Giới thiệu chung
Lịch sử nghiên cứu
Vào cuối thế kỷ 19, Châu Âu chứng kiến sự bùng nổ của các phát minh máy móc chạy bằng hơi nước Tuy nhiên, việc sản xuất máy pha cà phê bằng áp lực trong thời kỳ này gặp nhiều khó khăn do vật liệu thủy tinh và kim loại không đạt tiêu chuẩn an toàn hiện đại Khi phải chịu áp suất cao, các vụ nổ nghiêm trọng thường xảy ra, khiến quy trình sản xuất trở nên nguy hiểm.
Thiết kế máy pha cà phê Espresso đầu tiên được cấp bằng sáng chế vào năm 1878 bởi Gustav Kessel, một người Đức Mặc dù vậy, thiết bị này chưa bao giờ được đưa ra thị trường.
Hình 1.1: Máy pha cà phê đời đầu
Bằng sáng chế năm 1884 của Angel Moriondo Văn bản tiếng Ý, được dịch sang tiếng anh là: “New steam machinery for the economic and instantaneous confection of coffee beverage method”
Sau sáu năm, một cỗ máy tương tự như thiết kế của Kessel đã được hiện thực hóa bởi doanh nhân người Ý Angelo Moriondo Vào năm 1884, ông đã giới thiệu 'Máy hơi nước thương mại pha cà phê tức thời' tại triển lãm Turin General.
Chiếc máy pha cà phê của Angelo Moriondo sở hữu tính năng sơ khai với các bộ điều khiển riêng biệt cho nước và hơi nước Tính năng này cho phép đo lường và nạp một khối lượng nước vào buồng ủ, sau đó sử dụng hơi nước để đẩy nước ra, hoàn tất quá trình chiết xuất và tạo ra một “puck” cà phê khô.
Thiết bị Moriondo là một máy kiểm soát hơi nước và nước trong hai nồi hơi độc lập, đánh dấu sự ra đời của một trong những đặc trưng quan trọng nhất của máy pha cà phê hiện đại.
Vào cuối thế kỷ 20, các nhà sử học đã không còn liên lạc với Moriondo, và những cỗ máy của ông đã bị lãng quên Moriondo đã giữ bí mật về phát minh của mình, dẫn đến việc không có nguyên mẫu thực sự nào của máy được lưu giữ.
Espresso do Moriondo là một phát minh quan trọng vẫn còn tồn tại cho đến ngày nay Năm 2018, bảo tàng MUMAC đã khởi xướng một dự án đầy tham vọng, ủy thác việc xây dựng một bản sao của máy pha cà phê này dựa trên bằng sáng chế gốc của Moriondo.
Ngày nay, các nhà sử học luôn tranh cãi về việc liệu thiết kế của Moriondo có phải là máy pha cà phê espresso ‘đầu tiên’ hay không
Năm 1901 đánh dấu sự ra đời của máy pha cà phê phục vụ nhanh đầu tiên được sản xuất thương mại, sau hai năm nỗ lực giải quyết các vấn đề kỹ thuật Đây là thành quả của sự hợp tác giữa hai người đàn ông, Luigi Bezzera và Desiderio Pavoni, được ví như Steve Wozniak và Steve Jobs trong ngành cà phê Ý, những người đã biến Espresso thành hiện thực.
Vào năm 1901, Luigi Bezzera ở Milan đã đăng ký bằng sáng chế cho một chiếc máy pha cà phê với nhiều "group heads", cho phép kẹp các bộ lọc chứa cà phê nén Thiết kế này giúp người phục vụ pha chế tách cà phê mới một cách nhanh chóng và rõ ràng, bằng cách sử dụng áp suất hơi nước để đưa nước nóng từ nồi hơi bằng đồng thau qua cà phê nén.
Hình 1.3: Bằng sáng chế của Bezzenra cho máy Espresso – năm 1903
Bằng sáng chế số hiệu US.726.793 A cấp vào ngày 28 tháng 4 năm 1903 cho Luigi Bezzera đã cho ra đời một tách cà phê chỉ trong vài giây
Nhược điểm chính của thiết bị này là nó được đun trực tiếp bằng lửa Mặc dù Bezzera đã thành công trong việc chế tạo máy, nhưng ông cũng như nhiều nhà phát minh khác lại thiếu kỹ năng kinh doanh cần thiết để thương mại hóa sản phẩm của mình.
