A, Lựa chọn loại cảm biến
Mục 1.4 đã nêu lên một số phương pháp phân loại sản phẩm hiện nay. Với yêu cầu của đồ án là thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao thì nhóm cần lựa chọn loại cảm biến phù hợp. Loại cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) sẵn sàng đáp ứng yêu cầu như trên. Vậy ta sẽ đi tìm hiểu xem cảm biến hồng ngoại có tác dụng như thế nào.
Cảm biến hồng ngoại (IR Sensor) là một thiết bị điện tử đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh. Bức xạ hồng ngoại đã vô tình được phát hiện bởi một nhà thiên văn học tên là William Herchel vào năm 1800. Trong khi đo nhiệt độ của từng màu ánh sáng (cách nhau bởi một lăng kính), ông nhận thấy rằng nhiệt độ vượt ra ngoài ánh sáng đỏ là cao nhất. IR Sensor là vô hình đối với mắt người, vì bước sóng của nó dài hơn ánh sáng khả kiến (mặc dù nó vẫn nằm trên cùng một phổ điện từ). Bất cứ thứ gì phát ra nhiệt (mọi thứ có nhiệt độ trên năm độ Kelvin) đều phát ra bức xạ hồng ngoại.
Có hai loại cảm biến hồng ngoại: chủ động và thụ động. Cảm biến hồng ngoại hoạt động cả phát ra và phát hiện bức xạ hồng ngoại. Cảm biến hồng ngoại chủ động có hai phần: diode phát sáng (LED) và máy thu. Khi một vật thể đến gần cảm biến, ánh sáng hồng ngoại từ đèn LED sẽ phản xạ khỏi vật thể và được người nhận phát hiện. Cảm biến hồng ngoại hoạt động đóng vai trò là cảm biến tiệm cận và chúng thường được sử dụng trong các hệ thống phát hiện chướng ngại vật (như trong robot).
44
Hình 2.24- Cấu tạo của cảm biến hồng ngoại
Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được. Khi một vật ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng. Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng.
Hình 2.25- Nguyên lí hoạt động của cảm biến hồng ngoại
45
Vì cảm biến hoạt động bằng cách tìm kiếm ánh sáng phản xạ, có thể có một cảm biến có thể trả về giá trị của ánh sáng phản xạ. Loại cảm biến này sau đó có thể được sử dụng để đo mức độ “sáng” của vật thể. Điều này rất hữu ích cho các nhiệm vụ như theo dõi dòng.
Để phát hiện các phôi có độ cao khác nhau, các cảm biến này sẽ được đặt ở các độ cao khác nhau (cụ thể là 30mm, 50mm, 80mm). Với phôi có chiều cao 30mm thì được cảm biến đặt ở chiều cao 25mm phát hiện, phôi cao 50mm thì được hai cảm biến đặt ở 25 và 45mm phát hiện, tương tự với phôi 80mm thì được cả 3 cảm biến đặt ở 25, 45, 75 mm phát hiện.
B, Lựa chọn vi điều khiển
Vi điều khiển là một máy tính được tích hợp trên một chip, nó thường được sử dụng để điều khiển các thiết bị điện tử. Vi điều khiển, thực chất, là một hệ thống bao gồm một vi xử lý có hiệu suất đủ dùng và giá thành thấp (khác với các bộ vi xử lý đa năng dùng trong máy tính) kết hợp với các khối ngoại vi như bộ nhớ, các module vào/ra, các module biến đổi số sang tương tự và tương tự sang số,... Ở máy tính thì các module thường được xây dựng bởi các chip và mạch ngoài.
46
Hình 2.26- Vi điều khiển ATEMEGA 328P
Vi điều khiển thường được dùng để xây dựng các hệ thống nhúng. Nó xuất hiện khá nhiều trong các thiết bị điện, điện tử, máy giặt, lò vi sóng, điện thoại, đầu đọc DVD, thiết bị đa phương tiện, dây chuyền tự động,...
Để hệ thống đọc được dữ liệu thu thập từ cảm biến và gửi lệnh điều khiển đến các cơ cấu chấp hành thì cần có một vi điều khiển thực hiện xử lí các thông tin trên. Áp dụng vào đồ án, nhóm lựa chọn dòng kit điều khiển Arduino được tích hợp vi điều khiển Atemega328P nhằm dễ dàng thực hiện các hoạt động như mong muốn của người lập trình.
