thiết kế bàn xếp mía

Hình 7 3: Thiết kế bàn xếp mía

Vị trí lắp đặt của bàn xếp thực tế

Hình 7 4: Bàn xếp mía thực tế

7.1.3 Thiết kế khung nâng hạ thùng

Hình 7 5: Thiết kế khung nâng hạ thùng

Khung nâng hạ phải được thiết kế và lắp đặt một cách hợp lý để chịu được khối lượng thùng mía, đồng thời cần tránh va chạm trong quá trình Servo hoạt động nhằm ngăn chặn hư hỏng thiết bị.

Hình 7 6: Khung nâng hạ thùng thực tế

Hình 7 7: Tủ điều khiển thực tế

Tủ điện có kích thước nhỏ gọn 500x400x250(mm), lý tưởng cho việc bố trí thiết bị và HMI, đồng thời thuận tiện cho quá trình vận hành máy.

Kết quả thử nghiệm

7.2.1 Đo kích thước của mía

Hình 7 8: Kích thước mía thực tế

Sau quá trình hiệu chuẩn để xác định hệ số xung/mm, nhóm thực hiện đề tài đã tiến hành đo chiều dài mía thực tế và thu được các kết quả như sau:

Kích thước mía yêu cầu (mm)

Kích thước mía thực tế(mm)

Bảng 7 1: Bảng thực nghiệm đo chiều dài của mía

Sau 5 lần, đo kích thước thực tế cho ra kết quả về mặt sai số tương đối nhỏ, nhưng cho ra kết quả khá chính xác so với thực tế

Hình 7 9: Bàn xếp mía thực tế

Sau khi đo kích thước mía, mía sẽ được đưa vào bàn xếp bằng xy lanh, với quy cách xếp 4 cây mỗi lớp Kết quả thử nghiệm cho thấy mía được xếp tương đối thẳng, nhưng vẫn có sự lệch so với phần viền của bàn xếp.

7.3 Hướng dẫn vận hành máy

Quy trình thực hiện Calibration:

Bước 1: Chuyển Switch về chế độ Manual

Bước 2: Nhập thông số khoảng cách giữ 2 sensor

Bước 3: Nút giữ nút Auto Stop trong 2s, cho tới khi đèn đỏ nhấp nháy liên tục

Bước 4: Cho mía vào để thực hiện tính toán

Bước 5: Đèn đỏ hết nháy là kết thúc quy trình Calibration

Quy trình chạy tự động:

Bước 1: Tiến hành Reset Alarm, gạt Switch về chế độ Auto, nhấn vào nút nhấn reset cho tới khi hết đèn vàng nhấp nháy

Bước 2: Nhấn chọn Auto Mode trên màn hình HMI, lúc đó đèn xanh sẽ nhấp nháy

Bước 3: Nhấn nút Auto Start để tiến hành chạy máy

Bước 4: Bỏ mía vào băng tải, bỏ thùng vào bàn nâng hạ và máy sẽ chạy theo quy trình.

KẾT LUẬN – HƯỚNG PHÁT TRIỂN

Trải qua quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp, nhóm đã thực hiện các công việc, nhiệm vụ như sau:

+ Tìm hiểu về nhu cầu sử dụng mía ở trong thị trường Việt Nam

+ Tìm hiểu, tham khảo những đề tài đã được nghiên cứu từng những năm trước

+ Khảo sát, tính toán, thiết kế phần cơ khí

+ Tính toán, lựa chọn, thiết kế hệ thống tủ điện điều khiển

+ Triển khai, lắp ráp, xây dựng phần mô hình máy

+ Xây dựng lưu đồ giải thuật về hệ thống

+ Lập trình, chạy thử nghiệm dựa trên mô hình máy đã xây dựng

+ Tóm tắt, viết báo cáo về đề tài

Bên cạnh đó, cũng còn nhiều vấn đề mà nhóm chưa thể đáp ứng được yêu cầu từ đề tài đưa ra:

+ Kết cấu phần cơ khí ở mức mô hình nhỏ, chưa đáp ứng được so với yêu cầu thực tế + Chưa đánh giá được thị trường ở nước ngoài

+ Chưa có tính logic sâu về phần lập trình máy

+ Chưa xử lý được ở tốc độ cao, hiện tại máy chỉ xử lý được từng cây mía ở thời gian khoảng 3s

+ Vì giới hạn của mô hình nên chưa phân loại được những cây mía có kích thước lớn hơn

Hướng phát triển cho đề tài

Dựa trên những hạn chế đã nêu, nhóm nghiên cứu đề xuất một số hướng phát triển trong tương lai gần nhằm hoàn thiện mô hình máy và nâng cao hiệu suất năng suất.

+ Đảm bảo tốt nhất về mặt an toàn của máy cho con người là điều ưu tiên

+ Thiết kế mô hình với quy mô có thể xử lý được ở tốc độ cao

+ Tối ưu, và linh hoạt hơn trong phần lập trình

+ Xây dựng hệ thống giám sát, và thuận tiện hơn cho người vận hành máy

+ Tìm hiểu, khảo sát rộng hơn về nhu cầu của thị trường trong và ngoại nước.

