Sơ lược nội dung của đề tài bao gồm: Thiết kế chế tạo phần cơ thiết bị cấp nắp chai tự động. Tính toán chọn động cơ cho thiết bị Tính toán bộ truyền động cho thiết bị. Thiết kế mạch điều khiển cho thiết bị cấp nắp tự động. Thiết kế mạch hiển thị số lượng trên Led 7 đoạn. Viết chương trình điều khiển hoạt động của thiết bị cho vi điều khiển. Sau quá trình chế tạo và lắp đặt, thiết bị có thế cung cấp nắp chai cho quy trình đóng nắp và kiểm soát được số lượng nắp chai đã cung cấp.
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHĨA LUẬN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ, CHẾ TẠO THIẾT BỊ CẤP NẮP CHAI TỰ ĐỘNG Sinh viên thực : ĐẶNG HOÀNG NHIÊN PHẠM VĂN TỒN Ngành : CƠ ĐIỆN TỬ Niên khóa : 2012 – 2016 Tháng 06/2016 THIẾT KẾ, CHẾ TẠO, KHẢO NGHIỆM THIẾT BỊ CẤP NẮP CHAI TỰ ĐỘNG TÁC GIẢ PHẠM VĂN TỒN ĐẶNG HỒNG NHIÊN Khóa luận tốt nghiệp đệ trình đáp ứng yêu cầu cấp Kỹ sư ngành Cơ Điện Tử Giáo viên hướng dẫn: ThS NGUYỄN ĐĂNG KHOA Tháng năm 2016 LỜI CẢM ƠN Trong trình học tập thời gian thực đề tài, chùng em nhận nhiều giúp đỡ người thân, quý thầy cô trường Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện thuận lợi cho chúng em suốt q trình học tập hồn thành luận văn Xin chân thành cảm ơn ban chủ nhiệm khoa Cơ Khí – Cơng Nghệ Trường Đại Học Nơng Lâm TP.HCM tồn thể q thầy khoa truyền đạt kiến thức quý báu suốt bốn năm học trường Xin chân thành bày tỏ lòng biết ơn đến thầy Nguyễn Đăng Khoa, người trực tiếp tận tình hướng dẫn chúng em suốt trình thực đề tài Chân thành cảm ơn đến quý bạn bè giúp đỡ suốt thời gian thực đề tài Tháng Năm 2016 Sinh Viên thực PHẠM VĂN TOÀN ĐẶNG HỒNG NHIÊN TĨM TẮT Hiện nước ta, chai nhựa sử dụng phổ biến để chứa nước giải khát tiện dụng Vì nhu cầu sử dụng chai nhựa ngày tăng, người khơng nên lãng phí thời gian cho việc chiếc, rót, vặn nắp chai cách thủ cơng mà máy móc làm tốt họ Song đó, thiết bị để cung cấp nắp chai cho dây chuyền chiếm phần quan trọng không nên nhu cầu cầu có thiết bị vừa cấp nắp chai cho dây chuyền đóng nắp mà vừa kiểm sốt số lượng cấp Vì lý nhóm em tiến hành thực đề tài “ Thiết kế chế tạo thiết bị cấp nắp chai tự động ” Sơ lược nội dung đề tài bao gồm: Thiết kế chế tạo phần thiết bị cấp nắp chai tự động Tính tốn chọn động cho thiết bị Tính tốn truyền động cho thiết bị Thiết kế mạch điều khiển cho thiết bị cấp nắp tự động Thiết kế mạch hiển thị số lượng Led đoạn Viết chương trình điều khiển hoạt động thiết bị cho vi điều khiển Sau trình chế tạo lắp đặt, thiết bị cung cấp nắp chai cho quy trình đóng nắp kiểm soát số lượng nắp chai cung cấp MỤC LỤC MỤC LỤC CÁC BẢNG Bảng 2.1: Bảng liệt kê chức chân L298 16 Bảng 4.1: Bảng khảo nghiệm góc nghiêng phễu cụm cấu lấy nắp 26 Bảng 4.2: