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.
Hình 2.18 Cảm biến hồng ngoại
Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, 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.
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.
Hình 2.19 Nguyên lý hoạt động của cảm biến hồng ngoại
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, 80mm). Với phôi có chiều cao 30mm
thì được cảm biến đặt ở chiều cao 25mm phát hiện, tương tự với phôi 80mm thì được cả 3 cảm biến đặt ở 25, 75 mm phát hiện.
Trong công nghiệp với những yêu cầu cao và chuẩn xác hơn thì có 2 loại cảm biến được sử dụng chính :
Cảm biến tiệm cận từ: Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường điện
từ và chỉ phát hiện được vật kim loại.
Cảm biến tiệm cận điện dung: Phát hiện các vật bằng cách tạo ra trường
điện dung tĩnh điện, có thể phát hiện được nhiều vật liệu khác nhau. Mặc dù cảm biến tiệm cận từ chỉ phát hiện được các vật kim loại nhưng được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp với đặc điểm ít bị nhiễu do tác động bên ngoài hơn và giá thành của những cảm biến này rẻ hơn cảm biến điện dung. Với những yêu cầu đặt ra nhóm em quyết định sử dụng cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4 để phân loại chiều cao sản phẩm trong hệ thống của mình:
Hình 2.20 Cảm biến vật cản hồng ngoại E3F-DS30C4
Model: OMDHON E3F-DS30C4
Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn và 1 dây tín hiệu).
Chân tín hiệu ngõ ra: cấu trúc cực thu hở Transistor NPN - Open
Collector nên sẽ cần phải có trở kéo (khoảng 1~10K) lên chân nguồn dương VCC để tạo thành tín hiệu mức cao (High).
Nguồn điện cung cấp: 6 ~ 36VDC
Khoảng điều chỉnh cảm biến: 5~30cm (điều chỉnh bằng biến trở trên
cảm biến).
Khoảng cách phát hiện vật cản: 0~30cm
Góc khuếch tán (góc chiếu): 3~5 độ
Dòng kích ngõ ra: < 300mA.
Có led hiển thị ngõ ra màu đỏ.
Chất liệu sản phẩm: vỏ ngoài nhựa ABS, phía trong đổ keo chống
nước, chống va đập.
Kích thước: 18 x 68mm
- Chức năng trong hệ thống:
+ Sử dụng tính chất phản xạ ánh sáng để nhận biết vị trí của vật.
+ Nhận biết chiều cao và vị trí của phôi trên băng tải và gửi tín hiệu vào input PLC.
- Ưu nhược điểm của module cảm biến hồng ngoại:
Chi phí rẻ, dễ sử dụng với các loại vi điều khiển, vi xử lý và board
PLC.
Độ chính xác tương đối, có thể điều chỉnh độ nhạy bằng biến trở.
CHƯƠNG 3 TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ MÔ HÌNH HỆ THỐNG 3.1 Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Tính toán cơ khí
Quy trình tính toán.
- Hệ thống cơ khí chính:
+ Hệ thống vận chuyển phôi: đưa các loại phôi đến các vị trí đọc màu và xi lanh đẩy. Sử dụng bộ truyền đai kết hợp với rulo để vận chuyển, giúp băng tải không bị trượt, tăng độ bám dính với dây đai.
+ Hệ thống đẩy phôi: đưa các loại phôi vào các máng sau khi đã phân loại xong. Sử dụng xi lanh khí nén với van điện từ.
- Xác định yêu cầu kĩ thuật.
- Xác định nguyên lý hoạt động và chế độ làm việc.
- Lập sơ đồ hoạt động chung của toàn máy, chọn ra các loại, các cụm chi tiết phù hợp với sơ đồ hoạt động, thiết kế mô phỏng sơ bộ các cụm chi tiết.
- Tính công suất cần thiết, chọn động cơ cho hệ thống truyền động, chọn các phần tử chấp hành phù hợp với hoạt động hệ thống (xy lanh khí nén, …)
- Dựa theo các tiêu chuẩn về lắp ráp, lần cuối xác định kích thước các chi tiết, bộ phận máy.