Năm 1903, Desiderio Pavoni đã đề xuất trả 10.000 lira Ý cho Bezzera để có quyền thương mại bằng sáng chế cho cỗ máy pha cà phê Nhận thấy tiềm năng của sản phẩm, cả hai đã hợp tác thực hiện dự án, trong đó Pavoni không chỉ đóng vai trò là nhà tiếp thị mà còn đề xuất một số điều chỉnh cho thiết kế của Bezzera, bao gồm van xã áp để bảo vệ barista và “đũa hơi” để đánh bọt sữa cho Cappuccino Họ gọi loại cà phê được pha chế bằng máy này là “caffé Espresso” vì tốc độ pha chế nhanh chóng Chiếc máy hoàn thành và ra mắt công chúng tại Hội chợ Milan năm 1906 với tên thương mại “Ideale”.
Máy pha cà phê Ideale có tốc độ nhanh nhưng chỉ tạo ra áp suất 1,5 bar, khiến quá trình pha chế kéo dài khoảng một phút Mặc dù thời gian này được coi là nhanh vào thời điểm đó, nhưng nó dẫn đến cà phê có mùi cháy và vị đắng gắt Do áp suất không đủ, Espresso không tạo ra lớp crema như hiện nay Ngoài ra, Ideale chỉ sử dụng 14 gram cà phê xay cho mỗi lần pha.
Hình 1.4: Máy Espresso La Pavoni Ideale
Sau hội chợ Milan, máy pha cà phê Espresso bắt đầu phổ biến khắp Italy, với chiếc máy tiện dụng đầu tiên của Bezzera trở thành những món đồ trang trí mạ vàng sang trọng Tuy nhiên, việc đầu tư vào máy pha cà phê Espresso Ideale rất đắt đỏ, dẫn đến việc chỉ những quán cà phê nổi tiếng ở các thành phố lớn châu Âu mới sở hữu Điều này đồng nghĩa với việc chỉ những người “khá giả” mới có cơ hội thưởng thức cà phê Espresso.
Máy pha cà phê Espresso “đời đầu” có thiết kế đơn giản nhưng vẫn mang tính thẩm mỹ cao, thể hiện rõ nét phong trào Art Nouveau, hay còn gọi là Liberty tại Ý Những chiếc máy này thường được trang trí với các đường cong tinh tế, lấy cảm hứng từ hình dáng thực vật, tạo nên vẻ đẹp độc đáo và cuốn hút.
Trong 40 năm sau đó, thiết kế của Pavoni và Bezzerra vẫn không thay đổi Các công ty khác bắt đầu sản xuất các máy chạy bằng hơi nước tương tự, nhưng rất ít người đưa Espresso rời khỏi biên giới Ý, chúng không phổ biến như bạn tưởng tượng Phải cần tới xuất hiện của chuyên gia cà phê Pier Teresio Arduino để thực hiện điều đó Arduino bắt đầu phát triển máy pha cà phê của riêng mình cùng thời với Bezzera và Pavoni, nhưng đóng góp của ông trong việc tiếp thị cà phê Espresso nhiều hơn là sự phát triển của máy
Các vấn đề đặt ra
Để giải quyết đề tài nhóm nghiên cứu cần giải quyết một số vấn đề như sau:
- Hệ thống đảm bảo kết cấu hợp lý, vững chắc và hiệu quả kinh tế
- Thiết kế lắp đặt một hệ thống cơ khí có vật liệu đủ bền, dễ dàng kiểm tra
- Bảo dưỡng và thay thế các thiết bị Hệ thống cơ khí hoạt động ổn định, chính xác, đảm bảo tính an toàn khi sử dụng
- Các hệ thống truyền động đáp ứng các yếu tố quan trọng cho hệ thống như: Tốc độ quay đĩa, tốc độ cấp nguyên liệu , tốc độ chiết rót
Hệ thống điện, điện tử
- Đảm bảo các sai số trong phạm vi cho phép
- Đảm bảo hoạt động ổn định khi có yêu cầu thay đổi yêu cầu công việc
- Đảm bảo an toàn về điện đối với người sử dụng, vận hành hệ thống
- Giao diện app đơn giản, thân thiện với người dùng
- Hệ thống hoạt động chính xác, trong quá trình hoạt động ít xảy ra lỗi
- Giám sát được quá trình hoạt động của hệ thống thông qua máy tính.
