THIẾT KẾ, MÔ PHỎNG XẾP HÀNG TỰ ĐỘNG LÊN PALLET VÀ LƯU KHO LỜI NÓI ĐẦU Ngày nay, nền kinh tế nước ta đang phát triển mạnh mẽ, cuộc cách mạng khoa học kĩ thuật cũng có những bước đột phá mới.Nhu cầu sử dụng và xếp hàng hóa ngày một tăng cao, để thuận tiện cho quá trình xếp hang hóa thay vì xếp hàng hóa thủ công tốn nhiều thời gian, công nhân lao động, và khó khăn trong khâu vận chuyển tốn nhiều thời gian, nhiều công ty trên thế giới đã trang bị hệ thống xếp hang tự động cho kho hàng, văn phòng, nhà xưởng của mình… Với việc ứng dụng công nghệ cao trong việc cất giữ hàng hóa, giờ đây chúng ta có thể quản lý hàng hóa của mình một cách khoa học, có hệ thống và có tính linh hoạt cao. Từ đó nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm giá thành hoạt động. Sau thời gian học tập tại trường Đại học công nghiệp thực phẩm TP.HCM, được sự chỉ dẫn nhiệt tình của thầy cô bộ môn, em đã tích lũy được vốn kinh nghiệm nhất định để có thể thực hiện khóa luận này. Được sự đồng ý của nhà trường và giáo viên hướng dẫn em được giao đề tài tốt nghiệp: “Thiết kế, mô phỏng và xếp hàng tự đông cho pallet và lưu kho”. Khóa luận tốt nghiệp của em gồm 5 chương: Chương 1: Tổng quan về kho hàng Chương 2: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩn cho pallet Chương 3: Xây dựng bộ điều khiển hệ thống phân loại sản phẩm Chương 4: Chế tạo và hoàn thiện sản phẩm Chương 5: Kết luận và hướng phát triển Bằng sự cố gắng của bản thân và sự giúp đỡ tận tình của thầy Trần Quang Huy em đã hoàn thành khóa luận đúng hạn. Em rất mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô về khóa luận này.
Giới thiệu chung về xếp hàng tự động
Hoạt động của hệ thống lưu trữ và lấy hàng tự động
Để lưu trữ hàng hóa:
Các xe nâng sẽ đảm nhiệm việc lấy hàng hóa từ các xe container vận chuyển và chuyển chúng đến trạm tiếp nhận Tại đây, hệ thống băng chuyền sẽ vận chuyển hàng hóa đến vị trí của hệ thống nâng, hạ.
• Khi hàng hóa đã được đưa đến vị trí của hệ thống thiết bị nâng, pallet sẽ được đẩy vào khoang vận chuyển:
Hệ thống điều khiển xác định vị trí lưu trữ hàng hóa và chỉ đạo bộ phận truyền động đưa hàng đến đúng vị trí Khoang hàng được di chuyển đồng thời theo cả phương đứng và phương ngang, nhằm tối ưu hóa thời gian.
Khi đến vị trí lưu trữ hàng, pallet sẽ tự động đẩy hàng hóa vào kho và hệ thống điều khiển sẽ cập nhật vị trí đặt hàng vào cơ sở dữ liệu.
3 Để lấy hàng hóa ra:
Khi cần lấy hàng hóa, hệ thống điều khiển xác định vị trí chính xác để lệnh cho hệ thống truyền động đưa xe đến đó Tại vị trí này, pallet sẽ được đưa ra để kéo hàng hóa và khoang hàng.
• Sau khi hàng hóa đã được đưa vào khoang hàng, hệ thống truyền động được đưa tới vị trí để bốc dỡ hàng, vận chuyển đi:
Tại trạm này, hàng hóa sẽ được băng chuyền đưa đến vị trí của nhân viên bốc dỡ, sau đó chuyển tiếp đến băng chuyền vận tải để đóng gói và vận chuyển sản phẩm đến tay khách hàng.
Các thành phần chính của hệ thống ASRS
1.1.2 Hệ thống đo lường tốc độ và định vị trong hệ thống truyền động
Hình 1.1 Động cơ truyền động với encoder để đo tốc độ
Bộ encoder có độ phân giải cao đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển tốc độ, gia tốc và độ trễ, giúp đảm bảo quá trình lấy và lưu trữ sản phẩm được thực hiện chính xác.
Hình 1.2: Encoder đo tốc độ động cơ
1.1.3 Hệ thống hiển thị vị trí tại nơi lấy và giữ sản phẩm:
Hình 1.3: Vị trí lắp đặt cảm biến định vị
Khi sản phẩm được đưa vào đúng vị trí, một công tắc hành trình được kích hoạt nhằm mục đích dừng ngay lập tức hệ thống vận chuyển
Hình 1.4 Công tắc hành trình để phát hiện vị trí
Một số thông số kỹ thuật:
• Loại công tắc: công tắc loại electro-mechanical
• Kết nối: cable gland 1xM20, dây dẫn tiết diện ≤ 2,5 mm 2
• Dòng điện cực đại: 3A (240 VAC), 3A (24 VDC)
• Tần suất đóng/cắt: 6000 lần/h, tuổi thọ: 2x10 6 lần đóng cắt
Hình 1.5 Dải hoạt động của công tắc hành trình
1.1.4 Cảm biến quét chiều cao của hàng hóa:
Hình 1.6 Vị trí lắp đặt cảm biến quét chiều cao hàng hóa
Hệ thống sử dụng cảm biến đo khoảng cách để xác định khối lượng hàng hóa trong khoang chứa, từ đó tối ưu hóa việc lưu trữ Dữ liệu này được truyền về hệ thống điều khiển thông qua tín hiệu tương tự và giao thức IO-link.
Hình 1.7 Đường đặc tính hoạt động ở tốc độ nhanh
1.1.5 Cảm biến xác định chiều cao của hàng hóa :
Trước khi pallet được lưu trữ, các cảm biến quang phản xạ sẽ kiểm tra chiều cao hàng hóa để đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép trong khu vực lưu trữ.
