bán đồ uống họ có nhu cầu giảm lượng rác thải từ ly nhựa hoặc giấy, còn các tiệm đồ uống sang trọng họ muốn đổi mới sử dụng ly thủy tinh để tăng hứng thú của người dùng cũng như tiết kiệm nhân viên cho việc dọn dẹp. Do mong muốn và đề xuất của các cửa hàng trên đa phần giống nhau nên nhóm đã chọn ra 5 cửa hàng tiêu biểu sau đây:
Bảng 3.1: Khảo sát những cửa hàng trên địa bàn Thành phố Hồ Chí Minh
STT Cửa hàng Địa chỉ Kích thước sản phẩm
1 SYNARY SMART HUB
HCMUTE Số 1 Võ Văn Ngân Ly cao 5cm, đường kính đế 4cm. 2 FRESCO COFFE Số 121 Lê Lợi, Phường Bến Thành, Quận 1 Ly cao 8cm, đường kính đế 5cm
3 MonKey in Black Coffee 698 Sư Vạn Hạnh, P12, Q10
Ly cao 4cm, đường kính đế 5cm
4 Phuc Long Coffee & Tea
1012 Đ. Kha Vạn Cân, Linh Chiểu, Thủ Đức, Thành phố Hồ Chí Minh,
Việt Nam
Ly cao 6cm, đường kính 5cm hoặc 10cm
5 The Coffee House
66E, Hoàng Diệu 2, Phường Linh Trung,Thủ Đức, TPHCM. Ly hoặc chén cao 5cm, đường kính đáy 6-7cm
Nhóm đã khảo sát và được dung tích trên ly phục vụ cửa hàng Fresco bằng bột bánh mỳ và được những thông số sau:
Bảng 3.2: Thông số thu thập đầu vào cho ly bánh Cửa hàng Cửa hàng
Kích thước ly ở Fresco Coffee
Ca cao bánh Expresso
20 Hình 3.1: Ly bánh dùng với bột ca cao
Hình 3.2: Ly dùng với cà phê Expresso
3.2. Thông số kỹ thuật, các yêu cầu kỹ thuật về hệ thống muốn phát triển
Ngồi ra hiện nay cà phê gói trên thị trường sau khi cho nước sơi vào thì dung tích là 72ml. Từ đó nhóm lựa chọn thơng số đầu vào cho máy và ly bánh:
Kích thước ly mong muốn:
Bảng 3.3: Thơng số kích thước ly bánh Đường kính mặt trên 54mm Đường kính mặt dưới 42mm Chiều cao 42mm Dung tích 75ml Góc cơn 7°
21 Hình 3.3: Thiết kế 3D ly bánh
Kích thước hệ thống:
Bảng 3.4: Thơng số kích thước hệ thống máy
Chiều dài 400mm
Chiều rộng 260mm
Chiều cao 650mm
22
3.3. Sơ đồ khối máy
Hình 3.5: Sơ đồ khối của máy
3.4. Danh sách các khối trong máy
: Nguồn 24VDC cấp cho MCU và 220VAC cấp cho Driver.
: Nhận tín hiệu điều khiển từ Web, tín hiệu analog từ bộ đọc nhiệt độ, xử lý và truyền tín hiệu cho Driver điều khiển điện trở sấy.
: Bộ chuyển tín hiệu cảm biến nhiệt độ sang tín hiệu analog
: Van1, Van2 điều khiển Xy lanh1, Xy lanh2.
Battery MICRO- CONTROLLER UNIT Temp transducer 1 Temp transducer 2 Valve1 Valve2
23 : Xylanh ép bột vào khuôn.
: Xylanh đẩy bột ra khỏi khn.
: Nhận tín hiệu điều khiển từ MCU điều khiển điện trở sấy.
: Điện trở sấy gia nhiệt cho khuôn trên. : Điện trở sấy gia nhiệt cho khuôn dưới.
: Khuôn trên.
: Khuôn dưới
: Cảm biến nhiệt độ
: Quan sát quá trình làm việc của máy.
