Công suất trên chính:
Ptrục = P. = 70.0,95 = 66,5 (W)
Momen xoắn trên trục chính: T = 9,55.106 =9,55.106 = 1270 (N.mm) Đƣờng kính sơ bộ của trục: d √ Với [ ] = 20 (Mpa) Suy ra:
20 d √
6,8 (mm)
Vậy ta chọn đƣờng kính sơ bộ của trục chính là: dsb = 20 (mm)
Đƣờng kính trục: Momen trên trục chính là: T1 = 1270 (N.mm) Lực vòng: FT1 = Với dm = 80 (mm) Suy ra: FT1 = = 31,75 (N) Lực dọc trục: Fa1 = FT1.tg = 31,75.tg20 = 11,56 (N) Lực hƣớng kính: Fr1 = = = 11,56 (N) Momen tác động lên trục: Ma1 = = = 462,4 (N.mm) Tổng chiều dài của trục chính là: A= 300 (mm) Giả sử các lực phân bố trên trục chính nhƣ hình vẽ:
21 Hình 3.10: Biểu đồ lực tác động lên trục chính ∑ = 0RA + RB – Fr = 0 RAy + RBy = 11,56 ∑ = 0100.RBy– 215.Fr + M = 0 RBy = 20,23 (N)
RAy = – 8,67 (N) ( RAy ngƣợc chiều với chiều giả sử)
∑ = 0RAx + RBx– FT = 0
RAx + RBx = 31,75
∑ = 0100.RBx– 215.Ft = 0
RBx = 68,263 (N)
RAx = – 36,513 (N) ( RAx ngƣợc chiều đã chọn) Momen uốn tại tiết diện nguy hiểm:
Mx = 867,2 (N.mm) My = 3651 (N.mm)
22 d √ √ (Mz = 0) √ Suy ra: d √ = 8,4 (mm) Vậy chọn đƣờng kính trục là 20 mm. 3.7 Thiết kế đồ gá động cơ
Dựa vào hình dáng và kích thƣớc phần trên động cơ, nhóm đã đƣa ra phƣớng án dùng tấm thép dày 5 mm để làm đồ gá động cơ.
23 Hình 3.12 : Đồ gá động cơ
Tại tâm của đồ gá có khoét một lỗ tròn lớn có đƣờng kính 26 mm.
Hình 3.13: Vị trí gắn động cơ trên đồ gá Lỗ để gắn bu lông đai ốc cố định gá động cơ vào khung máy:
Hình 3.14: Lỗ gắn bu lông - đai ốc cố định vào thân máy
3.8 Thiết kế khung máy
Khung máy có chức năng nâng đỡ toàn bộ khối lƣợng của máy và gá cố định các bộ phận tƣơng đối với nhau. Khung đƣợc hàn từ các thanh thép hộp lại với nhau.
24 Phần chịu lực chính của khung đƣợc hàn bằng các thanh thép ống vuông có kích thƣớc 40 mm. Đây là phần chính chịu toàn bộ khối lƣợng của máy, cũng nhƣ các lực khi máy hoạt động. Phần giữa khung đƣợc hàn thêm hai thanh thép với mục đích để tăng tính bền vững của khung. Kích thƣớc tổng thể của khung là 300x300x300 mm.
Hình 3.15 : Thiết kế khung chịu lực chính
3.8.2 Thiết kế phần lắp gối đỡ vòng bi trên khung máy
Dựa vào hình dạng và kích thƣớc của gối đỡ vòng bi, nhóm đã đƣa ra phƣơng án thiết kế phần khung gắngối đỡ vòng bi là sử dụng hai thanh thép ống chữ nhật hàn song với nhau tạo một mặt phẳng để định vịgối đỡ vòng bi.
Trên thanh ống chữ nhật có khoan lỗ đƣờng kính 12 mm đề bắt bu lông đai ốc cố định gối đỡ vòng bi cố định vào khung máy.