Hình 1.8 Vị trí lắp đặt cảm biến xác định chiều cao hàng hóa
Hình 1.9 Cảm biến quang kiểu phản xạ
Một số thông số kỹ thuật:
+ Đo bằng ánh sáng LED màu đỏ
+ Thời gian đáp ứng: ≤ 1ms
Hình 1.10 Kích cỡ của spoting light theo khoảng cách
Hệ thống hiển thị vị trí tại nơi lấy và giữ sản phẩm
Hình 1.3: Vị trí lắp đặt cảm biến định vị
Khi sản phẩm được đưa vào đúng vị trí, một công tắc hành trình được kích hoạt nhằm mục đích dừng ngay lập tức hệ thống vận chuyển
Hình 1.4 Công tắc hành trình để phát hiện vị trí
Một số thông số kỹ thuật:
• Loại công tắc: công tắc loại electro-mechanical
• Kết nối: cable gland 1xM20, dây dẫn tiết diện ≤ 2,5 mm 2
• Dòng điện cực đại: 3A (240 VAC), 3A (24 VDC)
• Tần suất đóng/cắt: 6000 lần/h, tuổi thọ: 2x10 6 lần đóng cắt
Hình 1.5 Dải hoạt động của công tắc hành trình
Cảm biến quét chiều cao của hàng hóa
Hình 1.6 Vị trí lắp đặt cảm biến quét chiều cao hàng hóa
Hệ thống sử dụng cảm biến đo khoảng cách để xác định lượng hàng hóa trong khoang chứa, từ đó tối ưu hóa quy trình lưu trữ Dữ liệu này được truyền về hệ thống điều khiển thông qua tín hiệu tương tự và kết nối IO-link.
Hình 1.7 Đường đặc tính hoạt động ở tốc độ nhanh
Cảm biến xác định chiều cao của hàng hóa
Trước khi pallet được lưu trữ, các cảm biến quang phản xạ sẽ kiểm tra chiều cao hàng hóa để đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép trong khu vực lưu trữ.
Hình 1.8 Vị trí lắp đặt cảm biến xác định chiều cao hàng hóa
Hình 1.9 Cảm biến quang kiểu phản xạ
Một số thông số kỹ thuật:
+ Đo bằng ánh sáng LED màu đỏ
+ Thời gian đáp ứng: ≤ 1ms
Hình 1.10 Kích cỡ của spoting light theo khoảng cách
Vai trò của hệ thống kho xếp hàng tự động
Nút Nhấn
Khái niệm
Nút nhấn, hay còn gọi là nút ấn, là thiết bị dùng để điều khiển từ xa việc đóng ngắt các thiết bị điện, máy móc hoặc quy trình trong hệ thống điều khiển.
Nút nhấn thường được lắp đặt trên bảng điều khiển, tủ điện hoặc hộp nút nhấn, và khi sử dụng, cần thao tác dứt khoát để mở hoặc đóng mạch điện.
Hình 1.13 Các dạng nút nhấn
Cấu tạo
Nút nhấn gồm hệ thống lò xo, hệ thống các tiếp điểm thường hở – thường đóng và phần vỏ
Khi tác động vào nút nhấn, các tiếp điểm chuyển trạng thái, khi không còn tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu
Hình 1.14 Cấu tạo của nút nhấn
Nguyên lý hoạt động
Nút nhấn bao gồm ba phần chính: bộ truyền động, các tiếp điểm cố định và các rãnh Bộ truyền động đi qua toàn bộ công tắc và kết nối với một xy lanh mỏng ở phía dưới, bên trong có tiếp điểm động và lò xo Khi nhấn nút, nó sẽ chạm vào các tiếp điểm tĩnh, làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm Để thiết bị hoạt động, người dùng có thể cần giữ nút hoặc nhấn liên tục Một số nút nhấn khác có chốt giữ nút bật cho đến khi người dùng nhấn lại.
Ứng dụng
Công tắc nút nhấn được sử dụng rộng rãi trong nhiều ứng dụng như máy tính, điện thoại và thiết bị gia dụng Chúng có mặt ở nhà, văn phòng và trong các ngành công nghiệp, cho phép bật, tắt thiết bị hoặc thực hiện các chức năng cụ thể Nhiều nút nhấn có thể kết nối với nhau qua cơ chế liên kết, điều khiển hoạt động của nhau Mỗi nút thường có màu sắc riêng để thể hiện chức năng, ví dụ, nút xanh thường dùng để bật thiết bị và nút đỏ để tắt Điều này giúp giảm thiểu nhầm lẫn trong quá trình sử dụng Ngoài ra, nút dừng khẩn cấp thường là nút lớn, màu đỏ, thiết kế dễ sử dụng để đảm bảo an toàn.
Băng tải PVC
Khái niệm
Băng tải PVC là thiết bị phổ biến trong nhiều doanh nghiệp hiện nay, nhờ vào khả năng thích ứng linh hoạt của dây PVC Loại băng tải này được ứng dụng rộng rãi trong việc vận chuyển thùng carton, hộp, bao bì, bưu kiện và các linh kiện điện tử, góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.
Cấu tạo
• Khung băng tải được thiết kế từ nhôm định hình
• Dây băng tải làm bằng dây PVC,có độ dày 4 mm, có màu xanh lá
• Hệ thống con lăn đỡ dây băng tải và rulo kéo bằng SUS
• Động cơ giảm tốc độ vô cấp
• Điều khiển tốc độ bằng vô cấp
• Tấm đỡ dây băng và hộp xích được thiết kế từ SUS
• Hệ thống điều khiển: Siemens
Ưu điểm băng tải PVC
- băng tải kháng dầu mỡ và các loại hóa chất khác, giúp đảm bảo an toàn, chống trơn trượt tốt trong quá trình vận chuyển hàng hóa
- Băng tải chịu nhiệt PVC có khả năng chống ẩm, chống nấm mốc và hạn chế gây mùi
- Mặt băng tải có đàn hồi cao, khả năng chịu va đập tốt
- Vận hành ổn định, cho năng suất cao
- Khả năng chịu nhiệt rất tốt
- Có thể vận chuyển hàng hóa tốt theo đường cong, đường thẳng hoặc nghiêng
- Nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, cho khả năng vận hành linh hoạt, lắp đặt nhanh chóng, giúp tiết kiệm năng lượng tối ưu
- Bền bỉ, tuổi thọ cao, chất liệu PVC có độ bền kéo tốt, giúp mặt băng tải không bị dãn ra trong quá trình sử dụng.