: Máy nén khí:: : Máy nén khí
3.5. Thiết kế cơ khí cho máy nướng bánh một khn 3.5.1. Tính tốn chọn xy lanh
Từ lựa chọn ở phần 2.3, nhóm chọn dẫn động định hình khn bánh bằng xy lanh. Ta có cơng thức tính lực cần để xylanh thực hiện chu trình duỗi và co:
𝐹𝑡𝑖ế𝑛 = 𝑝.𝜋.𝐷2
4 (1)
𝐹𝑙ù𝑖 = 𝑝.𝜋. (𝐷
2− 𝑑2)
4 (2)
Để xác định được các lực 𝐹𝑡𝑖ế𝑛 , 𝐹𝑙ù𝑖 , nhóm đã thực hiện thử các hoạt động nén, đo lực tác động lên khn bằng cân để từ đó lựa chọn được xylanh phù hợp.
Cylinder1 Cylinder2 DRIVER Heat ring1 Heat ring2 Upper Cup Lower Cup
Temp Sensor1 Temp Sensor2
Camera
24 Hình 3.6: Xác định lực 𝐹𝑡𝑖ế𝑛 để chọn xylanh ép phù hợp
Xylanh cho việc nén bột:
Với thơng số cần thiết cho mơ hình: + Hành trình co và duỗi: 150mm. + Lựa chọn xylanh 2 chiều.
+ Lực cần thiết cho việc nén được bột: Bột ở dạng trịn nên ta tính dự kiến cần
𝐹𝑡𝑖ế𝑛 =100 N.
+ Chọn lực xylanh co: 𝐹𝑙ù𝑖 = 0,5𝐹𝑡𝑖ế𝑛 = 50 𝑁.
+ Máy nén khí cung cấp áp suất p = 6 bar = 6x105. Từ hai công thức trên, ta được thông số:
- Đường kính xylanh: 100 = 6𝑥105. 𝜋.(𝐷𝑥10−3)
4 ⇒ D = 14,567(mm). - Đường kính piston: 50 = 6𝑥105. 𝜋.(14,567𝑥10−3 − 𝑑𝑥10−3)
25 Như vậy nhóm đã tính được đường kính piston cũng như đường kính xylanh để phù hợp với hành trình yêu cầu để đạt được lực cần thiết là ϕd = 10(mm), ϕD = 14(mm).
Xylanh cho việc đẩy bột ra khỏi khuôn:
Tương tự với yêu cầu nén bột, xylanh cần cho việc đưa bột bánh sau khi nướng ra khỏi khn có những thơng số sau:
+ Hành trình co và duỗi: 50mm. + Lựa chọn xylanh 2 chiều.
+ Lực cần thiết cho việc nén được bột: Bột lúc này sau khi nướng nhẹ nên nhóm tính dự kiến cần 𝐹𝑡𝑖ế𝑛 = 10 𝑁.
+Chọn lực xylanh co: 𝐹𝑙ù𝑖 = 0,5𝐹𝑡𝑖ế𝑛 = 5𝑁.
+ Máy nén khí cung cấp áp suất p = 6 bar = 6x105.
Vì những yêu cầu tương tự như với yêu cầu nén bột, yêu cầu cho việc đẩy bột ra khỏi khn lại có u cầu về lực thấp hơn, nên để giảm giá thành và tiện cho việc thay thế, nhóm chọn xylanh đẩy bột có thơng số tương tự: ϕd = 10(mm), ϕD = 14(mm).
3.5.2. Thiết kế khung cơ khí
Tải trọng dự tính lên khung máy:
+ 2 Xylanh tổng tải 1 kg: 10N
+ Van và các thiết bị khác 500g: 0,5N
Nhóm đã lựa chọn thiết kế khung của máy bằng phần mềm Solidworks. Sau những lựa chọn thiết kế để cơ cấu được vững nhất có thể mà vật liệu có thể đạt nhẹ nhất, nhóm đã chọn thiết kế phần đế đỡ xylanh bằng nhôm tấm dày 1 li và phần khung sẽ bằng sắt lỗ để có thể nhẹ nhất có thể.
