2.4.1. Động cơ DC
Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều. Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp. Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tấc độ duy nhất khi nói với nguồn điện, tuy nhiên vấn có thể diều khiển tấc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM.
Hình 2.7: Động cơ DC
Động cơ điện một chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện một chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tấc độ trong phạm vi rộng.
Cấu tạo:
Một động cơ DC có 6 phần cơ bản: - Phần ứng hay Rotor (Armature).
- Nam châm tạo từ trường hay Stator (Field magnet). - Cổ góp (commutat).
- Chổi than (Brushes). - Trục motor (Axle).
Hình 2.8: Cấu tạo động cơ DC
Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ, dây quấn phần cảm (dây quấn kích thích). Số lượng cực từ chính ảnh hưởng tới tấc độ quay. Đối với động cơ công suất nhỏ, người ta có thể kích từ bằng nam châm vĩnh cửu.
Rotor (còn gọi là phần ứng) gồm các lá thép kỹ thuật ghép lại có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng. Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua hệ thông chổi than – vành góp.
Chức năng của chổi than –vành góp là để đưa điện áp một chiều và đổi chiều dòng điện trong cuộn dây phần ứng. Số lượng chổi than bằng số lượng cực từ (một nửa cho cực từ âm, một nửa là cực từ dương).
Nguyên lý hoạt động của động cơ DC:
Khi có một dòng điện chảy qua cuộn dây quấn xung quanh một lõi sắt, cạnh phía trên cực dương sẽ tự tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện phía trên cực dương sẽ bị tác động bởi một lực hướng lên, trong khi cạnh đối diện lại bị tác động bằng một lực hướng xuống theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming. Các lực này gây tác động quay lên cuộn dây và làm cho rotor quay. Để làm cho rotor quay liên tục và đúng chiều, một bộ cổ góp điện sẽ làm chuyển động dòng điện sau mỗi vị trí ứng với ½ chu kỳ. Chỉ có vấn đề là khi mặt của cuộn dây song song với các đường sức điện từ trường. Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khi cuộn dây lệch 90 so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính. Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành moment điện từ. Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục.
Hình 2.9: Nguyên lí hoạt động của động cơ DC
Ưu điểm: Có thể kể đến ưu điểm của động cơ điện một chiều hiện nay là rất nhiều. Vì thế, nó được rất nhiều người lựa chọn trong các loại động cơ để ứng dụng vào sản xuất.
- Thứ nhất, động cơ điện 1 chiều có thể đóng vai trò là máy phát điện hoạt động trong các điều kiện khác nhau.
- Tiếp đến, động cơ này có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ và đảm bảo được khả năng quá tải.
- Cuối cùng, động cơ điện một chiều có thể đáp ứng các tiêu chí điều chỉnh rộng và chính xác. Hơn thế, phần cấu trúc của nó hoạt động ổn định, có chất lượng cao.
Nhược điểm: Động cơ điện 1 chiều hoạt động dựa trên hệ thống cổ góp – chổi than. Điều này khiến cho động cơ có thể bị vận hành kém, không an toàn trong các môi trường rung chấn. Đồng thời, nó rất dễ gây ra khả năng cháy nổ trong suốt quá trình hoạt động.
2.4.2. Động cơ servo
Servo là một dạng động cơ điện đặc biệt. Không giống như động cơ thông thường cứ cắm điện vào là quay liên tục, servo chỉ quay khi được điều khiển với góc quay nằm trong khoảng giới hạn. Mỗi loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo khác nhau. Có loại thì nặng chỉ 9g (chủ yếu dùng trên máy bay mô mình), có loại thì sở hữu một momen lực tương đối (vài chục Newton/m), hoặc có loại thì khỏe và nhông sắc chắc chắn.
Các động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến được gọi là động cơ servo RC (radio-controlled). Trong thực tế, bản thân động cơ servo không phải được điều khiển bằng vô tuyến, nó chỉ nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hay xe hơi. Động cơ servo nhận tín hiệu từ máy thu này.