Nhược diểm băng tải PVC
Băng tải PVC có nhiều ưu điểm vượt trội, tuy nhiên giá thành của nó tương đối cao Dù vậy, với chất lượng và hiệu quả mà băng tải này mang lại, doanh nghiệp vẫn nên cân nhắc sử dụng Để tiết kiệm chi phí, bạn có thể tìm đến các đơn vị cung ứng và sản xuất trực tiếp như Carno để mua thiết bị với mức giá ưu đãi hơn.
- Nếu dùng băng tải PVC vận chuyển các vật liệu hạt vụn, có thể gây hao hụt, rơi vãi,… nhưng không đáng kể.
Băng tải lăn truyền động xích
Khái Niệm
Băng tải con lăn truyền động xích là giải pháp lý tưởng cho việc vận chuyển hàng hóa có kích thước lớn, đóng kiện hoặc đóng hòm, cũng như các sản phẩm có hình dáng dài.
1.5.2 Ưu điểm băng tải lăn
- Tính ứng dụng cao, có thể sử dụng để vận chuyển các loại hàng hóa nặng, cồng kềnh
- Kết cấu chắc chắn, bền bỉ, khả năng chịu lực tốt
- Dễ dàng lắp ráp, có thể vận chuyển hàng hóa theo đường thẳng hoặc đường cong
1.5.3 Nhược điểm băng tải lăn
Băng tải rất nhạy cảm với sự mất cân bằng của trục con lăn, do hệ thống bao gồm nhiều bánh răng và nhông xích Chỉ cần một chút mất cân bằng cũng có thể ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự ổn định của toàn bộ hệ thống băng tải.
- Hệ thống có bánh răng và nhiều con lăn nên phải phải bảo trì thường xuyên để băng tải hoạt động trơn tru, không bị dừng đột ngột
- Chi phí vệ sinh bảo dưỡng sẽ tăng cao nếu làm việc trong môi trường nhiều bụi bẩn
1.5.4 Vai trò của hệ thống xếp hàng lên pallet và lưu kho
- Nâng cao hiệu suất làm việc với tốc độ đóng gói nhanh, thời gian hoạt động liên tục cùng với trọng tải lớn
- Tiết kiệm chi phí bảo trì vì hệ thống Robot này được các nhà phát minh chế tạo rất ít thành phần cơ học
Khả năng xử lý linh hoạt nhiều loại thành phẩm với kích thước đa dạng được hỗ trợ bởi tính năng tự động thay đổi tay kẹp, giúp nâng cao hiệu quả làm việc.
- Khả năng làm việc ở không gian nhỏ Do đó, doanh nghiệp có thể tiết kiệm được cả chi phí thuê mặt bằng, chi phí sản xuất
- Các nhà phát minh đã lập trình cho Robot bốc vác tính năng xếp hàng an toàn
Các doanh nghiệp áp dụng hệ thống Robot trong quy trình sản xuất có thể yên tâm về an toàn lao động, vì Robot thực hiện công việc xếp hàng một cách an toàn hơn so với con người.
THIẾT KẾ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM CHO PALLET
Tính toán thành phần hệ thống
2.2.1 Nguyên lý hút chân không bằng khí nén
Bơm hút chân không khí nén, hay còn gọi là van hút chân không khí nén, hoạt động dựa trên Hiệu ứng Venturi, được phát hiện bởi nhà vật lý người Ý Venturi Khi chất lỏng không nén được hoặc khí đi qua một điểm thắt, vận tốc của chúng tăng lên theo nguyên tắc khối lượng liên tục, dẫn đến việc áp suất tĩnh giảm theo nguyên lý bảo toàn năng lượng cơ học, hay còn gọi là nguyên lý Bernoulli.
Mô tả nguyên lý hoạt động
Hình 2.11 Mô tả hiệu ứng vật lý Venturi
Sự khác biệt áp suất thu được bằng phương trình Bernoulli: khi vận tốc của chất lỏng (chất khí) tăng lên, áp suất của nó giảm và ngược lại
Bơm hút chân không bằng khí nén (ejector vacuum pump) hoạt động bằng cách tăng tốc dòng khí áp suất cao qua vòi phun, từ đó chuyển đổi năng lượng áp suất thành vận tốc.
• Xung quay đầu vòi phun (vị trí vận tốc cao nhất), một vùng áp suất thấp được tạo ra Đây thường được gọi là buồng hút của thiết bị
• Đầu vào bên của van hút chân không dùng khí nén được thiết kế một cổng hút, thường được gọi là nhánh hút
Khi áp suất thấp hình thành ở đầu buồng hút, nó sẽ thấp hơn áp suất của khu vực không khí cần hút, dẫn đến việc không khí từ vùng đó sẽ được cuốn vào bên trong buồng hút qua nhánh hút.
Sau khi đi qua khuếch tán của bơm hút chân không, hai dòng khí sẽ giảm tốc độ do cấu trúc phân kỳ của van hút, từ đó áp suất được phục hồi.
Bạn có thể theo dõi những thay đổi về vận tốc và áp suất của nguyên lý bơm hút chân không dùng khí nén qua biểu đồ sau:
Hình 2.12 Biểu đồ thay đổi vận tốc trong quá trình hoạt động
Hình 2.13 Mô tả sự thay đổi áp suất của van chân không khí nén
Bơm chân không khí nén và bơm chân không vòng dầu hay vòng nước đều thuộc dòng bơm hút chân không, nhưng chúng có cấu tạo và nguyên lý hoạt động hoàn toàn khác nhau.
2.2.2 Ưu điểm của bơm hút chân không bằng khí nén
Van hút chân không bằng khí nén sở hữu cấu tạo và nguyên lý hoạt động đặc biệt, mang lại nhiều tính năng vượt trội cho sản phẩm Nhờ vào những ưu điểm nổi bật, các thiết bị này ngày càng được ưa chuộng và đánh giá cao trong ứng dụng thực tiễn.