25 Hình 3.16 Vị trí gắn gối đỡ vòng bi trên thân máy
3.8.3 Thiết kế phần gắn động cơ trên khung máy
Tƣơng tƣ nhƣ phƣơng án gắn gối đỡ vòng bi, nhóm cũng thiết kế phần khung để gắn động cơ bằng hai thanh thép chữ nhật song song.
Hình 3.17: Vị trí gắn động cơ trên thân máy
3.9 Thiết kế đế cao su giảm rung
Để giảm rung động trong quá trình máy chạy, máy cần có bộ phận chống rung hợp lí. Để đơn giản trong quá trình chế tạo và giảm chi chí chế tạo, nhóm đã chọn cao su đàn hồi để làm bộ phận giảm rung cho máy.
26
Phần trên dạng hình hộp chữ nhật có kích thƣớc 40x40x30. Phần này đƣợc gắn chặt vào chân đế khung máy và đƣợc cố định bằng ốc vít.
Phần dƣới dạng khối trụ có đƣờng kính 60 mm. Chức năng của phần này là giảm rung động do máy tạo ra.
Hình 3.18: Đế giảm rung bằng cao su
3.10 Mô hình thiết kế.
Sau khi thiết kế song, nhóm tiến hành lắp ráp thành mô hình nhƣ dƣới:
27
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ MẠCH ĐIỆN VÀ THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN
4.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển
Nguyên lý hoạt động của máy vắt ly tâm: Ban đầu ngƣời sử dụng mở nguồn để máy hoạt động. Sau đó, chọn chế độ hoạt động tự động hoặc bằng tay. Với chế độ tự động, tùy vào yêu cầu ráo nƣớc của thực phẩm mà ngƣời sử dụng chọn các chế độ và thời gian vắt phù hợp. Còn ở chế độ bằng tay, ngƣời sử dụng có thể chỉnh tốc độ phù hợp với yêu cầu ráo nƣớc thực phẩm và thời gian vắt hợp lý.
Dựa vào nguyên lý hoạt động trên, nhóm đã xác định chức năng của hệ thống điều khiển điện của máy: nhận sự điều khiển từ ngƣời sử dụng thông qua các thiết bị nút nhấn, công tắc. Từ các tín hiệu đầu vào bộ điều khiển chính của hệ thống tiến hành xử lí, tính toán và xuất tín hiệu điều khiển tốc độ động cơ và thiết bị hiển thị.
Từ các chức năng trên, nhóm đã xác định và lập sơ khối của mạch điện điều khiển nhƣ sau:
Hình 4.1 : Sơ đồ khối mạch điện điều khiển
4.2 Bộ điều khiển
Chức năng của bộ điểu khiển: đọc tín hiệu vào gồm tín hiệu nút nhấn, tín hiệu analog từ biến trở và tín hiệu xung từ encoder của động cơ. Sau đó bộ điều khiển xử lý tín hiệu vào, tính toán theo chƣơng trình và xuất tín hiệu điều khiển vận tốc và chiều động cơ ra mạch công suất; tín hiệu điều khiển mạch hiển thị.
28
Hình 4.2: Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển
Căn cứ vào chức năng của bộ điều khiển, nhóm đã chọn mạch vi điều khiển ARM STM32F407VG để làm mạch điều khiển chính của hệ thống.
4.3 Mạch nút nhấn
Để đơn giản trong quá trình vận hành máy, nhóm lựa chọn các thiết bị: nút nhấn cơ thƣờng hở, công tắc gạt cho các chức năng chọn chế độ vắt, thời gian vắt, bắt đầu chạy chƣơng trình. Ngoài ra, công tắt gạt dùng để chọn chế độ tự động hay bằng tay và tắt mở nguồn. Để dùng biến trở để làm núm chỉnh tốc độ bằng tay.
