Máng cấp nắp trong mô hình có chức cấp nắp vào miệng chai sau khi đã được rót dung dịch. Khi chai đã nhận nắp thì nắp tiếp theo sẽ chuẩn bị cho chai kế tiếp. Hình 3.5 là băng tải được thiết kế trên Solid Works và Hình 3.6 là băng tải được chế tạo thực tế.
Hình 3. 5: Máng cấp nắp thiết kế trên Solid Work
Hình 3. 6: Máng cấp nắp chế tạo thực tế d.Thiết kế khâu vặn nắp chai
Khâu vặn nắp chai có chức năng đúng với như tên gọi đó là dùng để vặn cố định lại nắp chai khi chai được đưa tới. Khâu đóng nắp sử dụng 1 động cơ DC và 1 xy lanh
vuông. Hình 3.7 là băng tải được thiết kế trên Solid Works và Hình 3.8 là băng tải được chế tạo thực tế.
Hình 3. 7: Khâu vặn nắp thiết kế trên Solid Work
Hình 3. 8: Khâu vặn nắp chế tạo thực tế e.Thiết kế các chi tiết khác
Các chi tiết này giúp cải thiện và gia cố phần cứng. Góp phần làm cho phần cơ khí của mô hình chắc chắn hơn. Dưới đây Hình 3.9 biểu diễn một số chi tiết đã thiết kế được sử dụng trong mô hình.
Hình 3. 9: Một số chi tiết thiết kế trên Solid Work
Sơ đồ khối thể hiện chức năng của từng khối làm việc của hệ thống. Nó thể hiện mối liên kết của các khối đối với nhau và sự giao tiếp với nhau giữa các khối, làm trực quan cho người xem hay người vận hành.
Sơ đồ khối là một trong những yêu cầu tiên quyết trong việc xây dựng các dự án vì nó thể hiện rõ sự tương quan của nó trong các khối. Tránh sai xót trong lúc lên ý tưởng, thiết kế và chế tạo hệ thống. Hình 3.10 thể hiện sơ đồ khối của hệ thống.
Hình 3. 10: Sơ đồ khối
3.1.3.Các cơ cấu chấp hành và thiết bị sử dụng trong hệ thống
a.Động cơ
Động cơ có chức năng biến đổi điện năng thành cơ năng theo dạng chuyển động xoay, dùng để thực hiện các chuyển động xoay cho các khâu như di chuyển băng tải, mâm xoay hay có thê làm bơm hút nước,.. Như vậy, dựa vào giới hạn của mô hình và mức điện áp là 12VDC nến có thể chọn động cơ giảm tốc DC 12V (xem hình 3.11) có các thông số định mức như sau:
+ Thông số kĩ thuật:
Dòng điện không tải: 0.06A
Điện áp định mức: 12VDC
Không có tải tốc độ quay 80 vòng/phút, tải 10 kg (trên mỗi centimet)
Đường kính trục: 6mm, trục kiểu khuyết D ( 0.65mm ở cạnh pin)
Sử dụng vít M3 để gá đặt
b.Cảm biến hồng ngoại E18-D80NK
Cảm biến hồng ngoại dùng ánh sáng hồng ngoại để xác định khoảng cách tới vật cản cho độ phản hồi nhanh và rất ít nhiễu nhờ sử dụng mắt thu và phát tia hồng ngoại theo tần số riêng lẽ. Có thể điểu chỉnh khoảng cách nhận tín hiệu của cảm biến mong muốn thông qua biến trở để điều chỉnh độ nhạy, ngõ ra cảm biến ở dạng cực thu hở, vì vậy phải cần thêm 1 trở treo lên nguồn ở chân tín hiệu khi sử dụng. Hình 3.12 thể hiện sơ đồ chân và Hình 3.13 thể hiện cảm biến hồng ngoại ngoài thực tế.