Bảng khảo nghiệm thời gian cần để cấp 20 nắp chai 53 Bảng 4.3: Bảng khảo nghiệm số nắp chai cấp phút 53 MỤC LỤC CÁC HÌNH Hình 2.1: Máy rót, cấp, đóng nắp chai tự động Hình 2.2: Dây chuyền rót đóng nắp chai trà xanh Hình 2.3: Mạch vi điều khiển Arduino Hình 2.4: Mạch cảm biến dạng thu phát hồng ngoại .7 Hình 2.5: Sơ đồ chân IC ghi dịch 74HC595 Hình 2.6: Cấu tạo led đoạn 10 Hình 2.7: Mạch hiển thị sử dụng led đoạn 11 Hình 2.8: Mạch sơ đồ nguyên lý mạch hiển thị sử dụn Led đoạn 12 Hình 2.9: Động DC 13 Hình 2.10: Cấu tạo động DC 13 Hình 2.11: Nguyên tắc hoạt động dộng DC 14 Hình 2.12: Module L298N 15 Hình 2.13: Sơ đồ mạch nguyên lý module L298N 15 Hình 2.14: Động RC Servo MG90S .17 Hình 2.15: Thời gian xung mức cao quy định góc quay động RC Servo.18 Hình 2.16: Cấu tạo Transistor 19 Hình 2.17: Biến áp Cấu tạo biến áp 20 Hình 4.1: Sơ đồ cấu tạo máy cấp nắp chai tự động 23 Hình 4.2: Cụm cấu cấp nắp tự động 25 Hình 4.3: Biên dạng phễu chứa 26 Hình 4.4: Hình khai triển dạng thân phễu .27 Hình 4.5: Biên dạng khớp nối 28 Hình 4.6: Biên dạng thông số kỹ thuật đĩa lấy nắp 29 Hình 4.7: Bộ truyền xích .32 Hình 4.8: Bộ phận hứng nắp dẫn nắp 33 Hình 4.9: Thơng số hình học biên dạng máng lọc 34 Hình 4.10: Thơng số hình học biên dạng máng hứng .34 Hình 4.11: Đường dẫn nắp 35 Hình 4.12: Cơ cấu tiếp nắp chai 36 Hình 4.13: Chai lấy nắp khỏi máng tiếp nắp 36 Hình 4.14: Ảnh mơ hình thiết kế 3D thiết bị cấp nắp chai tự động 37 Hình 4.15: Mạch nguyên lý điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động 38 Hình 4.16: Mạch nguyên lý nguồn 12 V sử dụng IC LM7812 39 Hình 4.17: Mạch nguyên lý nguồn 5V 39 Hình 4.18: Mạch nguyên lý nút nhấn 40 Hình 4.19: Mạch cảm biến dạng thu phát hồng ngoại 41 Hình 4.20: Mạch nguyên lý điều khiển led đoạn .42 Hình 4.21: Sơ đồ mạch nguyên lý mạch công suất điều khiển động DC 43 Hình 4.22: Sơ đồ khối hệ thống thiết bị điều khiển máy cấp nắp chai tự động 44 Hình 4.23: Sơ đồ điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động 45 Hình 4.24: Giải thuật điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động 46 Hình 4.25: Giải thuật điều khiển cảm biến đếm dạng hồng ngoại .48 Hình 4.26: Giải thuật điều khiển led đoạn .50 Hình 4.27: Giải thuật điều khiển động quay đĩa lấy nắp 51 Hình 4.28: Giải thuật điều khiển động RC Servo 52 Hình 4.29: Mạch điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động sau lắp ráp .55 Hình 4.30: Thiết bị cấp nắp chai tự động sau chế tạo lắp đặt 56 Chương MỞ ĐẦU 1.1 Đặt vấn đề Ngày nay, với phát triển mạnh mẽ của kinh tế, nhà máy xí ngiệp đầu tư phát triển đổi công nghệ Các dây chuyền sản xuất đại đem lại lợi ích là: suất cao, sản phẩm đồng bộ, dây chuyền chế biến đồng hoạt động nhịp