Vì các nút nhấn đƣợc đặt ở xa mạch điện nên nhóm đã sử dụng IC 74HC245 để đệm dòng tín hiệu đƣa vào vi điều khiển. Nguồn cấp cho mạch nút nhấn là 3.3V lấy từ mạch vi điều khiển. led_auto Start +3V led_m2 J4 Out 5V 1 2 le d_ t2 led_t3 +5V Mode STM32F407VG DISCOVERY U1 GND VDD GND PC1 PC3 PA1 PA3 PA5 PA7 PC5 PB1 GND PE7 PE9 PE11 PE13 PE15 PB11 PB13 PB15 PD9 PD11 PD13 PD15 GND G N D NC PD 14 PD 12 PD 10 PD 8
PB14 PB12 PB10 PE14 PE12 PE10 PE8 PB2 PB0 PC
4
PA6 PA4 PA2 PA0 PC
2 PC 0 N R ST VD D G N D GND PC6 PC8 PA8 PA10 PA14 PC10 PC12 PD1 PD3 PD5 PD7 PB4 PB6 BOOT0 PB8 PE0 PE2 PE4 PE6 PC14 PH0 3V 5V GND G N D 5V 3V PH 1 PC 15 PC 13
PE5 PE3 PE1 PB9 VD
D PB7 PB5 PB3 PD 6 PD 4 PD 2 PD 0 PC 11
PA15 PA13 PA9 PC
9 PC 7 G N D Time Auto A+ ADC buzz J5 Out 3 V 1 2 led_t3 Time led_t1 PWM led_t1 le d_ m 3 J7 CON3 1 2 3 AD C led_m2 J2 Button 1 2 3 4 5 VCC led_auto +3V buzz J6 led_buzz 1 2 3 4 5 6 7 8 +5V VCC J1 Encoder 1 2 B+ led_m3 led_m1 M od e led_t2 J3 Supply 1 2 PWM le d_ m 1 Auto B+ St ar t A+
29
Hình 4.3: Sơ đồ nguyên lí mạch nút nhấn
4.4 Mạch hiển thị
Mạch hiển thị có chức năng hiển thị các chế độ khi ngƣời sử dụng chọn. Mạch gồm các đèn led màu đỏ có chức năng hiện thị các chế độ vắt; thời gian vắt và chế độ tự động hay bằng tay. Trên mạch còn có một buzzer với mục đích phát ra tiếng kêu khi nút đƣợc nhấn hay khi bắt đầu và kết thúc chƣơng trình.
Hình 4.4 : Sơ đồ nguyên lí mạch hiển thị
30 Động cơ sử dụng trong đề tài là động cơ một chiều có dòng điện tiêu thụ tối đa là 3A và điện áp 24V. Do đó nhóm đã tính toán và chọn mạch công suấtH Bridge MC33883 để điều khiển động cơ.
Hình 4.5: Mạch cầu H Bridge MC33883
Đặc tính kỹ thuật:
- Phần công suất sử dụng 4 MOFETs công suất IRF3205 có thông so61VDSS = 55V, RDS(on) =8.0 mΩ, ID =110A.
- Điện áp cấp ngõ vào từ +12 V đến +40 VDC.
- Sử dụng opto xung 6N137 và IC lái MC33883 nên tần số PWM có thể đáp ứng 100 KHz.
- Ngõ vào opto cách ly PWM+,PWM-,DIR+,DIR-.
- Sử dụng IC kích fet chuyên dụng MC33883 của Freescale nên độ rộng xung PWM đạt 100%, ƣu điểm hơn so với các IC kích fet khác.
- Có led báo nguồn, led báo đảo chiều động cơ và PWM.
- Board có 2 nút nhấn DIR và PWM thích hợp cho việc test board bằng tay. - Dòng ra 10A.
4.6 Mạch ổn áp 5V
Mạch có chức năng luôn xuất ổn định điện áp 5V cung cáp cho mạch vi điều khiển hoạt động. Mạch sử dụng IC ổn áp LM2596S. Điện áp ra có thể điều chỉnh bằng biến trở. IC LM2596S là IC nguồn xung có chu kì đóng/ngắt lên đến 125 KHz cho hiệu suất làm việc cao.
