Mô hình cơ khí đảm bảo được các chức năng và yêu cầu của hệ thống phân loại cà chua như sau:
+ Mô hình cơ khí được thiết kế ra phải đảm bảo chắc chắn, nhỏ gọn, khối lượng nhẹ và có tính thẩm mỹ cao.
+ Đảm bảo cho các cơ cấu chấp hành, các cơ cấu điều khiển được sắp xếp hợp lý, khoa học nhất.
+ Dễ dàng sử dụng.
+ Chi phí rẻ, dễ triển khai.
Thành phần của hệ thống bao gồm:
+ Phần cơ khí: Khung băng tải, gá servo, gá cảm biến màu, gá cảm biến hồng ngoại, bàn cân, ngõ phân phối phôi, động cơ servo, động cơ giảm tốc.
+ Phần điện- điện tử: Vi điều khiển, mạch điều khiển, mạch công suất, cảm biến.
Hình dạng tổng quát kết cấu cơ khí:
40
3.1.2 Thiết kế băng tải.
Băng tải là thành phần quan trọng của hệ thống phân loại sản phẩm, có nhiệm vụ vận chuyển phôi tới vị trí thao tác, bên dưới có trang bị hệ thống con lăn. Nguồn động lực chính của băng tải chính là động cơ điện: động cơ điện một chiều, động cơ 3 pha lồng sóc hay servo,... tùy vào yêu cầu hệ thống.
Để tạo ra momen đủ lớn cho băng tải cần nổi trục động cơ với hộp giảm tốc. Hai đầu băng tải có puli, băng tải là vòng kín quấn quanh puli này. Băng tải làm từ vật liệu nhiều lớp, thường là cao su. Lớp dưới là thành phần chịu kéo và tạo hình cho băng tải, lớp trên là lớp phủ.
Các loại băng tải: băng tải xích, băng tải con lăn trọng lực, băng tải con lăn dùng động cơ, băng tải dây đai,...
- Băng tải xích bao gồm xích tấm, xích gỗ, xích inox, xích nhựa, xích cào. Tùy thuộc vào kích thước, trọng lượng của từmg đối tượng được vận chuyển, vận tốc vận chuyển mà chọn loại động cơ cho phù hợp.
- Băng tải con lăn trọng lực được cấu tạo bởi các con lăn bằng thép, inox (thép không gi), hoạt động vận chuyển hàng chủ yếu là nhờ lực hấp dẫn. Khung chân bằng thép hoặc inox. Khi sử dụng ở trên nền đất có thể đẩy chân băng tải ra để trụ được và vận chuyển hàng bình thường.
- Băng tải con lăn dùng động cơ, cũng giống như băng tải con lăn trọng lực, băng tải này gắn thêm động cơ, giảm sức lao động con người, tiện lợi cho tự động hóa. Hàng hóa có thể được di chuyển, điều hướng hay dừng lại khi cần, và được kiểm soát nhờ vào các nút nhấn được thiết kế sẵn.
- Băng tải dây đai là loại băng tải phổ biển nhất vì nó được sử dụng cho rất nhiều các vật liệu tải, giúp kiểm soát đưoc vật liệu tải, tránh rơi rớt trong quá trình tải. Băng tải thường sử dụng các loại dây băng tải PVC, cao su, nhựa PU,. băng tải dùng dây băng tải còn có dạng phương nghiêng, nâng hạ và di động, lòng máng,..
41
Do băng tải dùng trong hệ thống làm nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên nhóm tác giả lựa chọn loại băng tải dây đai.
Ưu điểm:
- Tải trọng bang tải không qua lớn; - Kết cấu cơ khí không quá phức tạp; - Dễ dàng thiết kế chế tạo;
Nhược điểm: Độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ môi trường ảnh hưởng tới con lăn, độ ma sát của dây đai giảm,…
Trong đồ án thiết kế này, hệ thống phân loại cà chua có kích thước tương đối nhỏ (chiều dài L = 500mm), công suất nhỏ nên nhóm tác giả chọn băng tải là loại băng làm vải dệt sợi PVC, một lớp, bề rộng là 60mm.