nhàng, giải phóng lao động chân tay, vệ sinh cho thực phẩm, ứng dụng rộng rãi công ngiệp đại 1.2 Mục tiêu đề tài Công nghệ tự động hóa trở thành ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, đáp ứng đòi hỏi không ngừng ngành khác công nghiệp, xây dựng, y tế, kể nông lâm nghiệp ngày ứng dụng nhiều đời sống thực tế hàng ngày Trong công nghiệp, nhà máy sản xuất nước uống đóng chai, rượu, thực phẩm, dây chuyền cung cấp đóng nắp chai khâu thiếu quan trọng Xuất phát từ nhu cầu thực tế nhóm thiết kế, chế tạo “ thiết bị cung cấp nắp chai tự động” thiết bị cần đáp ứng thiết kế sau: Thiết kế chế tạo, khảo ngiệm mơ hình thiết bị cung cấp nắp chai tự động Thiết kế mạch điều khiển tự động cho thiết bị vận hành tự động 1.3 Nội dung đề tài Thiết kế phần khí: Bộ phận chứa nắp phễu chứa Bộ phận cấp nắp đĩa quay có cắt rãnh định hình Bộ phận lật nắp máng lọc có cắt rãnh định hình Bộ phận dẫn nắp thép uốn theo biên dạng đường dẫn 10 4.4 Sơ đồ điều khiển thiết bị máy cấp nắp chai tự động 4.4.1 Sơ đồ khồi điều khiển thiết bị máy cấp nắp chai tự động HIỂN THỊ (Module LED đoạn) CẢM BIẾN Thu phát hồng ngoại Nút nhấn Mạch điều khiển Mạch công suất CƠ CẤU CHẤP HÀNH Động DC Động RC Servo Hình4.22: Sơ đồ khối hệ thống thiết bị điều khiển máy cấp nắp chai tự động Sơ đồ khối mạch điều khiển máy cấp nắp chai tự động thể Hình 4.22 Khối ngn cấp nguồn 5V cho vi điều khiển, từ vi điều khiển có nguồn ổn định để cấp cho thiết bị nút nhấn, Led hồng ngoại, Led đơn, Led đoạn mạch điều khiển động Nguồn 12V cấp nguồn cho động hoạt động Ngoài ra, mạch điều khiển nhận tín hiệu vào từ thiết bị mạch thu phát hồng ngoại nút nhấn dựa vào tín hiệu qua hệ thống điều khiển mạch điều khiển xuất tín hiệu để điều khiển thiết bị mạch điều khiển động cơ, Led đơn, Led đoạn 53 4.4.2 Sơ đồ điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động Mạch hiển thị Led đơn Led đoạn Mạch điền khiển Arduino Cơ cấu chấp hành Động DC Động RC Servo Cảm biến Led Hồng ngoại Nút nhấn Hình 4.23: Sơ đồ điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động Sơ đồ điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động thể Hình 4.23 Sau nhận tín hiệu từ phận cảm biến nút nhấn Vi điều khiển dựa vào tín hiệu để điều khiển cấu chấp hành kích mạch điều khiển động để chạy động DC xuất xung PWM để động RC Servo hoạt động Sau Mạch kích cho Led báo động sáng hiển thị số nắp đếm led đoạn 54 4.5 Giải thuật điều khiển máy cấp nắp chai tự động Bắt đầu Nhập số nắp N Nút Start = 1? Xuất số nắp Led hiển thị Mở chặn nắp Chạy động Bật Led báo động N > 0? Cảm biến = 1? Cảm biến = ? Số nắp N = số nắp N + Xuất số nắp Led hiển thị N=N-1 Xuất số nắp N Led hiển thị Nút dừng = 1? N = 0? Dừng động Tắt led báo