31
Hình 4.6: Mạch ổn áp LM2596S
Thông số kỹ thuật của mạch: - Dòng ra tối đa 3A.
- Điện áp đầu vào dao động từ 3V đến 40V. - Điện áp đầu ra từ 1.23V đến 37V.
4.7 Mạch nguồn 24V
Mạch cung cấp điện áp 24 V cho mạch công suất và mạch ổn áp 5V.
Hình 4.7: Mạch nguồn 24V
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp đầu vào : 220 V/50 Hz. - Điện áp đầu ra: 24 VDC.
- Dòng điện đầu ra :5A.
4.8 Thiết kế panel điều khiển
Panel đƣợc gắn từ các miếng mica 5 mm. Các đèn led, nút nhấn đƣợc bố trí hợp lý giúp cho việc sử dụng máy dễ dàng hơn. Các nút nhấn, công tắc đƣợc cố định bằng đai ốc.
32
Hình 4.8: Thiết kế panel điều khiển
1. Nút nhấn chọn chế độ vắt. 2. Nút nhấn chọn thời gian vắt 3. Núm chỉnh tốc độ vắt bằng tay. 4. Nút nhấn chạy chƣơng trình vắt.
4.9 Thuật toán điều khiển
4.9.1 Thuật toán điều khiển chính
1
2
3
33 Hình 4.9 : Thuật toán điều khiển chính
34 Hình 4.10: Thuật toán xác định chế độ vắt và hiển thị
35 Hình 4.11: Thuật toán xác định thời gian vắt và hiển thị
36 Hình 4.12: Thuật toán chƣơng trình vắt tự động
37
CHƢƠNG 5: KẾT QUẢ VÀ THỰC NGHIỆM.
5.1 Kết quả.
Hình 5.1: Lồng vắt sau khi gia công
38 Hình 5.3: Khung máy sau khi gia công
39 Hình 5.5 :Thùng che sau khi gia công
40 Hình 5.7: Máy vắt ly tâm sau khi hoàn thành
Bảng 5.1 : Thông số kỹ thuật của máy
STT Thông số kỹ thuật
1 Công suất 2 Kg/mẻ
2 Tốc độ lồng vắt 500 vòng/phút 3 Kích thƣớc lồng vắt 400 x 200 mm
4 Công suất động cơ 70 W
5 Kích thƣớc máy 450x450x550 mm 6 Vật liệu lồng vắt Inox 304
7 Nguồn điện 220V /50 Hz
5.2 Thực nghiệm
Sau khi hoàn thành chế tạo máy vắt ly tâm, nhóm tiến hành thực nghiệm để kiểm tra và đánh giá tính ổn định của máy và kết quả của thực phẩm sau khí vắt nƣớc. Nhóm đã tiến hành thử nghiệm trên 4 loại rau: rau muống, rau cải bẹ dún, rau bắp cải, rau xà lách.
41 Hình 5.8: Thực nghiệm với cải bẹ dún
Chạy ở chế độ tự động:
Quy trình vận hành máy ở chế độ tự động:
- Bắt đầu, ta gạt công tắc để mở nguồn điện cung cấp cho máy hoạt động. Sau đó gạt công tắc để chọn chế độ vắt tự động.
- Bƣớc tiếp theo ta sẽ chọn chế độ vắt. Có 3 chế độ vắt: vắt nhẹ, vắt khô và vắt kiệt.
Ở chế độ vắt nhẹ lồng vắt quay với tốc độ 250 vòng/phút. Chế độ này phù hợp với yêu cầu chỉ làm ráo nƣớc nhẹ ngoài bề mặt của thực phẩm.
Ở chế độ vắt khô lồng vắt quay với tốc độ 350 vòng/phút.
Ở chế độ vắt khô lồng vắt quay với tốc độ 480 vòng/phút.