47
Hình 2.27- Kit Arduino 2.4- Xây dựng mô hình kết cấu cơ khí
Để xây dựng mô hình hệ thống băng tải ta cần sử dụng một số nguyên vật liệu như sau: nhôm định hình kích thước 30x60mm; băng tải dây belt màu xanh, động cơ JGB37; bánh đai và các bộ bu – long, đai ốc chữ T, xy lanh khí nén và bộ gá, hệ thống máng trượt phôi, các hộp đựng phôi, đế trạm phân loại,…
2.4.1- Thiết kế hệ thống băng tải phân loại sản phẩm
Hệ thống băng tải là hệ thống có nhiệm vụ vận chuyển phôi di chuyển trên hành trình phân loại sản phẩm của trạm phân loại sản phẩm theo chiều cao.
a- Nhôm định hình
Thanh nhôm định hình là những loại nhôm đã qua quá trình xử lý kim loại nhằm phát huy tối đa các đặc tính vật lý của nhôm, phù hợp cho các nhà thiết kế, kỹ sư và nhà sản xuất. Nhôm định hình ngày càng được ứng dụng rộng trong các ngành công nghiệp.
48
Hình 2.13- Nhôm định hình Đặc điểm:
- Khả năng chống tĩnh điện tốt,
- Khung nhôm được chế tạo bằng nhôm tấm chống xước và chịu lực tốt,
- Khung nhôm định hình có thể tháo lắp di chuyển dễ dàng,
- Linh hoạt về kết cấu trong lắp ráp, sử dụng phụ kiện nhôm định hình như con
trượt, ke góc và các bộ bulong đai ốc chữ T để lắp ráp hoặc phân rã mô hình.
b- Hệ thống bánh đai
Bánh đai là chi tiết có tác dụng truyền chuyển động cho hệ thống dây belt giúp phôi có thể di chuyển trên chiều dài băng tải. Trong phạm vi đồ án, nhóm sử dụng bánh đai tự thiết kế bằng nhựa với phương pháo gia công là in 3D. Với phương án này, có thể tùy chỉnh các thông số của bánh dai tùy thuộc và mục đích sử dụng, ngoài ra còn giảm đáng kể khối lượng của mô hình so với dạng bánh đai làm bằng kim loại.
49
Hình 2.14- Bản vẽ băng tải
c- Các giá đỡ băng tải
Với mục đích là cố định hệ thống băng tải trên tấm đế và giảm tối thiểu khối lượng thì nhóm tiếp tục sử dụng vật liệu nhựa với phương pháp gia công là in 3D để thiết kế giá đỡ hệ thống băng tải. Với tổng 4 giá đỡ, mỗi chân băng tải được gắn 2 giá.
Hình 2.15- Bản vẽ giá đỡ băng tải
50
2.4.2- Thiết kế hệ thống xy lanh khí nén và bộ giá đỡ
a- Hệ thống xy lanh khí nén
Bộ xy lanh khí nén có tác dụng đẩy các sản phẩm ra khỏi băng tải về phía các máng trượt. Trong đồ án, nhóm sử dụng loại xy lanh khí nén hành trình 50mm được làm bằng nhôm để phân loại 2 phôi có chiều cao là 50 và 80mm. Đầu xy lanh được gắn thêm một chi tiết tròn có tác dụng tăng diện tích tiếp xúc, giúp xy lanh có thể dễ dàng đẩy phôi.
Để có thể điều khiển cho hệ thống 2 xy lanh này cần hai van điều khiển điện từ được gắn trên tấm đế.
Hình 2.16- Bản vẽ xy lanh khí nén
b- Bộ giá đỡ
Bộ giá đỡ có tác dụng nâng đỡ và cố định 2 xy lanh ở vị trí xác định. Bộ giá đỡ được gắn liền với hệ thống băng tải bằng các bộ bulong đai ốc chữ T M5. Cũng với chức năng để giảm thiểu khối lượng của mô hình và tùy vào thiết kế của nhóm,
51
nhóm sử dụng phương pháp in 3D để tạo nên bộ giá đỡ này. Bộ giá đỡ gồm 2 chi tiết có các thông số thiết kế như 2 bản vẽ dưới đây.
Hình 2.17- Bản vẽ giá nối với băng tải
Hình 2.18- Bản vẽ giá đỡ xy lanh
52
2.4.3- Các chi tiết phụ trợ kháca- Đế trạm phân loại sản phẩm a- Đế trạm phân loại sản phẩm
Là chi tiết có tác dụng nâng đỡ toàn bộ mô hình phân loại sản phẩm. Chính vì chịu tải trọng của toàn bộ mô hình nên vật liệu nhóm sử dụng là thép tấm được gia công bằng phương pháp cắt bằng laser với bản vẽ bao gồm các lỗ định hình các chi tiết gắn trên nó.