+ Thông số kĩ thuật:
Điện áp nguồn: 5 - 30VDC
Khoảng cách phát hiện: 3~80cm
Dòng kích ngõ ra: 300mA
Chất liệu sản phẩm: nhựa
Có LED hiển thị ngõ ra màu đỏ
Kích thước: 1.8cm (D) X 7.0cm (L)
Hình 3. 13: Cảm biến hồng ngoại c.Nút nhấn
Nút ấn (xem Hình 3.14) là 1 loại khí cụ điện điều khiển bằng tay, dùng để điều khiển các khí cụ điện đóng cắt bằng điện từ, như là điện xoay chiều điện 1 chiều, các thiết bị báo hiệu và cũng để chuyển đổi các mạch điện điều khiển, động lực, tín hiệu liên động cũng như bảo vệ...
Nút ấn thông thường dùng để khởi động, dừng và đảo chiều quay các động cơ điện bằng cách đóng cắt cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ, khởi động từ. Cấu tạo và nguyên lý làm việc.
Nút ấn gồm các hệ thống lò xo, các tiếp điểm thường mở và thường đóng và vỏ bảo vệ, khi ta tác động vào nút ấn, các tiếp điểm sẽ đảo ngược trạng thái và khi không còn tác động, các tiếp điểm trở về với trạng thái ban đầu.
Hình 3. 14: Nút nhấn
+ Thông số kĩ thuật:
Tiếp điểm 1NO-1NC
Nhấn nhả và nhấn giữ
d.Aptomat
MCB là thiết bị dùng để đóng cắt và bảo vệ mạch điều khiển, động lực khỏi sự cố, đảm bảo an toàn cho người vận hành. MCB đơn là loại chỉ có 1 cực tiếp điểm dùng để bảo vệ dây pha của mạch điện. Hình 3.15 thể hiện Aptomat.
Hình 3. 15: Aptomat
Hình 3. 16 Cấu tạo của Aptomat
+ Cấu tạo chung của Aptomat như Hình 3.16:
Tiếp điểm: CB thường được chế tạo có hai cấp tiếp điểm (tiếp điểm chính và hồ quang), hoặc ba cấp tiếp điểm ( chính, phụ, hồ quang ). Khi đóng mạch, tiếp điểm hồ quang đóng trước, tiếp theo là tiếp điểm phụ, sau cùng là tiếp điểm chính. Khi cắt mạch thì ngược lại, tiếp điểm chính mở trước,
sau đến tiếp điểm phụ, cuối cùng là tiếp điểm hồ quang. Như vậy hồ quang chỉ cháy trên tiếp điểm điểm hồ quang, do đó bảo vệ được tiếp điểm chính để dẫn điện. Dùng thêm tiếp điểm phụ để tránh hồ quang cháy lan vào làm hư hại tiếp điểm chính.
Hộp dập hồ quang: Để CB dập được hồ quang trong tất cả các chế độ làm việc của lưới điện, người ta thường dùng hai kiểu thiết bị dập hồ quang là: Kiểu nửa kín và kiểu hở. Kiểu nửa kín được đặt trong vỏ kín của CB và có lỗ thoát khí. Kiểu này có dòng điện giới hạn cắt không quá 50KA. Kiểu hở được dùng khi giới hạn dòng điện cắt lớn hơn 50KA hoặc điện áp lớn 1000V (cao áp). Trong buồng dập hồ quang thông dụng, người ta dùng những tấm thép xếp thành lưới ngăn, để phân chia hồ quang thành nhiều đoạn ngắn thuận lợi cho việc dập tắt hồ quang.