Hoạt động, cấu tạo động cơ DC và động cơ bước vốn là những hệ hồi tiếp vòng hở. Việc thiết lập một hệ thống điều khiển để xác định những gì ngăn cản chuyển động quay động cơ hoặc làm động cơ không quay cũng không dễ dàng.
Mặt khác, động cơ servo được thiết kế cho những hệ thống hồi tiếp vòng kín. Khi động cơ quay, vận tốc và vị trí sẽ được hồi tiếp về một mạch điều khiển. Nếu có bầt kỳ lý do nào ngăn cản chuyển động quay của động cơ, cơ cấu hồi tiếp sẽ nhận thấy tín hiệu ra chưa đạt được vị trí mong muốn. Mạch điều khiển tiếp tục chỉnh sai lệch cho động cơ đạt được điểm chính xác.
Hình 2.11: Cấu tạo cơ bản của một động cơ (motor) servo
1. Motor
2. Electronics Board
3. Positive Power Wire (Red) 4. Signal Wire (Yellow or White) 5. Negative or Ground Wire (Black) 6. Potentiometer
8. Servo Attachment Horn/Wheel/Arm 9. Servo Case
10.Integrated Control Chip
Ứng dụng:
Trên thị trường hiện nay, người thường sử dụng các loại động cơ AC Servo, ứng dụng phổ biến nhất là trong lĩnh vực điện và điện tử. Khi các máy móc được lắp ráp trong một dây chuyền sản xuất đòi hỏi phải có tốc độ cao thì động cơ Servo đáp ứng được tốt nhất yêu cầu này. Cụ thể:
Ứng dụng động cơ Servo trong điều khiển vận chuyển: Thiết bị vận chuyển vốn là các linh kiện cực kỳ quan trọng trong nhiều lĩnh vực, khi đó các ngành công nghiệp cũng trở nên tinh vi, hiện đại và tự động hóa. Chẳng hạn, việc di chuyển các thiết bị, máy móc trong nhà kho thông qua hệ thống băng tải. Động cơ servo sẽ giúp điều khiển tốc độ nhanh hay chậm tùy theo mục đích sử dụng.
Ứng dụng động cơ Servo về khuôn mẫu đùn trong lĩnh vực sản xuất nhựa: Khuôn mẫu đùn được chế tạo bằng phương pháp ép đùn. Đây là thiết bị gia công tạo nên các bộ phận nhựa. Vật liệu nhựa tạo ra nhiệt và tan chảy, sau đó được đùn vào trong 1 chiếc khuôn để gia công các bộ phận còn lại. Các khuôn mẫu thông thường được sử dụng thiết bị điều khiển thủy lực, tuy nhiên ngày nay càng có nhiều khuôn mẫu chuyển sang sử dụng hệ thống điều khiển servo để tiết kiệm điện hơn.
Ứng dụng động cơ Servo trong ngành điện – điện tử: Máy lắp chính là thiết bị lắp các linh kiện điện tử, chẳng hạn như các chip LSI lên trên bảng mạch, cần đạt đené tốc độ cao và độ chính xác tuyệt đối. Và các servo AC sẽ thỏa mãn được yêu cầu này.
Ứng dụng động cơ Servo trong ngành sản xuất thực phẩm: Nhu cầu về thực phẩm sạch, chất lượng cao và an toàn hơn cho người tiêu dùng ngày càng tăng. Vì vậy, động cơ servo thường được xem như là giải pháp tối ưu cho nhiều lĩnh vực, ngay cả đối với quy trình sản xuất thực phẩm.
Ưu điểm: Kiểm soát được tốc độ chính xác cho máy móc, đặc điểm tốc độ của mô men xoắn cũng rất khó, đồng thời, nguyên tắc điều khiển đơn tương đối giản, dễ sử dụng và giá cả lại rẻ hơn các loại khác.