• Thiết kế nhỏ gọn, khối lượng nhẹ, di chuyển và lắp đặt linh hoạt
• Bơm hút chân không khí nén dễ cài đặt, thời gian khởi động và xử lý nhanh chóng
• Hoạt động yên tĩnh, hiệu suất làm việc cao
• Có thể tận dụng nguồn khí nén có sẵn
• Giá thành tốt, tiết kiệm chi phí vận hành
• Khả năng vượt trội trong nhiều hệ thống tự động hóa
Hình 2.14 Van hút chân không dùng khí nén VMECA
2.2.3 Những ứng dụng của van hút chân không bằng khí nén
Máy bơm hút chân không sử dụng khí nén là thiết bị quan trọng trong nhiều ngành sản xuất như bao bì, sản xuất gỗ, thủy tinh, nhựa dẻo, kim loại tấm và thiết bị điện tử Sản phẩm này thường được kết hợp với giác hút chân không để tối ưu hóa quy trình sản xuất Hãy cùng khám phá một số ứng dụng cụ thể của máy bơm hút chân không trong các lĩnh vực này.
• Thiết bị được sử dụng để lựa chọn và đặt các sản phẩm đóng gói dạng túi
• Ứng dụng mở và chuyển túi nhựa
• Chuyển tấm trượt để đóng gói sản phẩm…
Bơm chân không sử dụng khí nén là thiết bị lý tưởng cho việc nâng hạ và vận chuyển sản phẩm, nhờ khả năng hút, giữ và di chuyển hiệu quả Độ bám dính cao của bơm giúp đảm bảo an toàn và ổn định trong quá trình di chuyển sản phẩm.
Hình 2.15 Van hút chân không bằng khí nén dùng hút và di chuyển sản phẩm
Cánh tay robot được trang bị van hút chân không khí nén, giúp thực hiện các thao tác như vận chuyển, lắp ráp và hỗ trợ hiệu quả trong quy trình sản xuất tại nhà máy.
• Tạo hình kim loại – Uốn, khoan và cắt…
Trong đóng gói sản phẩm
Hình 2.16 Giác hút chân không giữ và di chuyển sản phẩm bánh kẹo để đóng gói
• Giác hút chân không khí nén hỗ trợ việc gắp nhả sản phẩm trong quy trình đóng gói
• Bộ giác hút chân không sẽ hút, giữ sản phẩm từ khu vực thành phẩm đưa vào khu vực đóng gói (thùng, hộp,…)
• Bên cạnh đó, giác hút cũng giúp giữ và di chuyển, sắp xếp các thùng hàng, giúp tiết kiệm chi phí và nhân công
• Từng loại sản phẩm cần đóng gói khác nhau sẽ lựa chọn loại giác hút phù hợp
Bơm chân không khí nén là thiết bị chuyên dụng kết hợp với giác hút chân không, mang lại hiệu quả cao trong các ứng dụng công nghiệp Loại bơm này không thay thế cho các thiết bị khác như máy bơm hút chân không khô, bơm vòng dầu hay bơm trục vít, mà đóng vai trò quan trọng trong việc tạo ra môi trường chân không cần thiết cho nhiều quy trình.
Hình 2.17 Giác hút giúp thao tác trên các tấm kính được dễ dàng và an toàn
• Giác hút chân không giữ các sản phẩm kính, thủ tinh trong quá trình sản xuất và gia công
• Với đặc trưng về sự bám dính, bề mặt an toàn giúp việc gia công nhanh chóng, chính xác mà không gây ra các hư hỏng bề mặt
Hình 2.18 Sản xuất thiết bị điện tử
Các linh kiện điện tử có kích thước nhỏ và yêu cầu thao tác chính xác cao, do đó, giác hút chân không trở thành giải pháp lý tưởng để đáp ứng những yêu cầu khắt khe trong sản xuất điện tử.
• Ứng dụng trong việc hút giữ, di chuyển linh kiện trong sản xuất, lắp ghép
Sản xuất kim loại và tấm kim loại
Hình 2.19 Giác hút chân không có khả năng hút giữ các tấm kim loại siêu mỏng
Việc thao tác với kim loại và tấm kim loại rất khó khăn và tiềm ẩn nhiều nguy hiểm cho con người Để khắc phục vấn đề này, các nhà sản xuất đã ứng dụng giác hút chân không vào quy trình làm việc.