động Đóng chặn nắp Kết thúc 55 Hình 4.24 Giải thuật điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động Giải thuật điều khiển hệ thống máy cấp nắp chai tự động thể Hình 4.24 Sau cấp nguồn, ta nhập số nắp chai cho máy nút nhấn nút tăng nút giảm Tiếp theo, ta ấn nút Start, lúc này, mạch điều khiển cấp xung cho động RC Servo quay góc o mở chắn đường dẫn nắp để nắp chai chạy qua Khi máy bắt đầu hoạt động, dựa vào số nắp đặt ban đầu, máy hoạt động sau Khi số nắp đặt ban đầu 0, máy hoạt động theo chế độ đếm Vi điều khiển kích mạch điều khiển động L298N làm động động quay Nhờ vào hoạt động động quay đĩa cấp nắp nên nắp chai đưa qua đường dãn đến nơi tiếp nắp cho chai Do nắp chai có nhiều loại nhiều kích cở nên ta phải điều chỉnh tốc độ dộng cho phù hợp với loại nắp Để linh động việc điều chỉnh tốc độ ta cho vi điều khiển xuất xung PWM để điều khiển động quay với tốc độ phù hợp Số lượng nắp chai đếm cảm biến thu phát hồng ngoại Khi đếm nắp số lượng cài đặt ban đầu Led hiển thị tăng lên đơn vị Khi số nắp đặt ban đầu lớn 0, máy hoạt động theo đếm số nắp đặt trước Về hoạt động động tương tự chế độ đếm Lúc cảm biến đếm nắp, số lượng nắp chai Led hiển thị giảm đơn vị Khi số nắp Led hiển thị 0, Vi điều khiển xuất tín hiệu cho dừng động DC cấp xung cho động RC Servo quay góc 90 o đóng chặn nắp Trên bảng điều khiển có bố trí nút nhấn Stop Khi ta nhấn nút Stop này, vi điều khiển kích mạch điều khiển động cho dừng Động DC cấp xung cho động Servo quay góc 90o đóng chặn nắp 56 4.5.1 Giải thuật điều khiển cảm biến đếm nắp chai Bắt đầu Nhập số nắp N Nút Start = 1? N>0? Cảm biến = 1? Cảm biến = 1? N=N+1 N=N-1 N = 0? Nút Stop = 1? N=0 Kết thúc Hình 4.25: Giải thuật điều khiển cảm biến đếm số nắp chai lấy 57 Giải thuật điều khiển cảm biến đếm dạng thu phát hồng ngoại thể hình 4.25 Khi máy bắt đầu hoạt động, ta nhấn nút tăng, giảm để điều chình số nắp sau ấn nút Start Lúc cảm biến bắt đầu hoạt động Nếu số nắp đặt ban đầu lớn 0, cảm biến có tín hiệu, cảm biến xuất tín hiệu vi điều khiển Sau đó, Vi điều khiển giảm số nắp đơn vị số nắp máy dừng hoạt động Nếu ban đầu số nắp ta đặt khơng lớn 0, có nghĩa ta không điều chỉnh số nắp ban đầu, sau ta ấn nút start cho máy bắt đầu hoạt động Lúc này, cảm biến có tín hiệu, cảm biến xuất tín hiệu vi điều khiển, sau đó, vi điều khiển tăng số nắp lên đơn vị Cho đến ta nhấn nút Stop, máy ngưng hoạt động, số nắp ban đầu trả giá trị 4.5.2 Giải thuật điều khiển Led đoạn Giải thuật điều khiển led đoạn phương pháp quét thể hình 4.26 Để điều khiển modul Led đoạn ta thực lệnh xuất nâng cao từ vi điều khiển đến modul Lệnh xuất bật tắt a,b,c,d,e,f,g,dp thứ tự sáng led từ hàng đơn vị đến hàng nghìn Để xuất giá trị từ vi điều