Phương pháp nghiên cứu
1.3.1 Phương pháp nghiên cứu lí thuyết
Dựa vào kiến thức từ các môn học như Cơ sở hệ thống tự động, Hệ thống tự động thủy khí và sức bền, bạn có thể tìm hiểu thêm thông qua internet, sách vở và tham khảo ý kiến từ bạn bè cũng như thầy cô.
• Tìm hiểu những hệ thống máy pha chế phổ biến để học hỏi cách thiết kế chi tiết, cấu tạo tối ưu nhất có thể
• Áp dụng những phương pháp thiết kế, tính toán, phân tích, xử lí số liệu để xây dựng mô hình phù hợp với đề tài
• Xây dựng sơ đồ khối và tìm hiểu nguyên lí hoạt động của hệ thống
• Xây dựng quy trình hoạt động dựa trên nguyên lí đã tìm hiểu
1.3.2 Phương pháp mô hình hoá mô phỏng
• Từ phương pháp nghiên cứu lí thuyết , nghiên cứu đưa ra mô hình hóa của hệ thống
• Sử dụng phần mềm mô phỏng sơ đồ nối dây tương tác với hệ thống điều khiển
• Sử dụng phần mềm mô phỏng hệ thống cơ khí để thiết kế mô phỏng chế tạo phần cơ khí
• Sử dụng phần mềm xây dựng chương trình điều khiển tương tác với phần mềm mô phỏng trước đó.
Dự kiến kết quả đạt được
• Hoàn thành quyển báo cáo nghiên cứu, thiết kế Máy Pha Chế Tự Động
• Các bộ bản vẽ chế tạo cơ khí, bản vẽ sơ đồ nguyên lý, sơ đồ đi dây hệ thống điều khiển
• Chương trình điều khiển, lưu đồ thuật toán hệ thống điều khiển
• Thiết kế chế tạo mô hình sản phẩm.
Cơ sở lí thuyết
Tổng quan về máy pha chế tự động
Máy pha chế tự động là thiết bị điện tử tiện lợi, giúp pha chế đồ uống một cách nhanh chóng và hiệu quả Thiết bị này ngày càng phổ biến tại các quán cà phê, nhà hàng và văn phòng, đáp ứng nhu cầu của những khách hàng bận rộn Nhờ máy pha chế tự động, khách hàng không còn phải chờ đợi lâu để được phục vụ, mà vẫn có thể thưởng thức những ly nước uống thơm ngon, giúp khởi đầu ngày mới tràn đầy năng lượng Sản phẩm này không chỉ tiết kiệm thời gian mà còn giảm bớt công sức cho con người.
2.1.2 Các loại máy pha chế tự động hiện có trên thị trường
Máy pha cafe siêu tự động
Hình 2.1: Máy pha cà phê siêu tự động DeLonghi ESAM3300
Máy pha chế bán hàng tự động VUFOOD
Máy bán hàng tự động Vufood được trang bị hệ thống quản lý thông minh hiện đại, cho phép người dùng kiểm tra tình trạng hoạt động hàng ngày Nhờ công nghệ I.O.T, khách hàng có thể cập nhật và kiểm soát doanh thu hàng ngày tại từng điểm đặt máy một cách kịp thời.
Hình 2.2: Máy bán đồ uống pha chế tự động Vufood
Nguyên lí hoạt động máy pha chế tự động
Người dùng có thể gửi lệnh pha chế đồ uống thông qua ứng dụng trên điện thoại kết nối Bluetooth với module HC-05, từ đó điều khiển máy hoạt động hiệu quả.
Khi Arduino nhận tín hiệu điều khiển, cơ cấu cấp cốc sẽ hoạt động, đưa cốc xuống bàn xoay Sau khi cốc được đặt trên bàn xoay, động cơ bước phía dưới sẽ quay 90 độ, đưa cốc đến vị trí cấp nguyên liệu.