Cơ cấu truyền động cắt MCB: Truyền động cắt thường có hai cách: Bằng tay và bằng cơ điện (điện từ, động cơ điện). Điều kiển bằng tay được thực hiện với các CB có dòng điện định mức không lớn hơn 600A. Điều khiển bằng điện từ (nam châm điện) được ứng dụng ở các CB có dòng điện lớn hơn (đến 1000A). Để tăng lực điều khiển bằng tay người ta dùng một tay dài phụ theo nguyên lý đòn bẩy. Ngoài ra còn có cách điều khiển bằng động cơ điện hoặc bằng khí nén
Móc bảo vệ: CB tự động cắt nhờ các phần tử bảo vệ – gọi là móc bảo vệ, sẽ tác động khi mạch điện có sự cố quá dòng điện (quá tải hay ngắn mạch) và sụt áp. Móc bảo vệ quá dòng điện (còn gọi là bảo vệ dòng điện cực đại) để bảo vệ thiết bị điện khong bị quá tải và ngắn mạch, đường thời gian – dòng điện của móc bảo vệ phải nằm dưới đường đặc tính của đối tượng cần bảo vệ. Người ta thường dùng hệ thống điện tử và rơle nhiệt làm móc bảo vệ, đặt bên trong CB.
+ Nguyên lí hoạt động của Aptomat:
Ở trạng thái bình thường sau khi đóng điện, Aptomat được giữ ở trạng thái đóng tiếp điểm nhờ móc 2 khớp với móc 3 cùng một cụm tiếp điểm động. Bật Aptomat ở trạng thái ON, với dòng điện định mức nam châm điện 5 và phần ứng 4 không hút. Khi mạch điện quá tải hay ngắn mạch, lực hút điện từ ở nam châm điện 5 sẽ hút phần ứng 4 xuống làm bật nhả móc 3, móc 5 được thả tự do, lò xo 1 được thả lỏng, kết quả các tiếp điểm của Aptomat được mở ra, mạch điện bị ngắt.
Để tính chọn aptomat tổng hay cho từ khu vực ta áp dụng công thức:
𝐼𝑡𝑡=𝑃/(𝑈. 𝑐𝑜𝑠 𝜑 )
+Trong đó:
𝐼𝑡𝑡 là cường độ dòng điện tính toán
P là tổng công suất tiêu thụ
U là hiệu điện thế 1 pha 220VAC
𝑐𝑜𝑠𝜑 là hệ số công suất, ta lấy 0.8
Sau khi có được dòng điện 𝐼𝑡𝑡 ta có thể tính được ICB = (1.2-1.5) × 𝐼𝑡𝑡. 1.2-1.5 là hệ số an toàn trong hệ thống điện sinh hoạt.
Do mô hình sử dụng điện áp 220V và 5 động cơ mỗi động cơ 12W khi có tải, 2 van điện từ có công suất 48W, 3 bóng đèn công suất 4W
Ta có 𝐼𝑡𝑡 =168/(0,8×220)= 0.95 →𝐼𝐶𝐵 = 0.95×1.5 =2.375 A
Từ đó ta có thể chọn CB có dòng định mức là 10A để đảm bảo an toàn và trường hợp nâng cấp phụ tải sau này.
e.Van điện từ 5/2
Van điện từ có chức năng điều khiển các xy lanh khí nén đóng mở dựa vào tín hiệu điều khiển mà điều khiển luồn khí nén đi vào hoặc ra, từ đó đóng mở xi lanh. Hình 3.17 chỉ rõ van điện từ ngoài thực tế và hình 3.18 thể hiện kết nối van điện từ với xy lanh khí nén.
Hình 3. 18: Van điện từ kết nối với xy lanh f. Đèn báo
Dùng để báo hiệu tình trạng hoạt động của hệ thống cho người sử dụng biết để điều chỉnh phù hợp. Hình 3.19 biểu diễn đèn báo được sử dụng trong hệ thống.
+Thông số kĩ thuật: Đường kính: 22mm Điện áp ngõ vào: 24V Kích thước: 29×29×53mm Khối lượng: 0.02 Kg Hình 3. 19: Đèn báo g.Van tiết lưu
Van tiết lưu được sử dụng với mục đích điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành như xy lanh hoặc các cơ cấu sử dụng khí nén. Trong thực tế, thường có các yêu cầu khác nhau về tốc độ đối với hành trình của những cơ cấu chấp hành nhằm đáp ứng về công nghệ và năng suất.