khiển hiển thị tren hình led đoạn, việc ta tắt tất led để chống lem Tiếp tục, ta chia giá trị cần xuất thành số theo thứ tự số hàng nghìn, số hàng trăm, số hàng chục hàng đơn vị Sau ta bật led đơn vị, Led giá trị số hàng đơn vị Sau 4ms ta tắt led đơn vị mở led hàng chục, Led hàng chục thể giá trị số hàng chục Và tương tự led hàng trăm led hàng nghìn Bốn led liên tục tắt mở theo thứ tự từ hàng đơn vị đến hàng nghìn theo vòng lặp khoản thời gian ngắn.Vì thị giác bị đánh lừa thấy led luôn mở hiển thị giá trị bốn số lúc 58 Bắt đầu Tắt led đoạn Tắt led hang trăm Mở led hàng nghìn Xuất mã đoạn số hàng nghìn Mở led hàng đơn vị Xuất mã đoạn số hang đơn vị Duy trì ms Duy trì ms Tắt led hàng đơn vị Mở led hàng chục Xuất mã đoạn số hàng chục Kết thúc ? Duy trì ms Tắt led hàng chục Mở led hàng trăm Xuất mã đoạn số hàng trăm Kết thúc Duy trì ms Hình 4.26: Giải thuật điều khiển led đoạn 59 4.5.3 Giải thuật điều khiển động quay đĩa cấp nắp Bắt đầu Nhập số nắp N Nút Start = 1? Chạy động N>0? Nhận giá trị số nắp N sau đếm Nút Stop = 1? N = 0? Dừng động Kết thúc Hình 4.27: Giải thuật điều khiển động quay đĩa lấy nắp Giải thuật điều khiển động quay đĩa cấp nắp thể Hình 4.27 Khi máy bắt đầu hoạt động, ta nhấn nút tăng, giảm để điều chình số nắp Sau ấn nút start cho máy bắt đầu hoạt động Lúc này, vi điều khiển kích mạch điều khiển động L298 kích cho động quay Nếu số nắp đặt ban đầu lớn 0, lúc 60 cảm biến đếm ngược nên số nắp 0, Vi điều khiển kích mạch điều khiển động L298N cho dừng động Nếu số nắp không lớn Động quay ta ấn nút Stop, vi điều khiển kích mạch điều khiển động L298N cho dừng động 4.5.4 Giải thuật điều khiển động RC Servo Bắt đầu Nhập số nắp N Nút Start = 1? Quay RC Servo vị trí 0o (mở chặn) Nút Stop =1? N = 0? Quay RC Servo vị trí 90o (đóng chặn) Kết thúc Hình 4.28: Giải thuật điều khiển động RC Servo Khi ta nhập xong số nắp, sau ấn nút Start, vi điều khiển cấp xung điều khiển động RC Servo quay góc 0o làm mở chặn nên nắp đường dẫn nắp 61 nên nắp chai trược qua nơi đến máng tiếp nắp Cho đến đếm đủ số nắp đặt ban đầu ta ấn nút stop, lúc động DC dừng nắp trượt đường dẫn Vì thế, vi điều khiển kích cho động RC Servo quay làm đóng chặn để nắp chai khơng thể qua 4.6 Khảo nghiệm máy cấp nắp chai tự động Khảo nghiệm sơ thiết bị cấp nắp chai tự động để đánh giá khả làm việc thiết bị Địa điểm, xưởng Cơ Điện Tử CK6, khoa Cơ Khí Công Nghệ, trường Đại Học Nông Lâm thành phố Hồ Chí Minh Tiến hành khảo nghiệm máy thơng số máy bao gồm Khoảng thời gian mà máy cấp 20 nắp chai Số nắp chai mà máy cấp phút Khảo nghiệm thông số thứ Khoảng thời gian máy cấp 20 nắp chai: Bước 1: Đặt máy cho mặt đế máy tiếp xúc với mặt phẳng nằm ngang Bước 2: Cấp nguồn cho máy, hiệu