26 Hình 3.8: Kiểm định bền khung máy dựa trên tải dự tính
Sau khi kiểm định tổng hợp tải tác động lên khung máy, nhóm đã quyết định chọn sẽ làm khung máy bằng sắt lỗ và đế nhôm tấm để đỡ xylanh cho cơ cấu.
Bệ đỡ bằng nhôm tấm cần yêu cầu về khả năng chịu tải trọng khi bệ đỡ chịu tác động của lực nén từ xylanh nén bột, đồng thời là tải từ thiết bị ngoại vi, điều khiển như Raspberry Pi 3, Arduino, xy lanh… nên dự tính tải trọng đặt là 100N thì chuyển vị cao nhất theo trục z đạt ∆z=0,0000658 mm.
27
3.5.3. Thiết kế Solidworks
Hình 3.9: Thiết kế nháp máy ép ly bằng bột bánh
28 Hình 3.11: Bản vẽ khung đỡ trong của máy
29 Hình 3.13: Bản vẽ thiết kế gia cơng khn trên
30 Hình 3.15: Bản vẽ thiết kế đế đẩy ly
31 Hình 3.17: Bản vẽ khung ngồi máy
32 Hình 3.19: Bản vẽ xy lanh hành trình 50 và 150
3.6. Thiết kế cơ khí máy làm bánh bốn khn
Hình 3.20: Mơ hình máy bốn khn
Dựa trên thơng số từ thiết kế một khn, nhóm em đã dự tính triển khai làm mơ hình bốn khn qua các chuỗi cơ cấu sản xuất công nghiệp bao gồm khâu băng tải chia và dẫn bột vào máy, khâu định hình và nướng bánh, khâu lấy bánh và kiểm tra, khâu nướng chín bánh. Nhưng do kinh phí và thời gian có hạn, cộng thêm những ảnh hưởng của đại dịch Covid-19, nhóm khơng thể hồn thành tất cả các khâu nói trên. Thay vào đó nhóm sẽ trình
33 bày những ý tưởng của mình về cơ cấu định hình và nướng bánh cho máy bốn khn và cơ cấu lấy bánh.
a. Kiểm nghiệm bền
Tải trọng dự tính lên khung máy:
+ 6 xy lanh tổng tải 3 kg: 30N
+ Van và các thiết bị khác 500g: 0,5N
Nhóm đã lựa chọn thiết kế khung của máy bằng phần mềm Solidworks. Sau những lựa chọn thiết kế để cơ cấu được vững nhất có thể mà vật liệu có thể đạt nhẹ nhất, nhóm đã chọn thiết kế phần đế đỡ xylanh bằng nhôm tấm dày 1 li và phần khung sẽ bằng sắt lỗ để có thể nhẹ nhất có thể.
Hình 3.21: Kiểm định bền đế đỡ xy lanh dưới
34 Hình 3.23: Kiểm nghiệm bền khung máy dựa trên tải dự tính
Dựa trên các thơng số tải của cơ cấu đã khai báo trong Solidworks, nhóm đã thực hiện kiểm nghiệm độ bền tĩnh trên chi tiết và cho thấy chuyển vị cao nhất là ở nơi lỗ gá xy lanh đạt 2.844mm ở đế khuôn trên và 2.715mm ở đế khuôn dưới nên vẫn thoả mãn điều kiện để máy hoạt động bình thường.
Sau khi kiểm định tổng hợp tải tác động lên khung máy, nhóm đã quyết định chọn sẽ làm khung máy bằng sắt lỗ và đế nhôm tấm để đỡ xylanh cho cơ cấu.
b. Bản vẽ thiết kế
35 Hình 3.25: Bản vẽ khung ngồi máy
36 Hình 3.27: Bản vẽ khung đỡ trong của máy
37 Hình 3.29: Bản vẽ đế đỡ xy lanh trên
38 Hình 3.31: Bản vẽ 4 khn dưới
c. Cơ cấu tay kẹp cho robot lấy bánh
Nhóm sử dụng cơ cấu cánh tay robot để lấy bánh ra khỏi khuôn. Chọn xy lanh Compact tay giữ MHZ2-20D
39 Nhóm đã thiết kế thêm phần tay kẹp để kết hợp với xy lanh Compact để tiến lấy ly bánh ra khỏi khuôn.
Hình 3.33: Bản vẽ tay kẹp phải
40
3.7. Thiết kế mạch điện
Hệ thống điện của máy được thiết để có thể điều khiển xy lanh, điều khiển nhiệt độ lò và kết nối với hệ thống Internet để có thể giám sát điều khiển từ xa. Hệ thống điện phải đảm bảo hoạt động ổn định trong thời gian dài và an tồn điện.