• Giữ và di chuyển các tấm kim loại từ siêu mỏng đến nặng và lớn
• Tạo hình kim loại, uốn, khoan, cắt…
• Lắp ráp các bộ phận
2.2.4 Tính toán xy lanh hút chân không cho hệ thống
Tính lực cần để giữ vật bằng giác hút chân không với phương đứng
• Tính lực cần để giữ khi nâng vật theo phương đứng, bề mặt giác hút song song với mặt đất
Fth: Lực nâng lý thuyết cần có để nâng vật (N) m: khối lượng vật cần nâng (Kg) g: Gia tốc trọng trường (m/s^2) a: Gia tốc nâng vật (m/s^2)
S: Hệ số an toàn (dùng 1 hoặc 1.5)
Cụ thể theo mô hình cần nâng vật khối lượng 5 kg, di chuyển với gia tốc 5 (m/s2), giác hút được bố trí theo trường hợp như hình
Hình 2.20 Giác hút chân không
Lực hút chân không cần để giữ vật là:
Với 1 giác hút có đường kính 50mm, tiết diện tiếp xúc để nâng vật:
=> Lực nâng mỗi giác hút sẽ là: 160 N
=> Do đó bạn cần số giác hút: n = 74 N/ 160N =5 giác hút
Hình 2.21 Đường kính giác hút chân không
Vậy chọn giác hút có đường kính 50mm thì cần 5 giác hút để nâng vật có khối lượng 5kg
2.2.5 Tính toán thiết kế băng tải Đường kính bánh dẫn và bị dẫn: D = D1 = D2 = 4cm
Hình 2.29 Mô hình băng tải
Khoảng cách giữa 2 trục là L = 5m
Bề rộng của đai B = 500cm, B tùy thuộc vào kích thước của sản phẩm ta có bề rộng Bsp
Khối lượng trung bình của vật có trên băng tải là m = 7kg
Chọn vận tốc băng tải v=0,1 m/s
36 Để vật cân bằng trên băng tải khi chuyển động, ta có tổng hợp lực:
Phản lực N của băng tải đối với sản phẩm là:
Lực ma sát của bộ truyền là:
Trong đó k là hệ số ma sát giữa vật và băng tải
Công A thực hiện lực kéo là:
• Cách chọn đông cơ cho băng tải
+ Khối lượng băng tải 5kg
+ Chọn con lăng đường kính D00mm
+ Vận tốc băng tải 25m/phút o Chọn tỷ số truyền cho động cơ giảm tốc:
Phần động cơ: 2 Phase 2 cực 220V, f = 50Hz,
Trong đó N: Tốc độ động cơ vòng / phút f: Tần số nguồn điện
(1-s): Hệ số trượt làm suy giảm tốc độ động cơ
Thông thường (1-s) = 0,85 ÷ 0.99: Phụ thuộc vào công nghệ chế tạo động cơ, ở đây ta chọn 1-s = 0.97
= - Tốc độ đầu ra trên trục động cơ giảm tốc: 25 26.52( / )
= = - Tỷ số truyền đầu giảm tốc: 1 26.52 1
I 9 o Cách tính chọn công suất
Momen trên trục bánh xe : = U * W * D/2
Trong đó: T là momen tải trên trục bánh xe
W là trọng lượng : dây băng tải + hàng = 5kg + 7kg*35kg
D là đường kính con lăng
U là hệ số ma sát
Để xác định hệ số ma sát, cần căn cứ vào loại ma sát và tải trọng yêu cầu Đối với tải đứng yên, ta lựa chọn hệ số ma sát nghỉ Hệ số ma sát nghỉ lớn nhất sẽ tương đương với hệ số ma sát trượt, theo bảng tra cứu giữa trục động cơ và con lăng, với giá trị U = 0.15.
= Chọn hiệu suất truyền động giữa trục động cơ H=0.95
Momen trên trục động cơ : 2 1 236 248
= H = Momen cần thiết để motor hoạt động ở điều kiện 8-10h/ngày
T =K T Trong đó K là hệ số tải (hệ số điều kiện làm việc)
Tra bảng Catalogor motor giảm tốc dolin ta chọn k=1.25
Kết luận: Vậy ta chọn công suất động cơ giảm tốc tối thiểu : 860W, tỷ số truyền 1/109
Băng tải cân sản phẩm
Cân băng định lượng là hệ thống băng tải có khả năng đo lường khối lượng sản phẩm và nguyên liệu trong quá trình hoạt động, giúp duy trì quy trình sản xuất liên tục và đảm bảo chất lượng nguyên liệu đạt tiêu chuẩn cho sản phẩm Để hiểu rõ nguyên lý hoạt động của cân băng định lượng, cần tìm hiểu cấu tạo của nó, bao gồm các thành phần thiết yếu và cách thức hoạt động của từng bộ phận.
Mỗi hệ thống cân băng định lượng có các thông số kỹ thuật riêng, phù hợp với loại nguyên liệu, sản phẩm và dây chuyền của doanh nghiệp Hiện nay, cân băng định lượng đang được ứng dụng rộng rãi trong nhiều nhà máy như nhà máy sản xuất thạch cao, nhà máy xi măng, nhà máy phân bón và nhà máy gạch Bên cạnh đó, cân băng còn có nhiều ứng dụng khác trong các ngành công nghiệp.
Trong các doanh nghiệp chế biến, khai thác khoáng sản và nhiệt điện, việc lựa chọn hệ thống cân băng phù hợp phụ thuộc vào điều kiện môi trường và nguyên liệu Mặc dù kỹ thuật của các hệ thống cân băng có thể khác nhau, nhưng nguyên lý hoạt động của chúng lại tương tự nhau.
2.3.1 Nguyên lý hoạt động của cân băng tải
• Bộ phận cơ khí: (Phễu chứ, cửa cấp liệu, băng tải, con lăn lớn và con lăn nhỏ)
Nơi cấp liệu đầu vào bao gồm phễu chứa và hệ thống cấp liệu, nơi liệu được đổ vào phễu và bắt đầu quy trình cân băng Liệu sẽ chảy qua cửa cấp liệu, như vít tải hoặc cửa xả, xuống băng tải Toàn bộ băng tải được gắn trên khung cân băng, với các con lăn lớn chịu tải và con lăn nhỏ hỗ trợ băng tải hoạt động Trong số các băng tải nhỏ, có bộ phận cảm biến trọng lượng để kiểm tra và đo lường khối lượng liệu chảy trên băng.
Bộ phận cảm biến bao gồm loadcell cảm biến trọng lượng và encoder cảm biến tốc độ, được lắp đặt trên các con lăn nhỏ Tại đây, trọng lực tác động trực tiếp lên con lăn và thông số này sẽ được gửi về bộ phận điều khiển Encoder cảm biến tốc độ có nhiệm vụ kiểm tra tốc độ chạy của băng tải, từ đó cung cấp thông số tốc độ Sự kết hợp giữa hai thông số này cho phép tính toán chính xác khối lượng hàng hóa trên giờ, giúp điều chỉnh quy trình vận hành hiệu quả hơn.
Bộ phận điều khiển của hệ thống cân băng bao gồm đầu cân hiển thị, tủ điện điều khiển và phần mềm điều khiển Thông qua các cảm biến tốc độ và cảm biến lực, các thông số kỹ thuật được truyền về đầu cân điều khiển Tại đây, thông tin sẽ được xử lý và gửi về phần mềm điều khiển trên máy tính, nơi các thông số thô sẽ được phân tích và xử lý để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống.