- Tính toán động học, mô phỏng hệ thống, khả năng đáp ứng của hệ thống. Chỉnh sửa, hiệu chỉnh lại thiết kế.
Phôi được sử dụng
Hệ thống phân loại gồm có 4 loại phôi: - Phôi xanh thấp:
Hình 3.1 Phôi xanh thấp
+ Chiều dài x rộng: 40x40 mm + Chiều Cao: 50 mm
+ Trọng lượng: 100-150g + Chất liệu: Nhựa in 3D - Phôi xanh cao:
Hình 3.2 Phôi xanh cao
+ Chiều dài x rộng: 40x40 mm + Chiều Cao: 80 mm
+ Trọng lượng: 100-150g + Chất liệu: Nhựa
Hình 3.3 Phôi đỏ thấp + Chiều dài x rộng: 40x40 mm + Chiều Cao: 50 mm + Trọng lượng: 100-150g + Chất liệu: Nhựa - Phôi đỏ cao: Hình 3.4 Phôi đỏ cao + Chiều dài x rộng: 40x40 mm + Chiều Cao: 80 mm + Trọng lượng: 100-150g + Chất liệu: Nhựa
3.1.2 Thiết kế cơ khí
STT Tên chi tiết Chi tiết Số lượng 1 Động cơ một chiều 1 2 Băng tải 1 3 Khung nhôm định hình 7
4 Cảm biến hồng ngoại 5 6 Cảm biến màu TCS 3200 1 7 Xy lanh 3 8 Puly dẫn động 2
Thiết kế khung băng tải
- Băng tải là bộ phận quan trọng nhất trong tất cả các mô hình hệ thống phân loại sản phẩm. Nó được dùng để vận chuyển các loại vật liệu hoặc phôi theo phương ngang và phương nghiêng vì vậy nó là bộ phận chính chịu toàn bộ trọng lượng của các loại thiết bị điện và cơ cấu cơ khí.
- Mô hình băng tải mini có các đặc tính bền, vững chắc, chịu tải tốt và chính xác đa phần là nhờ vào vật liệu nhôm định hình. Đây là một vật liệu rất phổ biến và được ứng dụng nhiều trong thực để làm dự án vì nó đảm bảo được độ chính xác về mặt kích thước, thiết kế gọn nhẹ, dễ dàng ghép nối với các cơ cấu khác. Vì vậy nhóm em đã sử dụng nhôm định hình làm vật liệu chính để làm thân cho băng tải phân loại.
Hình 3.5 Băng tải
- Chân băng tải
Là bộ phận chịu lực chính của cả mô hình. Phải đáp ứng được các điều kiện bền, vững vàng khi hệ thống đang trong quá trình hoạt động. Đã được thiết kế thêm gân trợ lực để tăng khả năng chống đỡ của bộ phận.
Sử dụng nhựa in 3D do bền cứng, chi phí rẻ, thuận tiện cho việc gia công chế tạo, linh hoạt thay đổi công nghệ.
Hình 3.6 Chân băng tải và gá động cơ
- Rulo băng tải:
Rulo băng tải là một bộ phận không thể thiếu trong mỗi hệ thống băng tải.Có tác dụng để kéo và giữ thăng bằng,độ ổn định cho băng tải trong quá trình hoạt động.
Các loại Rulo thường gặp như:
+ Rulo thép: Là loại rulo làm bằng thép và thường đi cùng các hệ thống băng tải làm bằng thép,con lăn thép và sử dụng băng tải cao su để chịu tải trọng và sức kéo lớn.
Hình 3.7 Rulo thép
+ Rulo bọc cao su: Là loại rulo có cuộn làm bằng thép được bọc bởi lớp cao su bên ngoài nhằm tăng độ ma sát bám vào băng tải để tạo sức kéo lớn hơn khi tải.
Hình 3.8 Rulo bọc cao su
+ Rulo nhựa: Là loại làm bằng thép và bọc ngoài bằng nhựa nhằm giảm chi phí trong quá trình sản xuất,hiện tải không bằng rolo bọc cao su nhưng tùy thuộc vào yêu cầu cũng như mục đích sử dụng mà lựa chọn được loại rulo phù hợp.