- Chiều dày lớp bọc cao su bề mặt làm việc của băng tải: 𝛿𝑙𝑣 = 1mm; - Chiều dày lớp bọc cao su bề mặt không làm việc băng tải: 𝛿𝑘𝑙𝑣 = 1mm; - Chiều dày của lớp màng cốt: 𝛿𝑚 = 1mm;
- Chiều dày của băng tải: 𝛿 = 𝛿𝑙𝑣 + 𝛿𝑘𝑙𝑣+ 𝛿𝑚. 𝑖 = 1 + 1 + 1.1 = 3(mm)(i = 1 là số lớp màng cốt xác định theo thiết kế của nhà sản xuất)
Kích thước băng tải: chiều dài 390 mm, chiều rộng 65mm
❖ Tính toán thiết kế băng tải: Thông số đầu vào:
Chiều dài băng tải L = 390mm;
Chiều dài hình học của đai: L G =0,85m; Chiều dày đai b = 3mm;
42 Khối lượng con lăn: 𝑚𝑅 = 0,2(𝑘𝑔).
Khoảng cách giữa cảm biến hồng ngoại và tay gạt phân loại tương ứng là 25mm;
Chiều rộng băng tải: 𝐵 = 𝐷𝐶 + ∆𝐷𝐶
Trong đó: DC là chiều dài phần đáy sản phẩm DC = 60 (mm), ∆DC = 1÷3 (mm) Suy ra:
Δ 60 3 63(mm)
C C
B=D + D = + = (3.1)
Hình 3.2: Module băng tải
Theo thiết kế, hệ thống phân loại từng sản phẩm một. Quãng đường ngắn nhất để sản phẩm từ đầu băng chuyền đến được vị trí của tay gạt phân loại (theo thiết kế) là ℎ ≈ 135𝑚𝑚, năng suất tối đa 20 sản phẩm/phút. Trong 1 phút băng tải đi được một quãng đường:
135.20 2700(mm)
S = =h N = (3.2)
43 2700 45(mm / s) 60 S v t = = = (3.3)
❖ Tính lực kéo tối đa
Khối lượng sản phẩm: m = 0,3kg Khối lượng của dây đai:
đ G 3,2 0,85 0,003 0,0082(kg) 8,2(g)
m = D L b = = (3.4)
Trong đó: D là khối lượng riêng của chất liệu làm đai (đơn vị 𝑘𝑔 𝑚⁄ 2) Lực kéo có ích:
( d ) 0,33 9,8 (0.3 0,0082 0.4) 2, 29( )
U R R
F = g m+m +m = + + = N (3.5)
Trong đó: 𝜇𝑅 là hệ số ma sát
g là gia tốc trong trường (đơn vị 𝑚 𝑠⁄ 2)
Lực kéo tối đa 𝐹1 = 𝐹𝑈. 𝐶1 trong đó 𝐶1 là hệ số áp dụng cho các tang và con lăn, tra bảng hệ số này theo góc nối ta chọn C1 = 1,6.
Suy ra:
1 U 1 2,29 1,6 3,66( )
F =F C = = N (3.6)
3.1.3 Tính chọn động cơ băng tải
Động cơ chọn trong hệ thống: Động cơ điện một chiều. Vì kết cấu đơn giản, giá thành tương đối, dễ bảo quản, ổn định.
Thông số ban đầu :
Vận tốc băng tải : 𝑣 = 0,045(𝑚/𝑠)
Đường kính lớn trục tang : 𝐷 = 0,03(𝑚)
❖ Tính chọn động cơ
44 t ct P P = (3.7) 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.
❖ Tính 𝑃𝑡
Vì trong quá trình vận chuyển phôi, tải trọng của 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 chuyển động dùng lực ma sát giữa băng tải và con lăn theo nguyên lý bộ truyền đai dẹt. Xét tại thời điểm băng tải đang vận chuyển phôi có khối lượng lớn nhất, có sơ đồ lực tác dụng như sau:
Hình 3.3: Lực tác dụng lên băng tải
Trong đó:
Pmax : Trọng lượng của phôi lớn nhất trên băng tải
Fc : Lực căng băng tải S : Lực liên kết
45
Giả sử băng tải trên bị võng một góc . Ta có phương trình :
max max sin 2 2 tan cos c c P S P F S F = = = (3.8) max 2 tan k ms c P F F F = = = (3.9)
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; max 2 tan lv k P v P F v = = (3.10) - Thay số: max max P = n m =g 1.0,3.10 3( )= N (3.11)
Hệ số ma sát giữa con lăn và mặt tiếp xúc bằng cao su của băng tải lấy băng: 𝜇 = 0,35
Vì băng tải kích thước bé, chịu tải trọng thấp nên góc võng là không đáng kể, có giá trị lớn nhất: =0,5o Ta có: max 6 0,35 0,045 2,7(W) 2 tan 2 tan 0,5 lv P v P = = (3.12)
Vì băng tải hoạt động không thông qua bánh đai, ổ lăn nên =1 Thay số vào (3.7) có: ) 2, , 7 1 2 7(W t ct P P = = = (3.13)
Để đảm bảo động cơ hoạt động ổn định, an toàn, tránh quá tải gây hỏng hóc, cần phải chọn công suất của động cơ
46
dc= 1,5. ct 1, )
P P = 5.2,7=4,05(W (3.14)
❖ Tính momen
Do động cơ được gắn với trục rulo của băng tải nên tốc độ quay được tính như sau : lv 60 60.0,045 n 29 (vòng/phút) 0,03 v D = = = (3.15) 3 3 9,55 P 9,55 2,7 10 T 0,89.10 (N m) n 29 − − = = = (3.16)
Từ những kết quả trên, nhóm tác giả chọn động cơ giảm tốc DC JGB37-520 107RPM
Hình 3.4: Động cơ DC JGB37-520
Thông số kỹ thuật của động cơ DC JGB37-520: + Điện áp làm việc: 6-15V
+ Điện áp định mức: 12VDC
+ Dòng điện không tải: 1A.