Van tiết lưu có 2 loại là van một chiều và van hai chiều, thông thường người ta thường sử dụng van hai chiều độc lập mà sử dụng với van một chiều chế tạo tích hợp để có thể tiết lưu một chiều. Hình 3.20 chỉ rõ van tiết lưu thực tế.
Hình 3. 20: Van tiết lưu h.Xy lanh khí nén
Là một cơ cấu chấp hành (Hình 3.21) có nhiệm vụ biến đổi năng lượng khí nén thành năng lượng cơ học chuyển động tịnh tiến. Hoạt động một cách chính xác, dễ thay đổi lực nhờ sử dụng van tiết lưu nên chọn để đẩy vặn nắp và in logo trên thân chai.
Hình 3. 21: Xy lanh khí nén i. Relay trung gian
Relay trung gian (Hình 3.22) là 1 trong những khí cụ điện được sử dụng rất phổ biến hiện nay. Nó thường làm chức năng là thiết bị trung gian giữa các mạch điều khiển và mạch động lực, điều khiển các cơ cấu chấp hành. Hình 3.23 là sơ đồ nguyên lý của relay.
+ Thông số kĩ thuật:
Rơle trung gian loại cắm đế, kích thước 36 x 28 x 21.5mm
Có loại 2, 3 hoặc 4 cặp tiếp điểm với dòng tải lên tới 10A
Có model có đèn báo, có đi ốt chống xung ngược...
Tuổi thọ tiếp điểm cao, số lần đóng cắt lớn
Hình 3. 22: Relay trung gian
Hình 3. 23: Sơ đồ nguyên lý của Relay j. Máy nén khí
Máy nén khí (Hình 3.24) dùng để tạo ra nguồn khí để cấp cho các cơ cấu chấp hành như xy lanh để chúng hoạt động, làm việc.
Hình 3. 24: Máy nén khí k.Mạch chỉnh lưu nguồn tổ ong
Dùng để chỉnh lưu điện áp từ 220VAC xuống 24VDC. Cấp nguồn cho các thiết bị. (Xem Hình 3.25). Cụ thể trong mô hình thì nguồn tổ ong dùng để cấp nguồn cho PLC, các các relay trung gian, các van điện từ,…
Hình 3. 25: Nguồn tổ ong
+ Thông số kĩ thuật:
Công suất: 250W
Đầu vào: 110VAC – 220VAC
Đầu ra: 3 cặp
Kích thước: 110×220×49 mm
l. Mạch giảm áp LM2596
Mạch giảm áp (hình 3.26) có chức năng điều chỉnh mức điện áp giảm áp phụ hợp để cấp nguồn cho thiết bị sử dụng. Hình 3.27 biểu diễn sơ đồ mạch nguyên lí của thiết bị.
Hình 3. 27 Sơ đồ nguyên lí mạch giảm áp
+ Thông số kĩ thuật:
Hiệu suất chuyển đổi : lên đến 92% ( điện áp ra rất ổn định)
Điện áp vào : 3V - 40V DC Điện áp ra điều chỉnh : 1.5V - 35V DC Dòng ngõ ra : định mức 2A ( tối đa 3A ) Công suất ra 10W Nhiệt độ hoạt động : -40*C - + 85*C Kích thước : 45*20*14mm(L*W*H) m.Cầu đấu
Cầu đấu ( Hình 3.28) dùng để đấu nối dây mạch điều khiển và mạch động lực, các thiết bị điện trong và ngoài tủ điện,… Đảm bảo cách ly chúng với nhau, hạn chế ngắn mạch và làm cho chúng gọn gàng, đẹp mắt hơn.