Tủ điện điều khiển trung tâm đóng vai trò quan trọng trong việc đưa ra quyết định và xác định thông số thời gian chạy trên băng tải, từ đó kiểm soát khối lượng và thời gian cần thiết Quá trình hoạt động của cân băng được tóm tắt qua các giai đoạn: cấp liệu vào phiễu chứa, cấp liệu lên băng tải, xác định khối lượng và tốc độ chạy, phân tích thông số thô, xác định khối lượng chuẩn, điều khiển định mức chuẩn và cuối cùng là hệ thống hoạt động theo vòng lặp.
2.3.2 Cách tính hệ thống cân băng tải
Giường cân 2 giá con lăn có sự phân bố khối lượng vật liệu đè lên các con lăn theo hình thang, với đáy trên là khoảng cách giữa hai con lăn cân và đáy dưới là khoảng cách giữa hai con lăn ngoài Diện tích hình thang này tỷ lệ thuận với khối lượng vật liệu Khối lượng đè lên con lăn cân số 5 tăng dần từ vị trí con lăn 4, giữ ổn định và giảm dần từ con lăn số 6, cuối cùng về 0 tại vị trí con lăn 7.
Diện tích hình thang là:
Trong đó: St (m2) : Diện tích hình hình thang phân bố khối lượng h (m) : Chiều cao hình thang
L (m) : Khoảng cách giữa các giá con lăn cân
Để chuyển đổi khối lượng từ kg sang kg/m, cần quy đổi hình thang thành hình chữ nhật có diện tích tương đương Khi đó, khối lượng sẽ được phân bổ đều trên các con lăn cân.
Diện tích hình chữ nhật là:
Khoảng cân (chiều dài hiệu dụng của tải trọng) sẽ là chiều dài cạnh dài của hình chữ nhật: d = 2*L (m)
Tải trọng vật liệu đè trên giường cân được quy ra kg/m là:
Trong đó: Md (kg/m) : Tổng khối lượng của vật liệu đè lên giường cân quy ra kg/m
M (kg) : Tổng khối lượng của vật liệu đè lên giường cân
Khi đó ta sẽ có năng suất tức thời được tính như sau:
Trong đó: Q (kg/s) : Năng suất tức thời v (m/s) : Vận tốc băng tải
Nếu muốn quy đổi ra tấn/giờ ta có:
PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
Ý Tưởng Thiết Kế
Sau quá trình nghiên cứu từ sách vở, internet và thực tế, chúng em đã quyết định thiết kế mô hình cánh tay robot có khả năng phân loại sản phẩm dựa trên khối lượng.
- Thiết kế khay chứa sản phẩm
- Thiết kế các cảm biến để phát hiện sản phẩm
- Thiết kế cánh tay robot để gắp sản phẩm đặt vào khay sản phẩm
- Thiết kế hệ thống điều khiển
3.1.1 Lựa chọn, tính toán động cơ cho vít me trục Z
Dựa vào khả năng chịu tải trọng lớn, yêu cầu độ chính xác cao và độ bền vượt trội, động cơ step là lựa chọn tối ưu cho vít me trục Z.
Động cơ bước (stepper motor) là một loại động cơ đồng bộ, có chức năng chuyển đổi các tín hiệu điều khiển thành chuyển động góc quay thông qua các xung điện rời rạc liên tiếp.
Các thông số quan trọng của động cơ bước bao gồm bước góc, sai số bước góc, mômen kéo, mômen hãm và mômen làm việc Hệ thống điều khiển động cơ bước khá đơn giản do không có phần tử phản hồi, và động cơ bước không tạo ra sai số tích lũy trong quá trình hoạt động Mặc dù độ chính xác của động cơ bước chưa cao, nhưng việc sử dụng chúng ngày càng phổ biến nhờ vào sự cải thiện về công suất và độ chính xác của bước góc.
Bảng 3 1 Bảng Bước góc của động cơ bước
Step angle Steps per revolution
Nguyên tắc điều khiển động cơ bước đơn cực liên quan đến việc sử dụng động cơ vĩnh cửu hoặc động cơ hỗn hợp với 5, 6 hoặc 8 dây ra Các đầu nối trung tâm thường được kết nối với cực dương của nguồn cấp, trong khi hai đầu còn lại của mỗi mấu được nối đất để đảo chiều từ trường do quận đó tạo ra.
Mạch điều khiển động cơ bước bao gồm một số chức năng sau đây:
+ Tạo các xung với những tần số khác nhau
+ Chuyển đổi các phần cho phù hợp với thứ tự kích từ
Mạch điều khiển giúp giảm dao động cơ học bằng cách sử dụng các xung đầu vào và các thành phần như bán dẫn và vi mạch Động cơ bước được kích thích theo thứ tự 1-2-3-4 nhờ các transistor công suất T1 đến T4, cho phép quay theo chiều kim đồng hồ hoặc ngược lại khi thay đổi vị trí bộ chuyển mạch Điện áp được cấp qua các khoá chuyển để nuôi các cuộn dây, tạo ra từ trường quay rotor Các khoá này có thể là bất kỳ thiết bị đóng cắt nào như rơle hay transistor công suất Tín hiệu điều khiển có thể được cung cấp từ bộ điều khiển như vi mạch chuyên dụng hoặc máy tính.
Hình 3.1 Sơ đồ mạch điện động cơ bước
Các loại động cơ bước thông dụng và các cách điều khiển động cơ bước
+ Động cơ bước có nhiều loại như động cơ biến trở từ, động cơ đơn cực, động cơ lưỡng cực
+ Về step thì có loại là 0.36 độ/ 1step, loại 0.72/1step Và thông dụng nhất là loại 1.8 độ/ 1 step Tức là 200 step sẽ được 1 vòng
Trên thị trường hiện nay, động cơ đơn cực và lưỡng cực là hai loại phổ biến nhất Khi mua động cơ, người tiêu dùng thường gặp các loại động cơ với số lượng dây như 4, 5, 6 và 8 dây, trong đó động cơ 4 dây và 6 dây là thường xuyên được sử dụng nhất Dưới đây là sơ đồ dây của hãng Oriental.