+ Tốc độ: 107RPM.
+ Lực kéo momen: 35kg.cm
47
3.2 Lựa chọn linh kiện điện, điện tử cho hệ thống. 3.2.1 Lựa chọn vi điều khiển 3.2.1 Lựa chọn vi điều khiển
Vi điều khiển ngoài chức năng xử lý dữ liệu thuật toán, nó còn được tích hợp các bộ chức năng đặc biệt khác, các vi điều khiển ngõ vào để nhận và xử li dữ liệu, các bộ timer xử lý thời gian, các bộ trao đổi dữ liệu theo một số chuẩn giao tiếp, một số loại vi điều khiển còn có bộ chuyển đổi AD ( bộ chuyển đổi biển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số), bộ điều khiển động cơ,...
Một bộ vi điều khiển duy nhất có thể điều khiển một robot di động nhỏ, máy giặt tự động hoặc hệ thống bảo mật. Một số bộ vi điều khiến chứa bộ nhớ để lưu chương trình sẽ được thực thi với rất nhiều dòng đầu vào, đầu ra có thể được sử dụng để hoạt động chung với các thiết bị khác, như đọc trạng thái của cảm biến hoặc điều khiển động cơ.
Arduino là một vi điều khiển, gồm board mạch vi xử lý, nhằm xây dựng các ứng dụng tương tác với nhau hoặc với môi trường được thuận lợi hơn. Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dựng dễ sử dụng. Phần cứng của arduino bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit, hoặc ARM Atmel 32-bit.
Một hệ thống Arduino cung cấp nhiều sự tương tác với môi trường xung quanh với:
- Hệ thống cảm biến đa dạng (đo đạc nhiệt độ, độ ẩm, gia tốc, vận tốc, cường độ ánh sáng, màu sắc vật thể, lưu lượng nước, phát hiện chuyển động, phát hiện kim loại, khí độc,...);
- Các thiết bị hiển thị (màn hình LCD, đèn LED,...);
- Định vị GPS, nhắn tin SMS; - Các mô đun chức năng hỗ trợ kết nối có dây với các thiết bị khác hoặc các kết nối không dây thông dụng (3G, GPRS, Wifi, Bluetooth, 315/433Mhz, 2.4Ghz,...).
48
Để phù hợp giá thành và vẫn đáp ứng được yêu cầu về điều khiển, trong mô hình này nhóm tác giả sử dụng Arduino Nano V3
Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino Uno với cùng MCU ATmega328P, vì cùng MCU nên mọi tính năng hay chương trình có trên Arduino Uno đều có trên Arduino Nano, một ưu điểm của Arduino Nano là vì sử dụng IC dán của ATmega328P nên sẽ có thêm 2 chân Analog so với phiên bản IC chân cắm Arduino Uno.
Kiến trúc của PLC phần nào giống với vi điều khiển về mặt cấu thành, nhưng vi điều khiển thực hiện mọi thứ trên một chip duy nhất, từ CPU đến các cổng I / O và các giao diện cần thiết để giao tiếp với bên ngoài. Các ứng dụng của PLC trong các tác vụ đơn giản cũng có thể thực hiện được bằng Vi điều khiển. Đồng thời giá thành bỏ ra để sở hữu Vi điều khiển là rẻ hơn rất nhiều so với PLC. Do vậy, trong khuôn khổ đồ án này, chúng em chọn vi điều khiển Aruino Nano V3 để xử lý các bài toán của hệ thống.