Hình 3.35: Sơ đồ khối hệ thống điện.
Hệ thống gồm nguồn AC và DC để cấp nguồn cho hệ thống. Cảm biến nhiệt độ sẽ tiến hành đo nhiệt độ của lò trả về cho bộ điều khiển trung tâm. Bộ điều khiển sẽ chạy thuật toán để điều khiển các mạch động lực điều khiển xylanh và lò nhiệt hoạt động.
- Thiết bị có thể sử dụng:
● Bộ chuyển nguồn AC thành DC
● Cảm biến nhiệt độ và bộ chuyển đổi.
● Mạch Relay
● Van khí nén
● Vịng gia nhiệt
● Aptomat
3.8. Thiết kế giải thuật
3.8.1. Lưu đồ giải thuật điều máy
Khi có tín hiệu cảm biến phát hiện phơi vào thì xy lanh đi xuống ép bột trong khoảng thời gian 50s rồi đi lên. Sau đó xy lanh dưới đi lên đẩy bánh ra khỏi khuôn. Tiếp đến camera sẽ nhận biết sản phẩm, nếu ly bị lỗi khơng chuẩn hình dạng mong muốn thì đèn báo lỗi sẽ sáng lên và xy lanh ngang đẩy ly ra khỏi máy. Ngược lại đèn báo lỗi không sáng và xy lanh ngang đẩy ly ra khỏi máy. Quá trình này sẽ lặp đi lặp lại cho đến khi người điều khiển bấm dừng máy.
41 Hình 3.36: Lưu đồ điều khiển máy
3.8.2. Lưu đồ giải thuật điều khiển nhiệt
Hình 3.37: Lưu đồ điều khiển nhiệt độ
Khi bắt đầu bộ điều khiển sẽ đọc hệ số điều kiển Kp, Ki, Kd, nhiệt độ cài đặt, trạng thái của lị từ Database. Nếu có tín hiệu khởi động lị thì bộ điều khiển PID sẽ chạy với những thông số Kp, Ki, Kd, nhiệt độ cài đã được đọc về và xuất xung có giá trị điều khiển của bộ PID vào mạch động lực để điều khiển lị. Cùng lúc đó sẽ gửi trạng thái của lị và nhiệt độ của lò lên Database để giám sát.
42
3.8.3 Giải thuật điều khiển và giám sát nhiệt độ lò trên web
Mục đích của webside là dùng để giám sát nhiệt độ, bật tắt lò, điều khiển xylanh ép và xylanh đẩy, cài đặt nhiệt độ lị, thơng số điều khiển của lị từ xa mà khơng cần đến gần lị.
Hinh 3.38: Các khối chức năng trên giao diện web Giao diện web gồm 4 khối chức năng chính:
● Khối Cài đặt: Gồm các ô để nhận các thông số cài đặt
Hinh 3.39: Lưu đồ giải thuật khối cài đặt
Sau khi nhấn nút “cài đặt” file php sẽ chạy lấy dữ liệu như vị trí cài đặt, Kp, Ki, Kd từ các ô nhập và ghi xuống Database để bộ điều khiển có thể lên lấy thơng tin cài đặt để chạy lò nhiệt
43 Ở đây việc có thể nhập thơng số PID trực tiếp từ web có thể làm đơn giản hóa cơng việc của kĩ sư thiết kế, có thể chủ động cài đặt, thay đổi thông số mà không cần phải nạp lại code điều khiển, dễ dàng hơn khi đưa máy vào dây truyền sản xuất công nghiệp.