Cảm biến hồng ngoại được lắp đặt tại vị trí cấp nguyên liệu để đảm bảo quá trình tự động hóa Khi phát hiện có cốc ở dưới, Arduino sẽ xử lý tín hiệu để bật hoặc tắt relay, giúp điều khiển việc cấp nguyên liệu một cách chính xác và hiệu quả.
Thành phẩm điều khiển động cơ bước (được gắn ở lắp khay đựng nguyên liệu rắn) quay góc
Quá trình cấp nguyên liệu bắt đầu bằng việc mở nắp 180 độ và cho nguyên liệu rắn vào cốc Sau khi hoàn tất việc cấp nguyên liệu, nắp sẽ được đóng lại bằng cách quay 180 độ và điều khiển relay để bơm nguyên liệu lỏng từ các bình vào cốc Lượng nguyên liệu bơm vào sẽ thay đổi tùy thuộc vào loại thức uống cần chế biến.
Sau khi cung cấp nguyên liệu lỏng, Arduino điều khiển động cơ bước quay 90 độ để đưa cốc vào vị trí khuấy Cơ cấu tay quay con trượt chuyển đổi chuyển động quay của động cơ thành chuyển động tịnh tiến, hạ motor khuấy xuống Sau khi khuấy xong, motor quay trở lại vị trí ban đầu.
❖ Kết quả: Sau khi khuấy xong động cơ bước 1 lần nữa quay thêm 1 góc
90 độ đưa ra thành phẩm đến tay người dùng
❖ Máy có các thông số cơ bản sau:
+ Thời gian pha một ly từ khoảng 60s
+ Máy cho ra 3 loại đồ uống tùy vào người yêu cầu.
Các thành phần của máy
✓ Cơ cấu cấp nguyên liệu
✓ Cơ cấu nâng hạ động cơ khuấy
Các phương pháp di chuyển ly đến các cơ cấu:
Các bộ phận được sắp xếp dọc theo băng tải chuyển động, trong đó động cơ xoay sẽ kéo băng tải và ly chuyển động tịnh tiến đến các vị trí đã được xác định trước.
Hình 2.3: Hệ thống cấp ly sử dụng băng tải
• Ưu điểm: vận chuyển được xa, momen kéo lớn…
• Nhược điểm: cơ cấu rườm rà, chiếm nhiều diện tích, khi khuấy thì ly cà phê có thể bị văng ra xa do không có bộ phận giữ ly…
Hình 2.4: Hệ thống cấp ly sử dụng tay quay
Các bộ phận được đặt xung quanh trục quay, trục quay mang tay quay chuyển động tròn đến các bộ phận cung cấp và hoạt động
• Ưu điểm: Thuận tiện việc lắp ráp sữa chữa…
• Nhược điểm: Momen xoắn lớn,khó điều khiển chính xác vị trí khi tay quay lớn, chiếm diện tích…
Các bộ phận được đặt xung quanh thanh đẩy, thanh đẩy chuyển động tịnh tiến đẩy cốc rơi xuống
• Ưu điểm: thiết kế đơn giản, nhỏ gọn dễ dàng sử dụng
• Nhược điểm: yêu cầu sự chuẩn xác ccao
Hình 2.5: Hệ thống cấp ly sử dụng thanh đẩy
Kết luận: vì thiết kế máy nhỏ gọn, không gian hẹp Ly nhựa nhẹ, momen thấp nên nhóm đề tài chọn cơ cấu cấp cốc bằng thanh đẩy
2.3.2 Cơ cấu cấp nguyên liệu
Cơ cấu cấp nguyên liệu gồm 2 cơ cấu nhỏ là:
• Cơ cấu cấp nguyên liệu rắn
• Cơ cấu cấp nguyên liệu lỏng a) Cơ cấu cấp nguyên liệu rắn
Các cơ cấu cấp nguyên liệu rắn thường dùng trong công nghiệp:
Hình 2.6: Cơ cấu cấp nguyên liệu trong công nghiệp
Sử dụng van đóng mở : Đóng ngắt trong một thời gian nhất định để nguyên liệu chảy xuống với một lượng mong muốn
• Ưu điểm: Dễ gá đặt lắp ráp, sử dụng cho vật liệu khô dạng hạt hoặc dạng bột
• Nhược điểm: Định khối lượng khác nhau trong cùng một thời gian chảy do nguyên liệu không đi qua cùng lúc
Sử dụng thiết bị đong đếm có cùng 1 thể tích: múc từng lượng nhỏ với 1 thể tích xác định
• Ưu điểm: khối lượng của các nguyên liệu các lần cấp khác nhau tương đối chính xác, ít thay đổi theo thời gian
• Nhược điểm: cơ cấu hoạt động khó khăn, phức tạp
Sử dụng trục soắn vít:
Hình 2.7: Cơ cấu cấp liệu sử dụng trục xoắn vít
Vít tải sử dụng chuyển động xoắn để vận chuyển nguyên liệu từ hộp chứa đến đầu ra, giúp kiểm soát lượng nguyên liệu một cách dễ dàng và nâng cao hiệu quả làm việc.