chỉnh số nắp cần cấp 20 Bước 3: Sau hiệu chỉnh, ấn nút Start để tiến hành cho máy chạy, sau kiểm tra khoảng thời khoảng thời gian từ lúc máy bắt đầu chạy dừng máy Bảng 4.2: Khảo nghiệm khoảng thời gian máy đếm 20 nắp Số lần Lần Lần Lần Lần Lần Thời gian(s) 63 60 62 60 64 Dựa vào kết khảo nghiệm cho thây thời gian trung bình để máy cấp 20 nắp chai là: (63+60+62+60+64)/5 = 61.8 giây Khảo nghiệm thông số thứ Số nắp cấp phút: Bước 1: Đặt máy cho mặt đế máy tiếp xúc với mặt phẳng nằm ngang Bước 2: cấp nguồn cho máy, ấn nút Start để tiến hành chạy máy, thu sản phẩm kiểm tra số lượng sản phảm 62 Bảng 4.3: Khảo nghiệm số nắp máy đếm phút Số lần Lần Lần Lần Lần Lần Số nắp 21 22 19 20 20 Dựa vào kết khảo nghiệm cho thấy số nắp trung bình mà máy đếm phút là: (21 + 22 + 19 + 20 +20)/5 20 nắp Qua thông số cho thấy kết khảo nghiệm thông số tương đồng qua ta tính khoảng thời gian trung bình máy đếm nắp là: t = 61.8/20 = 3.09 giây 63 Hình 2.29 Mạch điều khiển thiết bị cấp nắp chai tự động lắp ráp 64 Hình 2.30 Thiết bị cấp nắp chai tự động sau chế tạo lắp đặt 65 Chương KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1 Kết luận Sau trình nghiên cứu, thiết kế chế tạo vận hành máy cấp nắp chai tự động, đề tài thực số kết quả: Hoàn tất việc thiết kế, chế tạo thử nghiệm phần khí máy cấp nắp chai tự động mạch điều khiển máy Thiết lập giải thuật điều khiển tự động cho máy Vận hành khảo nghiệm sơ máy cho thấy máy đếm 20 nắp/phút Thiết bị có khả vận hành theo thơng số cài đặt Kết cấu đơn giản, dễ chế tạo xưởng khí nước Sau khảo nghiệm máy, dựa vào thông số vừa khảo nghiệm cho thấy khoảng thời gian trung bình máy đếm nắp 3.09 giây 5.2 Kiến nghị Do hạn chế thời gian kinh phí nên thiết bị dừng lại mức độ mơ hình thiết bị cấp nắp chai tự động Vì nên mơ hình máy mang tính chất khảo nghiệm, vận hành, phương thức điều khiển đánh giá Vì vậy, cần chế tạo sản phẩm hồn chỉnh với quy mơ lớn sử dụng công nghệ chế tạo máy đạt hiệu suất làm việc Ngồi ra, phát triến máy theo hướng kết hợp với dây chuyền đóng nắp chai tự động đóng gói bao bì tự động để tạo thành dây chuyền hoàn chỉnh 66 TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Nguyễn Ngọc Cẩn, Kỹ thuật điều khiển tự động, Nhà xuất Đại học Quốc gia [2] GS.TS Nguyễn Trọng Hiệp Nguyễn Văn Lẫm, Thiết kế chi tiết máy, Nhà xuất Giáo dục 2003 [3] Phan Quốc Phơ, Giáo Trình Cảm Biến, Nhà xuất Khoa học Kỹ thuật, 2006 [4] Trần Hữu Quế, Vẽ kỹ thuật khí, Nhà xuất giáo dục 2002 [5] Vương Thành Tiên, Bài giảng nguyên lý máy, Đại Học Nông Lâm Thành Phố Hồ Chí Minh [6] Dương Minh Trí, Linh kiện điện tử, Nhà xuất Khoa học kỹ thuật 2004 Thành Phố Hồ Chí Minh Tiếng nước ngồi [7] Theo Michael Margolis (2011), Arduino Cookbook 67