Hình 2.19- Bản vẽ đế trạm phân loại
b- Máng trượt
Để phân loại 3 sản phẩm có chiều cao khác nhau, thì mô hình đề ra phải có 3 đường dẫn hướng cho 3 phôi. Từ đó nhóm chọn thiết kế 3 máng trượt phục vụ mục đích kể trên, 2 mạng trượt được gắn trên hệ thống bang tải, song song với 2 xy lanh
53
đẩy, ngoài ra băng trượt còn lại gắn ở phía cuối băng tải để nhận phôi có chiều cao 30mm. Cũng với phương pháp in 3D, và vật liệu từ nhựa để tạo nên 3 máng trượt cho mô hình.
Hình 2.20- Bản vẽ máng trượt 1
54
Hình 2.21- Bản vẽ máng trượt 2
55
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, LỰA CHỌN KẾT CẤU CƠ KHÍ VÀ KẾT CẤU PHẦN ĐIỀU KHIỂN
3.1- Tính toán, lựa chọn kết cấu cơ khí3.1.1- Lựa chọn động cơ hệ thống băng tải 3.1.1- Lựa chọn động cơ hệ thống băng tải
Thông số đầu vào:
- Tổng khối lượng hàng trên băng chuyền: 0.8kg (khối lượng lớn nhất của mỗi
sản phẩm)
- Khối lượng của dây belt là 0.3 Kg
=> Tải trọng của băng tải là
W= 0,8 + 0,3 = 1,1 (kg) Hệ số ma sát: µ = 0.15
Hệ số ma sát pully:
Hệ số ma sát hộp giảm tốc:
Đường kính sơ bộ của pully là D = 0,03 (m) Tốc độ vòng quay pully:
Tốc độ vòng quay hộp số:
Tính mômen xoắn động cơ.
Momen đầu pully:
Momen đầu hộp số: Với u là tỷ số truyền.
56
Như vậy với một số thông số như: Momen hộp số:
Tốc độ vòng quay hộp số:
Ta chọn được động cơ giảm tốc JGB37-3530
Với thông số kỹ thuật sau:
- Điện áp định mức: 12V
- Tốc độ quay 66 vòng/phút
- Lực kéo: 0.5N.m
Động cơ giảm tốc JGB37-520 12V 66rpm, các bánh răng trong hộp số đều làm
bằng kim loại, chổi than có độ bền tốt. Với mô-men xoắn cao và tiếng ồn thấp, có thể nói đây là một động cơ có hướng đặc biệt tốt, có thể làm tốt công việc của bạn cho dù nó được sử dụng trên robot hoặc các sản phẩm khác.
Thông số kỹ thuật:
- Điện áp hoạt động: từ 6V đến 15V
- Điện áp định mức: 12V
- Tốc độ chạy không tải ở 12V: 66 RPM
- Dòng điện không tải ở 12V: 60 mA
- Mô-men xoắn ở 12V: 5 kg.cm - Tỷ lệ bánh răng: 1:90 - Kích thước hộp số: 24mm - Trọng lượng: 158g 57 download by : skknchat@gmail.com
SƠ ĐỒ ĐỘNG CƠ GIẢM TỐC JGB37-520
Hình 3.28- Kích thước động cơ
Cấu tạo và nguyên lí hoạt động:
- Gồm có 3 phần chính stator (phần cảm), rotor (phần ứng), và phần chỉnh lưu
(chổi than và cổ góp).
- Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh
cửu, hay nam châm điện.
- Rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều.
- Bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển
động quay của rotor là liên tục.
58
Pha 1: Từ trường của rotor cùng cực với stator, sẽ đẩy nhau tạo ra chuyển động quay của rotor.
Pha 2: Rotor tiếp tục quay
Pha 3: Bộ phận chỉnh điện sẽ đổi cực sao cho từ trường giữa stator và rotor cùng dấu, trở lại pha 1
Hình 3.29- Nguyên lý hoạt động phần cảm và phần ứng 3.2- Tính toán bộ truyền băng tải dây belt
a- Tính toán thông số cơ bản
Thông số đầu vào:
Công suất, kW;
Số vòng quay , vg/ph; Tỷ số truyền u
59
Hình 3.30- Động cơ giảm tốc JGB37-520
Với một số thông số cơ bản như sau:
- Điện áp định mức: 12V
- Tốc độ quay 66 vòng/phút
- Lực kéo: 0.5N.m
Theo [giáo trình chi tiết máy], trang 122
1. Chọn vật liệu đai tùy theo điều kiện làm việc.
2. Định đường kính pully chủ động theo công thức:
trong đó:
- công suất tính bằng kW;
- số vòng quay tính bằng vg/ph.