Kết luận: Do yêu cầu cung cấp nguyên liệu nhanh chóng, nhóm đề tài đã lựa chọn cơ cấu cấp nguyên liệu rắn bằng van đóng mở Đối với việc cấp nguyên liệu lỏng, phương pháp đơn giản nhất để đưa nước từ vị trí thấp lên cao và chảy xuống cốc là sử dụng bơm.
Ta dùng loại bơm chìm để bơm nguyên liệu lỏng vì bơm chìm không cẩn phải mồi
2.3.3 Cơ cấu nâng hạ động cơ khuấy
Cơ cấu nâng hạ thủy lực
Cơ cấu nâng hạ thủy lực hiện đang được sử dụng phổ biến trong các thiết bị vận chuyển và nâng hạ hàng hóa nặng tại các cảng xuất nhập khẩu và xưởng sản xuất.
Cơ cấu này được ứng dụng rộng rãi trong các loại máy móc công trình như máy múc, xe cẩu và máy đào nhờ vào ưu thế về cấu tạo và nguyên lý làm việc đơn giản.
Cơ cấu nâng hạ thủy lực là gì?
Cơ cấu nâng hạ thủy lực là hệ thống chuyển động và truyền lực thông qua chất lỏng trong không gian kín Trong môi trường thủy lực khép kín, năng lượng được truyền tải bằng cách đẩy chất lỏng, tạo ra lực nâng hiệu quả.
Trong hệ thống nâng hạ thủy lực, dầu được sử dụng không chỉ để bôi trơn các bề mặt tiếp xúc mà còn làm môi chất truyền lực Dầu thủy lực sẽ được tuần hoàn trong một hệ thống kín nhờ vào bơm dầu và các cơ cấu điều khiển.
Hình 2.9: Cơ cấu nâng hạ thuỷ lực
Cấu tạo cơ bản của hệ thống nâng hạ thủy lực:
Cơ cấu nâng thủy lực bao gồm các thành phần chính như van an toàn, van phân phối, động cơ nhiệt, bơm thủy lực, van một chiều song song, quạt mát, lọc dầu, xi lanh thủy lực thay đổi góc nghiêng, xi lanh điều khiển quá trình nâng hạ và hộp số Những yếu tố này phối hợp chặt chẽ để đảm bảo hiệu suất và an toàn trong quá trình nâng hạ.
- Động cơ thủy lực là cơ cấu chấp hành chính Nó có nhiệm vụ là biến đổi động năng thành cơ năng và thực hiện chuyển động tịnh tiến
Hệ thống xi lanh đóng vai trò quan trọng trong cơ cấu nâng hạ, với hai loại phổ biến là xi lanh tác dụng đơn và xi lanh tác dụng kép Trong số đó, xi lanh tác dụng kép được sử dụng rộng rãi hơn cả.
Van phân phối là thiết bị quan trọng trong hệ thống thủy lực, có chức năng điều khiển quá trình di chuyển và nâng hạ của cơ cấu Nó cho phép thay đổi hướng dòng chảy tại các nút của đường ống, đảm bảo rằng dòng chảy chỉ diễn ra trên một đường ống nhất định Nhờ vào van phân phối, cơ cấu nâng hạ thủy lực hoạt động ổn định và di chuyển một cách dễ dàng theo quy định của nhà sản xuất.