Hình 3.9 Rulo nhựa
Với các loại rulo kể trên, ta có thể lựa chọn rulo bằng nhựa cho mô hình do điều kiện làm việc của băng tải là bình thường, độ dài của băng tải không quá lớn. Ngoài ra rulo quay bị động ta có thêm ổ lăn để đảm bảo tính truyền động của băng tải, không bị trượt trong quá trình vận chuyển.
Hình 3.10 Rulo nhựa
- Dây đai băng tải:
Dây đai băng tải là sản phẩm thích hợp dùng cho truyền tải các vật liệu có tính mật độ tách rời cao, chịu mài mòn nhiều, lực xung kích lớn, đặc biệt thích hợp với môi trường làm việc có tính ổn định cao có độ nghiêng thấp hoặc tải thẳng.
+ Dây đai cao su đen: Đây là loại dây thông dụng và phổ biến nhất vì nó rất đa dạng về mẫu mã cũng như tính năng của nó. Với chất liệu tốt bền bỉ theo thời gian, giá thành rẻ độ dẻo cao & chất lượng khá tốt đáp ứng được mọi nhu cầu, dùng nhiều trong các nhà máy lúa gạo, xi măng, kinh doanh vận chuyển,…
+ Dây đai PVC: Băng tải PVC là loại băng tải, băng chuyền được làm từ chất liệu nhựa dẻo tổng hợp Poly Vinyl Clorua, có tính đàn hồi cao. Trong ngành sản xuất, lắp ráp linh kiện, thiết bị điện tử, lắp ráp ô tô, xe máy, xe đạp điện, trong các nhà máy sản xuất cám, lên hàng công, nhà chế biến gỗ…
Hình 3.12 Dây băng tải PVC
+ Dây đai lưới: Với kết cấu các sợi inox đan xen kẻ với nhau thành ô vuông dạng lưới kết hợp với sắt tròn inox bên ngoài bên gắn vào xích tải có các bánh xe giúp dây băng tải lưới chuyển động model kén khách hàng ví giá thành khá cao dùng nhiều trong ngành công nghiệp tải nhẹ và chịu nhiệt độ cao.
Hình 3.13 Dây băng tải lưới
Việc băng tải chạy chính xác, trơn tru hay không phụ thuộc khá nhiều vào chất lượng của dây đai băng tải. Với kích thước mô hình nhỏ, nhóm em chọn loại dây đai PVC nhằm tối ưu chi phí, có ma sát lớn và khả năng chịu tải tương đối tốt đối với các loại tải nhẹ.
Hình 3.14 Dây băng tải PVC
3.1.3 Tính chọn động cơ băng tải
- Động cơ điện 1 chiều:
+ Khi cho điện áp 1 chiều U vào 2 chổi than A và B, trong dây quấn phần
ứng có dòng điện Iư. Các thanh dẫn có dòng điện nằm trong từ trường sẽ chịu
lực Fđt tác dụng làm cho rotor quay. Chiều của lực được xác định theo quy tắc
bàn tay trái. Khi phần ứng quay được nửa vòng, vị trí các thanh dẫn sẽ đổi chỗ cho nhau do có phiến góp đổi chiều dòng điện, giữ cho chiều lực tác dụng không đổi. Khi động cơ quay, các thanh dẫn cắt từ trường sẽ cảm ứng sức điện động
Eư. Chiều suất điện động xác định theo quy tắc bàn tay phải. Ở động cơ điện 1
chiều thì suất điện động Eư ngược chiều với dòng điện Iư nên Eư còn gọi là suất phản điện.
Hình 3.15 Nguyên lý hoạt động của động cơ điện 1 chiều
+ Ưu điểm:
- Kéo được tải nặng khi khởi động do có moment xoắn lớn. - Độ bền tương đối cao.
+ Nhược điểm:
- Do có cấu tạo cổ góp nên khi hoạt động phát ra tiếng ồn. - Cổ góp này phải được bảo dưỡng thường xuyên.
- Ma sát trong quá trình vận hành có thể bị mài mòn các bánh răng. - Ngoài ra cổ góp này trong quá trình hoạt động phát sinh ra tia lửa điện, nên không dùng được trong các môi trường dễ gây cháy nổ.