Tài liệu tham khảo Tiếng Việt:

[1] Phạm Cao Khải, Phạm Văn Thắng, Phạm Thị Thì, Đoàn Thị Quỳnh Hương và

Dương Ngọc Kiều Thi (2016) đã thực hiện nghiên cứu về việc đánh giá và chọn lọc các dòng mía (Saccharum officinarum L.) có khả năng chịu mặn, được tái sinh từ mô sẹo đã được xử lý bằng ethyl methane sulphonate Nghiên cứu này được công bố trên Tạp chí Khoa học Trường Đại học Cần Thơ, số 43b, trang 82-88.

[2] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tập một), NXB Giáo

[3] Trịnh Chất, Lê Văn Uyển, Tính toán thiết kế hệ dẫn động cơ khí (tập hai), NXB Giáo

[4] Võ Lâm Chương, Giáo trình hệ thống truyền động Servo, Lưu hành nội bộ

[5] Nguyễn Thiện Phúc, Robot Công Nghiệp, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006

[6] Tự động hóa toàn cầu, Màn hình HMI Weinview TK6071IQ, link https://www.tudonghoatoancau.com/man-hinh-hmi-tk6071iq/, 8/2023

[7] Trung tâm cơ điện, Tính công suất và lựa chọn Aptomat, link https://www.trungtamcodien.net/tinh-cong-suat-va-lua-chon-aptomat.html, 5/2022

[8] Nguyễn Văn Hòa, Lựa chọn động cơ servo trong thiết kế máy, link https://www.xtmechanicalblog.com/post/37/lua-chon-dong-co-servo-trong-thiet-ke- may.html, 1/2022

[9] Đại học Đà Nẵng, Tính toán lựa chọn động cơ cho băng tải, 9/9/2022, link http://tainguyenso.dut.udn.vn/bitstream/DUT/4449/1/STEM.BG.015.pdf, 7/2024

[10] Wanshin, Tài liệu tham khảo về thông số động cơ của hãng Wanshin, http://www.wanshsin.com.cn/static/upload/yangce/weixing.pdf, 7/2024

[11] Mitsubishi, Tài liệu tham khảo về thông số động cơ Servo của hãng Mitsubishi, link https://drive.google.com/file/d/1dm5a7nQ0MvFVEeqK923q5Mi6CtiYzwfg/view,

[12] Mitsubishi, Tài liệu tham khảo về các dòng PLC FX5U của hãng Mitsubishi, link https://www.mitsubishifa.co.th/files/dl/jy997d55301u.pdf, 7/2024

[13] Omron, Tài liệu tham khảo về encoder E6B2-C của hãng Omron, link https://www.omron-pro.ru/doc/sensor/encoder/e6b2.PDF, 7/2024

[14] Hshop, Cảm biến hồng ngoại OMDHON E3F-DS30C4, link https://hshop.vn/products/cam-bien-vat-can-hong-ngoai-e3f-ds30c4-4, 7/2024

[15] Linh kiện Việt, Cảm biến tiệm cận LJ18A3-8-Z/BX NPN NO - A2H25, link https://linhkienvietnam.vn/cam-bien-tiem-can-npn-lj18a3-8-z-bx-npn-cam-bien-tiem-can- che18-8na-a710-g2h15, 7/2024

[16] Khí nén Thuận Hưng, Van điện từ khí nén AIRTAC 4V110-06, link https://khinenthuanhung.vn/van-dien-tu-khi-nen-airtac-4v110-06-van-khi-nen-5-2/, 7/2024

[17] Mitsubishi, Thiết bị bảo vệ và đóng cắt MCB A9K27206, link https://www.se.com/vn/en/product/A9K27206/miniature-circuit-breaker-ik60n-2p-6a-c- curve/

[18] Omron, Tài liệu tham khảo về bộ nguồn 24VDC, link https://www.omron.com.vn/products/family/1616/lineup.html

Ngân Anh Phát cung cấp hướng dẫn chi tiết về cách tính toán và lựa chọn xy lanh khí nén phù hợp Bài viết nêu rõ ứng dụng của xy lanh khí nén trong nhiều lĩnh vực khác nhau Để đảm bảo hiệu quả sử dụng, việc chọn đúng loại xy lanh dựa trên các yếu tố như áp suất, kích thước và môi trường làm việc là rất quan trọng Thông tin chi tiết có thể được tìm thấy tại [ngananhphat.com](https://www.ngananhphat.com/vn/ung-dung-cua-xy-lanh-khi-nen-cach-tinh-va-lua-chon-xy-lanh-khi-nen-phu-hop.html).

Tài liệu tham khảo Tiếng Anh:

[20] Benjamin Niku, Introduction to Robotics : Analysis, Control, Applications, 2nd Edition, Pearson Education, United States of America, August 2010

[21] Shleadworld, Automatic Vacuum Packaging Machine for Sugar Cane, Meat, Sausage,

Discover a wide range of products including fruits, vegetables, corn, snacks, and marinades with our advanced automatic vacuum packaging machine This innovative equipment is designed for efficient packaging of sugar cane, meat, sausage, and various food items, ensuring freshness and quality Explore more about our offerings and enhance your packaging solutions by visiting our website.

Tiêu đề	Nghiên Cứu, Thiết Kế, Chế Tạo Máy Đóng Gói Mía
Tác giả	Tạ Thanh Phát, Nguyễn Cẩm Như
Người hướng dẫn	TS. Trần Vi Đô
Trường học	Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
Thể loại	Đồ Án Tốt Nghiệp
Năm xuất bản	2024
Thành phố	Tp. Hồ Chí Minh

Định dạng
Số trang	88
Dung lượng	5,82 MB