42
Với thời gian 3 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 1,2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 30 giây, rồi quay nghịch trong 1,2 phút.
Với thời gian 5 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1 phút, rồi quay nghịch trong 2 phút.
Với thời gian 7 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2,8 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1,4 phút, rồi quay nghịch trong 2,8 phút.
- Sau khi chọn song chế độ vắt và thời gian vắt, ta nhấn nút Start để máy bắt đầu chạy.
Kết quả sau khi thực nghiệm:
Bảng 5.2: Thực nghiệm với chế độ tự động
Rau Chế độ vắt Nhận Xét
Rau muống sợi
Vắt nhẹ Ráo nƣớc, tuy nhiên do tốc độ chậm nên phần rau bên ngoài vẫn còn chƣa ráo hết Vắt khô Độ ráo nƣớc tốt, để ráo hơn nữa cần tăng thời gian vắt. Vắt kiệt Rau ráo nƣớc tuy nhiên phần ít rau bị rối.
Xà lách
Vắt nhẹ Độ ráo đạt yêu cầu, lá và thân không bị dập hƣ. Vắt khô Không bị dập, ráo nƣớc nhiều.
Vắt kiệt Lá bị dập, thân rau
Bắp cải
Vắt nhẹ Ráo nƣớc chƣa đạt yêu cầu. Vắt khô Ráo nƣớc tƣơng đối.
Vắt kiệt Ráo nƣớc đạt yêu cầu, không dập.
Cải bẹ dún
Vắt nhẹ Rau ráo nƣớc, phần rau bên ngoài vẫn còn chƣa ráo Vắt khô Rau ráo nƣớc tốt tuy nhiên phần lá rau bị dập ít. Vắt kiệt Lá rau bị dập .
43 Hình 5.9: Rau muống cắt sơi sau khi vắt nƣớc
Nhận xét:
- Khi vừa bắt đầu chạy máy hiện tƣợng do rau chƣa phân bố đều. Khi đạt đƣợc tốt độ đặt máy mới chạy ổn định.
- Sau các kết quả trên nhóm nhận thấy:
Chế độ vắt nhẹ phù hợp với các loại rau nhiều lá, thân mềm dễ bị dập nát. Nếu độ ráo nƣớc chƣa đạt yêu cầu ta có thể tăng thời gian vắt lên.
Chế độ vắt khô phù hợp với các loại thực phẩm nhƣ: bún, cải cắt sợi, đủ đủ cái sợi. Các loại thực phẩm này có đặc điểm là dai và dạng sợi.
Chế độ vắt kiệt phù hợp cho các loại cũ cắt sợi với yêu cầu vắt khô nƣớc bền trong và bên ngoài.
Kết luận: Qua quá trình thực nghiệm nhận thấy máy đã đáp ứng yêu cầu vắt nƣớc cho thực phẩm với các chế độ vắt khác nhau. Bên cạnh đó cũng có nhiều hạn chế: máy rung do cơ khí chƣa tốt.
Chạy ở chế độ bằng tay:
Quy trình vận hành máy ở chế độ bằng tay:
- Bắt đầu, ta gạt công tắc để mở nguồn điện cung cấp cho máy hoạt động. Sau đó gạt công tắc để chọn chế độ tự động.
44 - Tiếp theo ta sẽ chọn thời gian vắt. Có 3 cấp thời gian với 3, 5 và 7 phút.
Với thời gian 3 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 1,2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 30 giây, rồi quay nghịch trong 1,2 phút.
Với thời gian 5 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1 phút, rồi quay nghịch trong 2 phút.
Với thời gian 7 phút lồng vắt sẽ quay thuận trong 2,8 phút rồi đảo nhẹ 2 lần trong 1,4 phút, rồi quay nghịch trong 2,8 phút.
- Sau khi chọn song chế độ vắt và thời gian vắt, ta nhấn nút Start để máy bắt đầu