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 khn.
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
● Vòng 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 lò. 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 ơ 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 ơ 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 lò đang mở (= 1) thì sẽ ghi trạng thái của lị = 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 lị.
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 hoàn 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 đồng trục phải đạt sai số thấp nhất để tránh làm hư hỏng trục piston của xy lanh.
47 Hình 4.5: Lắp đặt đồng tâm cho trục hai xy lanh và khuôn bánh
● Thi công khuôn và đế bánh
- Khn bánh dưới
Ban đầu nhóm đã định dùng khuôn bánh bằng nhôm để tiết kiệm chi phí cho phần khn cũng như dễ thay thế khi thị trường có bán rất nhiều khn bánh tương tự với nhiều mẫu khác nhau, nhưng do yêu cầu cần phần đáy khn phải tách rời và ngồi lý do trên, trong quá trình thử nghiệm nướng với bột bánh, sau khi được gia nhiệt liên tục trong một thời gian dài, khuôn nhôm bị biến đổi màu sắc và hư hại.
Khi ra thành phẩm, bột bánh bị dính xỉ đen do khn nhơm gây ra sau q trình chịu gia nhiệt liên tục như vậy sẽ khơng tốt cho sức khỏe người dùng cũng như không đạt u cầu về an tồn thực phẩm.
Hình 4.6: Khn nhơm sau q trình gia nhiệt liên tục
Như vậy, nhóm đã quyết định gia cơng khn bánh bằng trục inox tròn mác DC11 đạt yêu cầu về chịu nhiệt cao, độ chống oxy hóa trong mơi trường gia nhiệt liên tục, độ cứng và độ dẻo đạt yêu cầu tránh nứt, bể khn.
48 Hình 4.7: Thành phần hóa học vật liệu Inox DC11
Hình 4.8: Khn inox DC11 nướng khuôn bánh - Đế khuôn cách nhiệt
Khi gia nhiệt liên tục, phần điện trở nhiệt cung cấp lượng nhiệt liên tục sẽ vơ tình truyền sang các bộ phận khác như đế nhôm rồi sang khung máy… sẽ gây hao hụt nhiệt cũng như gây nguy hiểm trong q trình sử dụng. Vì vậy nhóm đã chọn thiết kế phần đế khuôn trở nhiệt cách ly với khuôn nhiệt bằng phíp bakelite. Phíp sẽ có chức năng cách ly phần nhiệt truyền từ khuôn điện trở sấy xuống, cũng đồng thời sẽ cách ly đế nhôm là vật liệu dẫn điện tốt với phần điện trở nhiệt ở trên. Từ đó, phần khung trong máy cũng như phần khung ngoài máy sẽ được cách ly hoàn toàn về điện và nhiệt do các đặc tính cơ lý của phíp, đảm bảo an tồn trong q trình nướng bánh.
Ngồi ra, phíp cịn phải chịu một phần tải trọng khi xylanh nén bột nên nhóm chọn phíp dày 5 li để đảm bảo về độ bền cho ứng suất nén của phíp.
49 Hình 4.9: Phíp bakelite cách điện, nhiệt cho cơ cấu
- Khuôn bánh trên
Khuôn bánh trên phục vụ cho yêu cầu gia nhiệt bề mặt trong của bánh. Việc lựa chọn khuôn bánh trên phụ thuộc vào độ lớn của khuôn dưới cũng như điện trở nhiệt có ngồi thị trường. Vì vậy nhóm đã chọn gia cơng khn trên dựa trên kích thước u cầu của ly.
50 Khuôn trên cần đảm bảo yêu cầu kết nối đồng tâm giữa xylanh nén bột và khuôn dưới để việc ép bột bánh được thực hiện chính xác, tránh hư hỏng cho khn dưới cũng như các chi tiết bên dưới.
Bên cạnh đó, khn trên cần đảm bảo những yêu cầu về nhiệt, hư hỏng khi gia nhiệt liên tục như khn dưới. Nhóm đã chọn gia cơng khn trên bằng inox trục trịn DC11 như khn dưới để đạt những yêu cầu đã nói ở trên.
Hình 4.11: Khn trên gia nhiệt mặt trong bánh
51
● Thi cơng khung ngồi
Sau khi hoàn thành khung trong cho máy, nhóm đã thiết kế khung ngồi cho máy với những yêu cầu:
+ Bao bên ngoài bảo vệ, che chắn cho các cơ cấu hoạt động bên trong.