Hình 3.5: Arduino Nano V3
Bảng 3.1: Thông số kỹ thuật Arduino Nano V3
Vi điều khiển ATmega328 họ 8bit
Điện áp hoạt động 5V DC (chỉ được cấp qua cổng USB)
Tần số hoạt động 16 MHz
49
Số chân Digital I/O 14 (6 chân hardware PWM)
Số chân Analog 6 (độ phân giải 10bit)
Dòng tối đa trên mỗi chân I/O 30 mA
Dòng ra tối đa (5V) 500 mA
Dòng ra tối đa (3.3V) 50 mA
Bộ nhớ flash 32 KB (ATmega328) với 0.5KB
dùng bởi bootloader SRAM 2 KB (ATmega328) EEPROM 1 KB (ATmega328) Chiều dài 43.2 mm Chiều rộng 18.5 mm Trọng lượng 5g ❖ Chức năng các chân :
50
❖ Các chân: 1, 2, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 và 16
Như đã đề cập trước đó, Arduino Nano có 14 ngõ vào/ra digital. Các chân làm việc với điện áp tối đa là 5V. Mỗi chân có thể cung cấp hoặc nhận dòng điện 40mA và có điện trở kéo lên khoảng 20-50kΩ. Các chân có thể được sử dụng làm đầu vào hoặc đầu ra, sử dụng các hàm pinMode (), digitalWrite () và digitalRead (). Ngoài các chức năng đầu vào và đầu ra số, các chân này cũng có một số chức năng bổ sung.
❖ Chân 1, 2: Chân nối tiếp
Hai chân nhận RX và truyền TX này được sử dụng để truyền dữ liệu nối tiếp TTL. Các chân RX và TX được kết nối với các chân tương ứng của chip nối tiếp USB tới TTL.
❖ Chân 6, 8, 9, 12, 13 và 14: Chân PWM
Mỗi chân số này cung cấp tín hiệu điều chế độ rộng xung 8 bit. Tín hiệu PWM có thể được tạo ra bằng cách sử dụng hàm analogWrite ().
❖ Chân 5, 6: Ngắt
Khi chúng ta cần cung cấp một ngắt ngoài cho bộ xử lý hoặc bộ điều khiển khác, chúng ta có thể sử dụng các chân này. Các chân này có thể được sử dụng để cho phép ngắt INT0 và INT1 tương ứng bằng cách sử dụng hàm attachInterrupt (). Các chân có thể được sử dụng để kích hoạt ba loại ngắt như ngắt trên giá trị thấp, tăng hoặc giảm mức ngắt và thay đổi giá trị ngắt.
❖ Chân 13, 14, 15 và 16: Giao tiếp SPI
Khi bạn không muốn dữ liệu được truyền đi không đồng bộ, bạn có thể sử dụng các chân ngoại vi nối tiếp này. Các chân này hỗ trợ giao tiếp đồng bộ với SCK. Mặc dù phần cứng có tính năng này nhưng phần mềm Arduino lại không có. Vì vậy, bạn phải sử dụng thư viện SPI để sử dụng tính năng này.
51
Khi bạn sử dụng chân 16, đèn led trên bo mạch sẽ sáng.
❖ Chân 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 và 26 : Ngõ vào/ra tương tự
Như đã đề cập trước đó UNO có 6 chân đầu vào tương tự nhưng Arduino Nano có 8 đầu vào tương tự (19 đến 26), được đánh dấu A0 đến A7. Điều này có nghĩa là bạn có thể kết nối 8 kênh đầu vào tương tự để xử lý. Mỗi chân tương tự này có một ADC có độ phân giải 1024 bit (do đó nó sẽ cho giá trị 1024). Theo mặc định, các chân được đo từ mặt đất đến 5V. Nếu bạn muốn điện áp tham chiếu là 0V đến 3.3V, có thể nối với nguồn 3.3V cho chân AREF (pin thứ 18) bằng cách sử dụng chức năng analogReference (). Tương tự như các chân digital trong Nano, các chân analog cũng có một số chức năng khác.
❖ Chân 23, 24 như A4 và A5: chuẩn giao tiếp I2C
Khi giao tiếp SPI cũng có những nhược điểm của nó như cần 4 chân và giới hạn trong một thiết bị. Đối với truyền thông đường dài, cần sử dụng giao thức I2C. I2C hỗ trợ chỉ với hai dây. Một cho xung (SCL) và một cho dữ liệu (SDA). Để sử dụng tính năng I2C này, chúng ta cần phải nhập một thư viện có tên là Thư viện Wire.
❖ Chân 18: AREF
Điện áp tham chiếu cho đầu vào dùng cho việc chuyển đổi ADC.
❖ Chân 28 : RESET
Đây là chân reset mạch khi chúng ta nhấn nút rên bo. Thường được sử dụng để được kết nối với thiết bị chuyển mạch để sử dụng làm nút reset.
3.2.2 Lựa chọn cảm biến.
3.2.2.1Cảm biến đo khối lượng.
Yêu cầu của khối lượng cần đo tối đa của loadcell phải lớn hơn tổng khối lượng của bàn cân cộng với khối lượng cần đo của quả cà chua.