Động cơ bước có nhiều phương pháp điều khiển khác nhau, trong đó có thể điều khiển trực tiếp các dây qua 4 cổng thông qua MCU và Driver đệm công suất Phương pháp này khá phức tạp và yêu cầu hiểu biết sâu về cấu trúc bên trong động cơ, thường chỉ cho phép điều khiển ở chế độ full bước.
• Tính toán các thông số động cơ
Chọn vận tốc nâng hàng v=0,04 m/s, lực nâng FaI N Đường kính trục vít me : D =8 mm
Công suất trên trục công tác:
Hiệu suất bộ truyền trục vít η tv =0,8
Hiệu suất bộ truyền một cặp ổ lăn η ol =0,99 – 0,995
Hiệu suất bộ truyền đai η d =0,95
Ta có : η ch =η tv η 3 ol η d = 0,8 0,99 3 0,95 = 0,74
Công suất cần thiết của động cơ:
0,74 = 2,65 W Xác định số vòng quay làm việc:
Chọn tỉ số truyền bộ truyền đai thang là: 𝑢 𝑑 = 0,5
Chọn tỉ số truyền bộ truyền động trục vít: 𝑢 𝑣 = 16
Số vòng quay sơ bộ của động cơ n sb = n lv u t = 95,5.8 = 764(v/ph)
Số vòng quay đồng bộ của động cơ:
Chọn động cơ thõa mãn: n db ~n sb = 800(v/ph)
Để lựa chọn động cơ phù hợp, công suất cần đạt tối thiểu là 2,65W và mô-men xoắn phải lớn hơn hoặc bằng 0,091 N.m.
Dựa vào các thông số đã tính ta chọn động cơ step KH56QM2U038
Hình 3.3 Động cơ step KH56QM2U038
Thông số kỹ thuật của động cơ:
+ Loại: Động cơ bước 2 pha
• Lựa chọn drive cho động cơ step
Driver TB6600 là thiết bị điều khiển động cơ bước sử dụng IC TB6600HQ/HG, phù hợp cho các loại động cơ bước 2 phase và 4 phase kích thước 42/57/86 với dòng tải lên đến 4A/42VDC Sản phẩm này nổi bật với chất lượng tốt, độ bền và độ ổn định cao, thường được ứng dụng trong các máy cắt laser và máy CNC.
Hình 3.4 Driver TB6600 cho động cơ Step
+ Điện áp sử dụng: 9~42VDC
+ Dòng cung cấp tối đa cho động cơ: 4A
+ Ngõ vào có cách ly quang tốc độ cao
+ Có tích hợp đo quá dòng quá áp
+ Tín hiệu điều khiển được cách ly tần số cao
+ Tần số xung dịch bước lên tới 15kHz
+ Tương thích với motor 2 phase và 4 phase
+ Tự động giảm dòng điện khi động cơ giữ bước
+ Bảo vệ ngắn mạch, quá dòng, quá áp
3.1.2 Lựa chọn, tính toán động cơ cho vít me trục Y
Dựa vào khả năng chịu tải trọng lớn, yêu cầu độ chính xác cao và độ bền vượt trội, động cơ servo là lựa chọn lý tưởng cho vít me trục Y.
Động cơ servo là một thành phần quan trọng trong hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc, hoạt động như một bộ phận truyền động Thiết bị này còn được gọi là công nghệ Driver Servo, tương tự như driver của máy tính, giúp điều khiển chính xác các chuyển động trong các ứng dụng công nghiệp.
Phân loại động cơ Servo
Nhìn chung động cơ servo có 2 loại chính là: Động cơ DC Servo và động cơ AC Servo
AC servo là động cơ có khả năng xử lý dòng điện cao, thường được ứng dụng trong máy móc công nghiệp, đặc biệt là máy CNC Ngược lại, DC servo không được thiết kế cho dòng điện cao và thường thích hợp hơn cho các ứng dụng nhỏ hơn.
Nhờ sự phát triển vượt bậc công nghệ điều khiển điện nên hiện nay hầu hết người ta đều sử dụng động cơ AC Servo
Động cơ AC Servo, chủ yếu là động cơ một chiều không chổi than, được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp Cấu tạo của động cơ Servo bao gồm hai phần chính là Rotor và Stator, tương tự như động cơ bước.
Rotor là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh
Stator là một cuộn dây được cuốn riêng biệt, được cấp nguồn để làm quay Rotor
Hình 3.5 Cấu tạo của Servo AC o Ưu điểm:
+ Điều khiển có tốc độ tốt, và trơn tru hầu như không giao động Hiệu suất có thể đạt hơn 90%
+ Quá trình vận hành tạo ra ít nhiệt với tốc độ cao Độ chính xác cao (tùy thuộc vào độ chính xác của bộ mã hóa)
+ Mô-men xoắn, quán tính thấp, tiếng ồn thấp o Nhược điểm:
+ Hệ điều chỉnh tốc độ động cơ tương đối phức tạp
+ Giá thành lại khá cao
Phương pháp điều khiển động cơ servo dựa trên hệ thống hồi tiếp vòng kín, trong đó tín hiệu ra của động cơ được kết nối với mạch điều khiển.
Lựa chọn bộ điều khiển
Hình 3.6 Ký hiệu van 5 cửa 2 vị trí
Khi cấp điện cho cuộn dây x, lực từ trường sẽ kéo van về bên trái, khiến cửa P thông với B và A thông với S, từ đó khí nén từ P đến B làm xy lanh di chuyển ra ngoài và cửa R bị khóa Ngược lại, khi cấp điện cho cuộn dây y, nguồn từ cửa P sẽ thông với cửa A và cửa xả B thông với R, làm cho cửa S bị khóa và xy lanh di chuyển về vị trí ban đầu Đây là loại van điều khiển điện, mỗi bên chỉ cần cấp điện để hoạt động và tự giữ cho đến khi có tín hiệu điều khiển từ vị trí khác.
Van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng khí nén, ảnh hưởng đến tốc độ của cơ cấu chấp hành Nguyên lý hoạt động của van này dựa vào việc thay đổi tiết diện, cho phép điều chỉnh lưu lượng dòng chảy Sự thay đổi này được thực hiện thông qua một vít điều chỉnh, giúp thay đổi kích thước của khe hở và từ đó điều chỉnh lưu lượng qua van.