Ta có: đường kính bánh đai nhỏ sơ bộ
Hoặc có thể tìm theo mômen xoắn (đơn vị Nmm): Ta có:
60
Chọn theo tiêu chuẩn: 30,40, 45, 50, 56, 63, 71, 80, 90, 100, 110, 125, 140, 160, 180, 225, 250, 280, 320, 360, 400, 450, 560, 630, 710, 800, 900, 1000, 1250, 1400, 1600, 1800, 2000.
Chọn
3. Tính vận tốc đai và kiểm tra có phù hợp không. Nếu không thì thay đổi đường kính
bánh đai nhỏ:
4. Chọn hệ số trượt tương đối ξ . Với
Mong muốn tỷ số truyền u = 1
Sau đó tính theo công thức và chọn theo tiêu chuẩn như . Tính chính xác tỉ số truyền u theo công thức:
Chênh lệch tỉ số truyền so với giá trị ban đầu không vượt quá 3%. Theo dãy tiêu chuẩn.
Chọn
Vậy tỉ số truyền u = 1,02
5. Chọn khoảng cách trục a theo điều kiện:
15 (m) ≥ a ≥ 1,5 *( + ) trường hợp bộ truyền đai hở 15 (m) ≥ a ≥ ( + ) trường hợp bộ truyền có bánh căng đai. Ta có :
15m ≥ a ≥ 1,5 *( + ) = 90 (mm)
Chọn khoảng cách hai trục là 390 mm 61
6. Chiều dài Lmin của đai được chọn theo điều kiện giới hạn số vòng chạy của đai
trong một giây:
(trường hợp bộ truyền đai hở)
(trường hợp bộ truyền có bánh căng đai).
7. Sau khi chọn a, ta tính chiều dài L dây đai theo công thức:
Để nối đai ta tăng chiều dài đai L lên một khoảng 100 ÷ 400 mm để nối đai.
Suy ra L = 874,2 + 100 = 974,2 (mm).
Thỏa mãn điều kiện .
8. Tính góc ôm đai của bánh đai nhỏ theo công thức:
(rad) (rad)
Khi cần thiết tăng góc ôm đai thì ta tăng khoảng cách trục a hoặc sử dụng bánh căng đai.
Vậy góc ôm đai
b- Tính toán năng suất của hệ thống phân loại sản phẩm
Động cơ giảm tốc JGB37 có thông số với số vòng quay là 66 vòng/ phút. Động cơ được cho chạy với công suất tối đa.
Vận tốc băng tải được tính theo công thức sau: Với: ;
Yêu cầu của đề bài: Phân loại 720 sản phẩm/giờ = 12 sản phẩm/phút
62
Tức là 5 giây sẽ phân loại được 1 sản phẩm. Sau 5 giây, phôi đầu tiên đi được quãng đường là:
0,022.5 = 0,110m = 110 mm
Theo mô hình thiết kế, khi đi được quang đường này, sản phẩm đầu tiên đã đến điểm phân loại đầu tiên. Vì vậy, nếu cứ sau 5 giây thả 1 sản phẩm lên băng tải ở vị trí đầu tiên thì thoả mãn năng suất đề ra.
3.3- Các linh kiện và kết cấu mạch điều khiển3.3.1- Kit điều khiển Arduino Nano 3.3.1- Kit điều khiển Arduino Nano
Arduino được khởi động vào năm 2005 như là một dự án dành cho sinh viên trại Interaction Design Institute Ivrea (Viện thiết kế tương tác Ivrea) tại Ivrea, Italy. Cái tên "Arduino" đến từ một quán bar tại Ivrea, nơi một vài nhà sáng lập của dự án này thường xuyên gặp mặt.
Các thiết bị dựa trên nền tảng Arduino được lập trình bằng ngôn ngữ riêng. Ngôn ngữ này dựa trên ngôn ngữ Wiring được viết cho phần cứng nói chung trên một môi trường phát triển tích hợp (IDE) chạy trên các máy tính cá nhân. Và
63
Wiring lại là một biến thể của C/C++. Một số người gọi nó là Wiring, một số khác thì gọi là C hay C/C++.
Sau khi nền tảng Wiring hoàn thành, các nhà nghiên cứu đã làm việc với nhau để giúp nó nhẹ hơn, rẻ hơn, và khả dụng đối với cộng đồng mã nguồn mở. một trong