Van phân phối trong hệ thống nâng hạ thủy lực là loại van tỷ lệ, hay còn gọi là van điều khiển vô số cấp Cấu tạo của van này bao gồm ba phần chính: thân van, nam châm điện và con trượt.
- Cơ cấu phân phối, cơ cấu này chính là nơi tập trung đa số các đầu nút trong các đường ống lưu thông chất lỏng
Hình 2.10: Xy lanh thuỷ lực
Cơ cấu nâng hạ bằng trục vít me
Trục hành trình vít là một thành phần quan trọng trong hộp số, giúp di chuyển lên hoặc xuống thông qua chuyển động tịnh tiến Trong quá trình hoạt động, trục vít hành trình sẽ thay đổi vị trí để thực hiện chức năng nâng hạ Đầu trục vít hành trình được phân loại thành bốn loại chính: mặt bích, hình trụ, đầu phẳng và ren, mỗi loại có ứng dụng riêng trong các hệ thống cơ khí.
Loại 2 của cơ cấu nâng hạ sử dụng thanh vít chuyển động quay, giúp đai ốc di chuyển theo trục Khi trục hành trình quay, đai ốc sẽ dịch chuyển lên hoặc xuống Đầu trục vít hành trình có hai kiểu thiết kế: kiểu lưới ren và kiểu trụ, mỗi loại đều có những đặc điểm riêng biệt Cơ cấu nâng hạ bằng vít me mang lại hiệu quả cao trong quá trình hoạt động.
Cơ cấu nâng hạ bằng vít me có các đặc điểm nổi bật như:
• Có độ chính xác truyền động cao, có tỷ số truyền động lớn
• Sở hữu khả năng truyền động êm
• Có khả năng tự hãm
• Tạo ra lực truyền lớn
• Với những vít me có số vòng quay hoặc bước ren lớn có thể tạo ra chuyện động nhanh
• Lực tác động của cơ cấu nâng hạ vít me tác động theo 2 chiều lên và xuống Lực tác động ở 2 chiều thường sẽ bằng nhau
Cơ cấu tay quay con trượt
Cơ cấu tay quay con trượt là biến thể của cơ cấu 4 khẩu bản lề phẳng, gồm
4 khâu được nối động với nhau bằng 4 khớp
Khi tay quay 1 xoay quanh trục A, đầu B của thanh truyền tạo ra chuyển động tròn, dẫn đến việc con trượt 3 di chuyển tịnh tiến qua lại trên giá đỡ 4 Nhờ cơ chế này, chuyển động quay của tay quay được chuyển đổi thành chuyển động tịnh tiến qua lại của con trượt.
Cơ cấu tay quay con trượt là một dạng cơ cấu phẳng phổ biến trong kỹ thuật, với tâm sai là khoảng cách từ tâm quay của tay quay đến quỹ đạo của tâm khớp quay trên con trượt Khi tâm sai e > 0, cơ cấu trở thành tay quay con trượt lệch tâm; ngược lại, khi e = 0, nó là chính tâm Cơ cấu này thường được sử dụng để chuyển đổi giữa chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay.
Hình 2.11: Cơ cấu tay quay con trượt
Kết luận: chọn cơ cấu tay quay con trượt để nâng hạ động cơ khuấy do có thiết kế đơn giản phù hợp với thiết kế của máy
2.3.4 Hệ thống điện, điều khiển a) Hệ thống điện
Điều khiển máy pha chế tự động
Để điều khiển được máy pha chế tự động nhóm em sử dụng module blutooth HC-05 kết nối với app được cài đặt sẵn trên điện thoại
Người dùng có thể điều khiển phần cứng của máy thông qua ứng dụng trên hệ điều hành Android Ứng dụng cung cấp 3 công thức pha chế đồ uống sẵn có, đồng thời cho phép người dùng sáng tạo đồ uống riêng bằng cách điều chỉnh tỷ lệ nguyên liệu khác nhau.