3.3 Lựa chọn bộ điều khiển
Bộ điều khiển logic khả trình S7-1200 cung cấp tính linh hoạt và sức mạnh để điều khiển nhiều thiết bị khác nhau, đáp ứng nhu cầu điều khiển tự động Với thiết kế nhỏ gọn, cấu hình linh hoạt và tập lệnh mạnh mẽ, S7-1200 trở thành giải pháp lý tưởng cho các ứng dụng công nghiệp.
63 trở thành một giải pháp hoàn hảo dành cho việc điều khiển nhiều ứng dụng đa dạng khác nhau
Bằng cách kết hợp bộ vi xử lý, nguồn tích hợp và các mạch ngõ vào, ngõ ra trong một thiết kế nhỏ gọn, CPU của S7-1200 đã tạo ra một PLC mạnh mẽ Sau khi người dùng tải chương trình, CPU sẽ lưu trữ mạch logic cần thiết để giám sát và điều khiển thiết bị trong ứng dụng Nó theo dõi các ngõ vào và điều chỉnh ngõ ra dựa trên logic của chương trình, cho phép thực hiện các hoạt động như logic Boolean, đếm, định thì, phép toán phức tạp và giao tiếp với các thiết bị thông minh khác.
3.3.2 Ứng dụng của bộ lập trình PLC S7-1200 o Ứng dụng trong công nghiệp và dân dụng như:
+ Điều khiển đèn chiếu sáng
+ Điều khiển bơm cao áp
3.3.3 Các module mở rộng (6ES7214-1BG40-0XB0)
Bộ lập trình PLC S7 1200 được thiết kế linh hoạt, cho phép người dùng mở rộng các tính năng thông qua việc lắp thêm các module mở rộng, từ đó nâng cao khả năng sử dụng và mang lại nhiều chức năng đa dạng hơn cho hệ thống.
Module mở rộng của bộ lập trình PLC S7-1200
+ Cổng truyền thông Profinet (Ethernet) được tích hợp sẵn:
Dùng để kết nối máy tính, với màn hình HMI hay truyền thông PLC-PLC
Dùng kết nối với các thiết bị khác có hỗ trợ chuẩn Ethernet mở Đầu nối RJ45 với tính năng tự động chuyển đổi đấu chéo
Hỗ trợ 16 kết nối ethernet
TCP/IP, ISO on TCP, và S7 protocol
+ Các tính năng về đo lường, điều khiển vị trí, điều khiển quá trình:
6 bộ đếm tốc độ cao (high speed counter) dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường, trong đó có 3 bộ đếm 100kHz và 3 bộ đếm 30kHz
2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ và vị trí động cơ bước hay bộ lái servo (servo drive)
Ngõ ra điều rộng xung PWM, điều khiển tốc độ động cơ, vị trí valve, hay điều khiển nhiệt độ…
16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số điểu khiển (auto-tune functionality)
Board tín hiệu mở rộng cho phép mở rộng tín hiệu vào/ra bằng cách gắn trực tiếp phía trước CPU, mà không làm thay đổi kích thước của hệ điều khiển Mỗi CPU có khả năng kết nối tối đa 8 module mở rộng tín hiệu vào/ra.
Ngõ vào analog 0-10V được tích hợp trên CPU
3 module truyền thông có thể kết nối vào CPU mở rộng khả năng truyền thông, vd module RS232 hay RS485
Card nhớ SIMATIC, dùng khi cần rộng bộ nhớ cho CPU, copy chương trình ứng dụng hay khi cập nhật firmware
Chẩn đoán lỗi online / offline
Phần mềm Step7 Basic được sử dụng để lập trình cho S7-1200, hỗ trợ ba ngôn ngữ lập trình: FBD, LAD và SCL Phần mềm này được tích hợp trong TIA Portal 11 của Siemens, mang lại sự tiện lợi cho người dùng.
Hình 3.23 Mô hình giao tiếp
Cấu hình giao tiếp của PLC S7-1200
S7-1200 hỗ trợ kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point)
– Các thiết bị lập trình
– Các bộ điều khiển SIMATIC khác
Hỗ trợ các giao thức kết nối:
Bộ lập trình S7-1200 có thể thực hiện nhiều chức năng chẳng hạn như:
Các chức năng cơ bản của hệ thống bao gồm logic nhị phân, phân bổ kết quả, lưu trữ và đếm dữ liệu, tạo thời gian, tải và truyền thông tin, so sánh giá trị, dịch chuyển và xoay dữ liệu, cũng như tạo phần bổ sung và gọi chương trình con với các biến cục bộ.
+ Các lệnh giao tiếp tích hợp (ví dụ: giao thức USS, Modbus RTU, giao tiếp hoặc Freeport)
Các chức năng thân thiện với người dùng bao gồm điều chế độ rộng xung, chức năng chuỗi xung, và các phép toán số học như số học dấu phẩy động Ngoài ra, hệ thống còn hỗ trợ điều khiển vòng kín PID, chức năng nhảy, chức năng vòng lặp, và chuyển đổi mã, mang lại sự linh hoạt và hiệu quả trong quá trình sử dụng.
+ Các hàm toán học, ví dụ: SIN, COS, TAN, LN, EXP
Chức năng đếm thân thiện với người dùng, kết hợp với bộ đếm tích hợp và các lệnh đặc biệt cho bộ đếm tốc độ cao, mở ra nhiều lĩnh vực ứng dụng mới cho người sử dụng.
Các ngắt kích hoạt theo cạnh, thông qua việc tăng hoặc giảm các cạnh của tín hiệu quy trình trên đầu vào ngắt, giúp cải thiện khả năng phản ứng nhanh chóng với các sự kiện trong quy trình.
+ Ngắt bộ đếm có thể được kích hoạt khi đạt đến điểm đặt hoặc khi hướng đếm thay đổi
+ Ngắt giao tiếp cho phép trao đổi thông tin nhanh chóng và dễ dàng với các thiết bị ngoại vi như máy in hoặc máy đọc mã vạch