Nhược điểm: Chổi than của động cơ sẽ giới hạn tốc độ, sức đề kháng bổ sung, do đó dẫn đến các hạt bị mài mòn (do môi trường không có bụi bẩn sẽ không thích hợp)
2.4.3. Lựa chọn động cơ
Chọn động cơ điện một chiều DC với các lí do như sau Giao thoa điện từ cực nhỏ
Đối với động cơ DC giao thoa được điện từ cực nhỏ nên khi sử dụng động cơ DC giúp ngăn ngừa được nhiễu sóng điện từ. Ví dụ, sử dụng động cơ DC sẽ giúp cho thiết bị tránh được hiện tượng trở nên quá nóng, bởi cơ chế dòng điện hoạt động giúp giảm được sự nhiễu điện từ – nguyên nhân giảm độ nhạy của thiết bị sau khoảng thời gian dài sử dụng.
Tiêu thụ ít điện năng
Thiết bị sử dụng động cơ DC được coi là loại thiết bị tiêu thụ điện năng hiệu quả nhất. Khi sử dụng động cơ DC tiêu thụ ít điện năng hơn so với động cơ AC. Trên thực tế, sử dụng động cơ DC sẽ tiêu thụ ít điện năng 70% so với các loại điện năng khác.
Vận hành êm ái hơn
Quạt chạy sử dụng động cơ DC vận hành êm ái hơn, không gây nên tiếng ồn nên đối với thiết bị dụng động cơ DC rất thích hợp được lựa chọn và lắp đặt cho các không gian khác nhau, đặc biệt là các không gian cần sự yên tĩnh.
Điện áp thấp
Các loại thiết bị sử dụng động cơ DC thường sử dụng rất ít điện áp hơn các loại chạy dòng điện xoay chiều.
2.5.Các băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay. 2.5.1. Giới thiệu chung. 2.5.1. Giới thiệu chung.
Băng tải thường được dùng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng. Trong các dây chuyền sản xuất, các thiết bị này được sử dụng rộng rãi như những phương tiện để vận chuyển các cơ cấu nhẹ, trong các xưởng luyện kim dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì dùng vận chuyển nhiên liệu.
Trên các kho bãi thì dùng để vận chuyển các loại hàng bưu kiện, vật liệu hạt hoặc 1 số sản phẩm khác. Trong 1 số ngành công nghiệp nhẹ, công nghiệp thực phẩm, hóa chất thì dùng để vận chuyển các sản phẩm đã hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn, các phân xưởng, đồng thời cũng dùng để loại bỏ các sản phẩm không dùng được.
2.5.2. Ưu điểm của băng tải
- Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo - Các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp cả hướng nằm ngang
và nằm nghiêng.
- Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm.
2.5.3. Cấu tạo chung của băng tải
1. Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật. 2. Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo.
3. Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo. 4. Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ...) làm phần trượt cho bộ phận kéo và
các yếu tố làm việc.
2.5.4. Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải sau:
Bảng 2.1: Danh sách các loại băng tải
Loại băng tải Tải trọng Phạm vi ứng dụng
Băng tải dây
đai <50 kg
Vận chuyển từng chi tiết giữa các nguyên công hoặc vận chuyển thùng chứa trong gia công cơ và lắp ráp.
Băng tải lá 25 ÷ 125 kg
Vận chuyển chi tiết trên vệ tinh trong gia công chuẩn bị phôi và trong lắp ráp
Băng tải thanh
đẩy 50 ÷ 250 kg
Vận chuyển các chi tiết lớn giữa các bộ phận trên khoảng cách >50m. Băng tải con
lăn 30 ÷ 500 kg
Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách <50m.
Ngoài ra còn có các loại băng tải khác như băng tải xích, băng tải con lăn băng tải dạng cào, băng tải xoắn vít có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận
chuyển. Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giá thành khá đắt.
2.5.5. Lựa chọn băng tải
Do mô hình thiết bị phân loại sản phẩm theo chiều cao hướng đến việc phân loại các sản phẩm vừa và nhỏ nên sử dụng băng tải dây đai có khả năng phù hợp và tối ưa nhất.