Giao diện ứng dụng Android của máy pha chế tự động được thiết kế đơn giản, giúp tiết kiệm điện năng và bộ nhớ cho điện thoại Màn hình chức năng hiển thị trạng thái hoạt động và có 3 nút bấm cho phép người dùng chọn loại đồ uống yêu thích Tỷ lệ phần trăm các nguyên liệu trong các loại đồ uống khác nhau được xác định dựa trên tỷ lệ thời gian.
Hình 2.18:Thiết kế giao diện điều khiển trên điện thoại
❖ Lập trình app trên Mit app Inventer
Sau khi tạo dự án mới, trình duyệt sẽ chuyển đến cửa sổ làm việc với hai chế độ: chế độ designer cho phép người dùng thiết kế giao diện ứng dụng bằng cách kéo thả các thành phần như nút nhấn và hình ảnh, trong khi chế độ Blocks cho phép lập trình hành vi của ứng dụng, ví dụ như hiển thị thông báo khi người dùng nhấn nút Sau khi hoàn tất thiết kế giao diện, người dùng sẽ chuyển sang chế độ Blocks để lập trình các hành động cho ứng dụng.
• Code lập trình trên Mit App Inventer
Hình 2.19: Lập trình trên Mit app Inventer
Hình 2.20: Lập trình trên Mit App Inventer
Hình 2.21: Lập trình trên Mit App Inventer
Tính toán thiết kế hệ thống
Thiết kế hệ thống cơ khí
3.1.1 Sơ đồ khối cấu trúc hệ thống
Hệ thống được chia thành ba khu vực làm việc chính: khu vực cấp cốc, khu vực cấp nguyên liệu và khu vực khuấy Bên cạnh đó, còn có các hệ thống phụ trợ như con lăn và tay quay con trượt, hỗ trợ cho quá trình làm việc hiệu quả hơn.
Hệ thống hoạt động theo trình tự sau: cốc được cấp vào sẽ được bàn xoay đưa đến các vị trí đã định sẵn Đầu tiên, cốc di chuyển tới vị trí cấp nguyên liệu lỏng và rắn, nơi nguyên liệu đã được định lượng trước đó sẽ được đưa vào cốc Tiếp theo, cốc sẽ di chuyển tới vị trí khuấy, và sau khi quá trình khuấy hoàn tất, cốc sẽ được chuyển đến vị trí phục vụ, kết thúc một chu trình hoạt động.
Hình 3.1: Hệ thống sau khi lắp đặt hoàn chỉnh
Cơ cấu cấp phát cốc tự động sử dụng 2 thanh để chen vào giữa các khe cốc, giúp tách các cốc nhựa ra với nhau và chỉ đưa một cốc ra khỏi ống chứa mỗi lần Quá trình này đòi hỏi sự chính xác cao để 2 trục có thể cùng vào một khe cốc, đảm bảo tách cốc một cách chính xác và hiệu quả.
Hình 3.2: Cơ cấu cấp cốc
Bộ phận cấp cốc bao gồm động cơ và trục lấy cốc, trong đó lực tác dụng chủ yếu lên trục lấy cốc là khối lượng của chồng cốc Để tách cốc ra khỏi nhau, lực đẩy từ động cơ cần phải lớn hơn lực ma sát giữa các cốc.
Kích thước cốc cấp cho máy: chọn cốc nhựa dùng 1 lần
- Chu vi miệng lớn 7.5 cm
- Cao 9cm, miệng nhỏ 6.8 cm
- Khe hở nhỏ nhất của 2 ly chồng nhau = 4mm
- Khối lượng ly khoảng 10 gam=0.01kg a) Thiết kế trục, tai giữ và lấy ly
Khoảng cách 2 tai : 6.5 < tai < 7 cm để có thể để vừa cốc và không bị rớt cốc ta chọn khoảng cách 6.8 cm
Hình 3.3: Kích thước cốc sử dụng
Biên dạng hình học bao gồm hai thanh thẳng song song để giữ và một biên dạng hình cong để nhả phôi Độ dày của tai phải được chọn là 3.1 mm, nhỏ hơn 4 mm, nhằm đảm bảo có thể lấy từng cốc một cách dễ dàng.