+ Chọn động cơ điện được tiến hành theo các bước sau:
- Kiểm tra điều kiện mở máy và quá tải để chọn động cơ phù hợp yêu cầu thiết kế.
- Tính công suất cần thiết của động cơ.
- Xác định số vòng quay của động cơ và chọn động cơ.
Hình 3.16 Cấu tạo bên trong động cơ 1 chiều
Vận tốc của băng tải là: v = 0.05 (m/s)
Khối lượng tối đa trên băng tải : mmax = 1kg
Do trục động cơ đã qua giảm tốc gắn trực tiếp và con lăn dẫn động bằng tải nên không cần tính toán tỉ số truyền từ trục động cơ sang trục con lăn mà cần phải tính toán và chọn tỉ số truyền của động cơ để tiến hành chọn động cơ, sau đó tiến hành chọn module băng tải phù hợp.
𝑃𝑐𝑡 = 𝑃𝑡 𝜂 Trong đó:
𝑃𝑐𝑡: là công suất cần thiết trên trục động cơ
𝑃𝑡: là công suất tính toán trên trục máy công tác
𝜂: là hiệu suất truyền động hệ thống
Vì trong quá trình vận chuyển, tải trọng băng tải không đổi:
𝑃𝑡 = 𝑃𝑙𝑣
Trong đó : 𝑃𝑙𝑣 là công suất làm việc trên trục máy công tác
Băng tải làm việc trên nguyên lý truyền động dùng lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý của bộ truyền đai dẹt. Xét tại thời điểm băng tải đang vận chuyển với khôi lượng phôi là lớn nhất. Lực tác dụng như sau:
Hình 3.17 Lực tác dụng lên băng tải
Trong đó:
𝑃𝑚𝑎𝑥: là trọng lượng ứng với khối lượng phôi là lớn nhất
𝐹𝑐: là lực căng băng tải S : là lực liên kết
Giả sử khi có tải băng tải võng xuống một góc, ta có phương trình:
{S. sin θ = Pmax
2 S. cos θ = Fc
=> Fc = Pmax 2.tan θ
Trong quá trình hoạt động chịu tải
Fk = Fms = Fc. μ = Pmax 2. tan θ Trong đó:
𝜇: là hệ số ma sát giữa con lăn và băng tải
𝐹𝑘: là lực kéo băng tải 𝐹𝑚𝑠: là lực ma sát băng tải
Công suất làm việc trên trục máy công tác: Plv = Fk. v = Pmax
2. tan θ Với:
Pmax = mmax. g = 1.9,81 = 9,81(N) Lấy 𝜇 = 0,4
Băng tải kích thước nhỏ, tải trọng phải chịu tối đa thấp nên góc võng là
không đáng kể. Chọn 𝜃 ∘𝑚𝑎𝑥= 1.
Vận tốc mong muốn của băng tải v=0,05(m/s) Thay vào ta được:
P1V = Pmax. μ. v 2tanθ = 9,81.0,4.0,05 2tan1 ≈ 5.6(W) Hiệu suất hệ dẫn động: η = ηol. ηñai Trong đó:
𝜂ñ𝑎𝑖 = 0,95 - hiệu suất của 1 bộ truyền đai để hở. 𝜂𝑜𝑙 = 0,99- hiệu suất của 1 cặp ổ lăn được che kín
=>η = ηol. ηñai = 0,95.0,99 = 0,94 Thay vào ta được:
Pct = Pt η =
5.6
0,94= 5,95(W)
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, nên lựa chọn động cơ có tốc độ chậm hơn và momen động cơ lớn hơn rất nhiều so với yêu cầu, cùng với đó công suất của động cơ cũng phải lớn hơn công suất cần thiết tính được: 𝑃𝑑𝑐 ≥ 𝑃𝑐𝑡 .(𝑃𝑑𝑐 > 5,95𝑊).
Từ những kêt quả trên, nhóm chúng em đã lựa chọn động cơ DS- 400.110/s555s
Hình 3.18 Động cơ giảm tốc DS400