+ Cách ly cơ cấu bên trong với mơi trường bên ngồi, đảm bảo cho các cơ cấu hoạt động đúng chức năng và đạt hiệu quả.
+ Khả năng chống oxy hóa, chịu nhiệt cao để tránh làm hư hỏng cho sản phẩm đầu ra trong q trình hoạt động.
+ Mang lại tính thẩm mỹ cho máy, tăng giá trị sử dụng cho máy.
Với những yêu cầu như vậy, nhóm đã quyết định chọn vật liệu inox mờ 201 làm phần khung ngoài cho máy.
Hình 4.13: Khung ngồi máy
4.1.2. Thi cơng phần điện a. Lựa chọn điện trở sấy a. Lựa chọn điện trở sấy
52 Hình 4.14: Điện trở sấy dạng vịng nhiệt
Hình 4.15: Thơng số cơng suất điện trở sấy dạng vòng nhiệt
b. Lựa chọn Arduino
Nhằm thỏa mãn các yêu cầu điều khiển cho bộ PID, điều khiển bằng nguồn 5VDC, và thuận tiên cho việc giao tiếp với Raspberry phục vụ cho xử lý ảnh và webserver sau này. Nhóm đã chọn Arduino MEGA 2560 làm bộ điều khiển cho máy.
53 Hình 4.16: Arduino MEGA 2560
Hình 4.17: Thơng số kĩ thuật Arduino MEGA 2560
c. Lựa chọn mạch điều khiển van
Module 8 Relay với Opto cách ly 5VDC: thích hợp cho các ứng dụng đóng ngắt điện thế cao AC hoặc DC, các thiết bị tiêu thụ dòng lớn, module thiết kế nhỏ gọn, có opto và transistor cách ly, kích đóng bằng mức thấp (0V) phù hợp với mọi loại MCU và thiết kế có thể sử dụng nguồn ngồi giúp cho việc sử dụng trở nên thật linh động và dễ dàng.
54 Hình 4.18: Module 8 Relay với Opto cách ly 5VDC
Thông số kỹ thuật:
- Sử dụng điện áp ni 5VDC
- Tám Relay đóng ngắt ở điện thế kích bằng 0v nên có thể sử dụng cho cả tín hiệu 5V hay 3V3 (cần cấp nguồn ngồi), mỗi relay tiêu thụ dịng khoảng 80Ma.
- Điện thế đóng ngắt tối đa: AC250V – 10A hoặc DC30V-10A. - Có đèn báo đóng ngắt trên mỗi Relay.
d. Lựa chọn cảm biến nhiệt độ bộ đọc tính hiệu nhiệt độ
Vì nhiệt độ lị khá lớn nên nhóm đã chọn cảm biến nhiệt độ PT100 3 dây:
Hình 4.19: Cảm biến PT100 + Chiều dài 1.5m. + Chiều dài 1.5m.
+ Tầm đo -50℃ ~ 200℃.
55 Hình 4.20: Bộ chuyển đổi tín hiệu J2H16
Chọn bộ đọc và chuyển đổi tín hiệu nhiệt độ sang tín hiệu analog J2H16: + Điện áp hoạt động: 24V.
+ Nhận tín hiệu từ cảm biến Pt100. + Tầm chuyển đổi: 0-400 ℃. + Tín hiệu xuất ra 4-20 Ma. + Thời gian trễ tín hiệu: <600ms.
+ Nhiệt độ làm việc của thiết bị: -40℃ đến 85℃ + Sai số của bộ điều khiển tín hiệu: 0.1%
Cảm biến phát hiện phơi
Hình 4.21: Cảm biến hồng ngoại PNP + Điện áp hoạt động 6-36VDC + Điện áp hoạt động 6-36VDC
+ Khoảng cách phát hiện 0-30cm + Loại ngõ ra PNP thường mở
56
e. Bản vẽ tủ điện
● Bảng kí hiệu thiết bị trong tủ điện
Hình 4.22: Bảng kí hiệu thiết bị trong tủ điện
● Bản vẽ vị trí thiết bị trong tủ
57
● Sơ đồ đơn tuyến
Hình 4.24: Sơ đồ đơn tuyến
● Bản vẽ mạch động lực
58
● Bản vẽ mạch điện 8 Relay
Hình 4.26: Bản vẽ 8 Relay điều khiển xy lanh
● Bản vẽ mạch điện bộ chuyển nhiệt độ