Ưu điểm băng tải dây đai:
- Hầu hết là đều có cấu thành đơn giãn, có độ bền về cơ học cao
- Khi vận hành băng tải dây đai thì phát ra tiếng ồn và khi hoạt động thường đe đến rủi ro rất ít
- Năng suất cảu băng tải dây đai tiêu hao rất ít và dễ dàng vận chuyển hàng hóa đến những nơi bạn cần
- Giá thành của sản phẩm thấp
Nhược điểm băng tải dây đai:
- Thường khi vận chuyển là vật phải nằm ngang, khi vật nằm đứng thì dây đai vận chuyền hàng hóa sẽ không được có thể làm rớt trong quá trình vận chuyển
- Khi vận chuyển hàng hòa để có được tuổi thọ thì nên đểở tốc độ trung bình. Khi làm việc hết công suất thì việc tuổi thọ của máy bị giảm - Thường xuyên kiểm tra và bảo dưỡng những con ốc vít, khi trong quá
trình sẽ tránh gặp được rủi ro cao trong quá trình vận chuyển hàng hóa
2.6.Chọn thiết bị
Để phù hợp với mô hình thiết kế, kích thước sản phẩm phân loại, ta chọn các thiets bị sau:
- Động cơ DC JGB37-520: chuyển động băng tải - Động cơ Servo: chuyển động tay gạt
- Băng tải dây đai
2.7.Kết luận chương 2
Trong chương 2 nhóm đã tìm hiểu rõ được nguyên lý làm việc, các thành phần cơ bản của mô hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao cần thiết kế như mạch arduino, lập trình cho arduino, cảm biến, động cơ và băng tải. Tìm hiểu được bộ điều khiển trung tâm, bộ vi xử lí điều khiển hệ thống, các thiết bị cần thiết cho mô hình. Từ đó tạo cơ sở cho việc mô hình hóa và mô phỏng cho hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao.
CHƯƠNG 3. TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG
3.1.Mô hình hóa mô phỏng hệ thống cơ khí 3.1.1. Cơ cấu của hệ thống 3.1.1. Cơ cấu của hệ thống
Băng tải
Yêu cầu kỹ thuật:
- Lựa chọn loại băng sử dụng trên cơ sở điều kiện môi trường làm việc và loại vật liệu vận chuyển.
- Kích thước băng tải phải phù hợp dựa theo năng suất tính toán và năng suất yêu cầu mà định chiều rộng băng nhằm khi vận chuyển vật liệu không bị rơi ra ngoài.
- Vận tốc băng được xác định sao cho vật liệu không bị thổi bụi hoặc bắn ra hai bên khi máy làm việc.
- Bộ phận đỡ phải đảm bảo tính cứng vững, cân bằng và ổn định cho hệ thống.
- Lựa chọn tang dẫn động, tang bị động: Dựa theo loại băng đã chọn xác định đường kính tang sao cho đảm bảo băng được bền lâu và kết cấu nhỏ gọn nhất.
- Tính toán máng cấp liệu và việc định lượng cấp liệu: Máng cấp liệu được tính sao cho băng làm việc liên tục với lượng nguyên liệu vận chuyển ổn định. Việc điều chỉnh được tiến hành bằng tấm chắn điều chỉnh ở của ra của máng cấp liệu.
Hình 3.1: Bản vẽ bộ phận băng tải
Giá đỡ giúp liên kết băng tải với phần điều khiển
Yêu cầu kỹ thuật:
- Chịu được tải trọng của động cơ
- Kích thước phù hợp, đảm bảo không làm ảnh hưởng tới hệ thống trong quá trình vận hành
Gá cảm biến có 2 lỗ Ø18 để lắp cảm biến và Ø8 để bắt vít vào thân băng tải
Máng trượt thiết kế thoải giúp vật lăn dễ dàng vào khay chứa
Hình 3.3: Bản vẽ chi tiết máng trượt
Tay gạt có chiều dài là 82mm, một đầu được thiết kế để bắt với đầu của