● Khối điều khiển: Gồm các nút nhấn để điều khiển tắt hoặc mở lị, điều khiển xylanh
Hình 3.40: Lưu đồ giải thuật điều khiển trạng thái lò
Khi nhấn nút ON/OFF file php sẽ chạy lấy thơng tin trạng thái của lị từ Database mà bộ điều khiển đã gửi lên. Nếu trạng thái của lò đang tắt (= 0) thì sẽ ghi trạng thái của lị = 1 hoặc trạng thái của lị đang mở (= 1) thì sẽ ghi trạng thái của lò = 0 xuống database để bộ điều khiển có thể đọc và chạy lị theo trạng thái cài đặt.
44 Khi nhấn nút đi ra (đi vào) thì file php sẽ ghi trạng thái xy lanh = 1 (= 0) xuống database để bộ điều khiển đọc và điều khiển xylanh.
● Khối hiển thị: Lấy giá trị nhiệt độ mới của 2 lò hiển thị lên trên web
● Khối biểu đồ: Lấy 50 giá trị nhiệt độ mới nhất để vẽ đồ thị nhiệt độ của 2 lò.
3.8.4 Thiết kế xử lý ảnh
Hình 3.42: Lưu đồ giải thuật xử lý ảnh
Đầu tiên sẽ tiến hành thu thập ảnh ly hoàn thiện và ly hư để tiến hành nhận dạng. Gắn nhãn cho chúng để xác định các thơng số vị trí của ly trong ảnh, kích thước của ly và tính chất của ly là hồn thiện hay lỗi. Đưa ảnh và nhãn đã gắn vào trong mạng để máy tính tiến hành học hai loại ly này. Sau khi máy tính học xong tiến hành chạy thử để đánh giá các thơng số như FPS, độ chính xác của mơ hình để tiến hành điều chỉnh mạng để phù hợp với yêu cầu.
45
CHƯƠNG 4: THỰC NGHIỆM, THU THẬP KẾT QUẢ VÀ PHÂN TÍCH
4.1. Thi cơng mơ hình 4.1.1. Thi cơng phần cơ khí 4.1.1. Thi cơng phần cơ khí
a. Lựa chọn xy lanh từ thơng số đã tính
Từ lựa chọn như ở phần 2.3 và 3.3, nhóm đã chọn dẫn động định hình khn bánh bằng xylanh và tính tốn được trục piston phù hợp ứng với hành trình yêu cầu.
Xy lanh cho việc nén bột:
Với những thơng số lựa chọn đã tính được: Đường kính xylanh: ϕD = 14,567(mm), Đường kính piston ϕd = 10,512 (mm), tra thơng tin xylanh trên catalogue hãng Airtec, nhóm chọn xylanh nén bột là xylanh 2 chiều SCD-32x150 đường kính piston (ϕD) d = 12mm, đường kính xylanh (ϕM) D = 32mm.
Hình 4.1: Thơng số xy lanh hãng Airtac
46
Xylanh cho việc đẩy bột ra khỏi khuôn:
Tra thơng tin xylanh trên catalogue hãng Airtec, nhóm chọn xylanh đẩy bột là xylanh 2 chiều SCD-32x50 đường kính piston (ϕD) d = 12mm, đường kính xylanh (ϕM) D = 32mm.
Hình 4.3: Xy lanh SCD-32x50 hành trình 50
b. Thi cơng khung cơ cấu
● Thi cơng khung trong
Như đã tính tốn ở phần 3.3.2, nhóm đã lựa chọn được thiết kế khung cũng như vật liệu để dễ dàng cho việc thay thế và sửa chữa. Việc tính tốn sức bền sắt lỗ ở phần 3.3.2 cho thấy ở mức tải trọng là hơn 100N thì chuyển vị cao nhất theo trục z đạt ∆z = 0,00154mm. Sau đó đặt liên kết giữa các thanh bằng bulong 8 li đầu dẹt.
Bệ đỡ nhôm yêu cầu về lắp đặt phải đồng tâm giữa lỗ trục xy lanh nén và lỗ trục xylanh đẩy bột, đồng thời là đồng tâm giữa tâm khuôn và lỗ xylanh đẩy bột nên cần gia công khoan