Hình 3. 28: Cầu đấu n.Động cơ bơm nước
Động cơ bơm (Hình 3.29) dùng nguồn điện 12VDC, dùng để bơm dung dịch cho khâu chiết rót. Động cơ có kiểu dáng nhỏ gọn, công suất vừa đủ để có thể đáp ứng trong các mô hình đơn giản.
Hình 3. 29: Động cơ bơm o.Cảm biến tiệm cận
Cảm biến tiệm cận (Hình 3.30) sử dụng nguyên lí cảm ứng điện từ. Khi có vật kim loại đi vào vùng điện trường của cảm biến sẽ sinh ra các dòng cảm ứng. Cảm biến sẽ phát hiện ra sự nhiễu động do các dòng cảm ứng này sinh ra và xác định có vật. Hình 3.31 mô tả cấu tạo của cảm biến.
Hình 3. 30: Cảm biến tiệm cận
Hình 3. 31: Cấu tạo của cảm biến tiệm cận
3.2.1.Chế tạo phần mô hình cơ khí
Sau khi đã thiết xong các chi tiết thì sẽ tiến hành in 3D các chi tiết này. Sử dụng vật liệu là nhựa trắng để in. Ngoài ra, một số chi tiết có thể cắt bằng mica trong, độ dày tùy thuộc tính chất, chức năng của chi tiết. Trong mô hình này sẽ sử dụng mica 5mm và 3mm. Hình 3.32 thể hiện khâu lập trình cho máy in 3D và Hình 3.33 cho thấy các chi tiết được in thành phẩm ngoài thực tế.
Hình 3. 32: Hình ảnh lập trình để in 3D các chi tiết
Hình 3. 33: Hình ảnh thực tế in 3D các chi tiết
Sau khi đã hoàn thành in các chi tiết thì sẽ tiếp tục quá trình thi công và chế tạo mô hình. Hình 3.34 và 3.35 ghi lại quá trình thi công mô hình và Hình 3.36 thể hiện mô hình đã được hoàn thiện.
Hình 3. 34: Sử dụng thiết bị để chế tạo mô hình
Hình 3. 36: Mô hình khi đã hoàn thiện
3.2.2.Chế tạo phần điện
a.Lắp ráp các động cơ, van vào mô hình
Sau khi đã thiết kế và tính chọn phần điện xong thì nhóm sẽ băt tay vào lắp các động cơ, van khí nén,… vào mô hình. Hình 3.37 cho thấy các thiết bị điện được lắp vào mô hình.
b.Thiết kế tủ điện
Tủ điện là một thành phần không thể thiếu trong các dây chuyền sản xuất nói riêng và ngành tự động hóa nói chung. Tủ điện giúp bảo vệ các khí cụ và các thiết bị điện, làm giảm rủi ro khi gặp sự cố và thuận lợi trong việc điều chỉnh mô hình khi muốn nâng cấp hoặc sửa chữa vì phần điện được tập trung lại một chỗ duy nhất. Đồng thời cũng đấu nối thi công tủ điện để điều khiển mô hình và làm gọn, an toàn phần dây. Hình 3.38 cho thấy tủ điện được thiết kế trên bản vẽ. Tủ điện có kích thước 20×40×60 mm. Mặt trước gồm có 3 đèn báo và 3 nút nhấn. Bên trong có một số khí cụ điện như relay, aptomat, PLC,…
Hình 3. 37: Lắp các động cơ thiết bị điện vào mô hình
:
Hình 3. 38: Tủ điện được thiết kế c.Quá trình thi công tủ điện
Hình 3. 39: Cắt máng điện và thanh ray
Hình 3. 40: Tủ điện sau khi đã lắp đặt các khí cụ điện
Sau khi đã lắp đặt xong các thiết bị khí cụ điện vào tủ thì bước tiếp theo là đấu dây trong tủ. (Xem hình 3.41)
Hình 3. 41: Quá trình đấu dây cho tủ