Hệ thống ly ta cho phép cấp khoảng 20 cốc
Khối lượng tổng của cốc là : 20 x 0.01 =0.2kg
Trọng lượng tác dụng 1 bên thành là: 0.2 x 0.5 = 0.1 kg
Chọn vật liệu cho thiết kế là rất quan trọng; với cơ cấu chịu lực nhẹ có hình dạng chữ U, cần sử dụng vật liệu cứng nhưng nhẹ, vì vậy nhôm là sự lựa chọn tối ưu Tiếp theo, việc tính toán bộ truyền cũng cần được thực hiện để đảm bảo hiệu suất và độ bền của sản phẩm.
Hệ thống cấp cốc hoạt động bằng cách trượt trên hai thanh trượt song song, di chuyển từ vị trí giữ cốc đến vị trí nhả cốc Để thực hiện điều này, nhóm đã quyết định sử dụng cơ cấu tay quay con trượt, giúp chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến hiệu quả.
Hình 3.5: mô phỏng hoạt động trên Geogebra classic
Quãng đường cần di chuyển để trượt từ vị trí nhả đến vị trí lúc đầu là 60mm Từ đó ta có những thông số sau:
Tay quay quay trong bán kính 30mm
Thanh truyền khoảng cách 100mm
Khoảng cách từ tay quay ở vị trí góc bằng 90 độ khoảng cách tâm quay đến tâm con trượt là 95mm
Cơ cấu sẽ được thiết kế bằng nhựa hoặc mika để cơ cấu nhẹ hơn bề mặt trơn ma sát sẽ nhỏ hơn c) Chọn động cơ
Khi ly tác dụng lên thành tai sẽ tạo 1 momen lên 2 trục Để chống hiện tượng xoay ta chọn động cơ có tính hãm
Trọng lượng tác dụng lên thành 0.25kg
Lực ma sát trượt tạo bởi thanh dẫn hướng với bộ phận cấp cốc:
𝜇: hệ số ma sát trượt của nhựa là 0.08
Tổng lực tác dụng lên là : Ft= 0.1+0,23=0,33 (N)
Vậy momen hãm cần có trên trục là: 0,25x10 x 0,004 = 0,01 N.m
(với 0.004 là khoảng cách tai đến trục) Ta chọn Động cơ 28BYJ-498 phù hợp với thông số tính toán
Hình 3.6: chọn Động cơ 28BYJ-498
Thông số động cơ : Mômen xoắn 34N/m
Nó là một động cơ bước có các đặc điểm sau:
• Loại: động cơ bước hoặc bước đơn cực
• Giai đoạn: 4 (bước đầy đủ), vì có 4 cuộn dây bên trong
Mô-men xoắn động cơ đạt 34N/m, tương đương với lực 0.34 kg/cm tác động lên trục Lực này đủ mạnh để nâng một ròng rọc nặng hơn một phần tư kg.
• Số bước mỗi vòng: 8 của loại nửa bước (mỗi bước 45º)
Hộp số tích hợp 1/64 chia mỗi bước thành 64 bước nhỏ, mang lại độ chính xác cao với 512 bước 0.7º mỗi bước, tương đương với 256 bước đầy đủ cho mỗi vòng Để điều khiển động cơ này, cần sử dụng mạch đệm ULN2003, nổi bật với tính năng nhỏ gọn và sẵn có, phù hợp cho người mới bắt đầu tìm hiểu về động cơ bước, giúp họ hiểu rõ hơn về cấu tạo và phương thức điều khiển của động cơ.
• Điện áp cung cấp: 5 ~ 12VDC
• Tín hiệu ngõ vào: 4 chân in1, in2, in3, in4
• Tìn hiệu ngõ ra: Jack cắm động cơ bước 28BYJ-48
• 4 led hiển thị trạng thái hoạt động của động cơ
3.1.3 Cơ cấu quay cấp nguyên liệu
Nguyên liệu rắn dễ bị ẩm mốc và khó bảo quản, do đó, việc bảo quản không đúng cách sẽ làm giảm thời gian sử dụng và chất lượng sản phẩm Để máy hoạt động hiệu quả hơn, cần thiết kế và chế tạo cơ cấu cấp bột một cách khoa học và chính xác.
Cấu tạo gồm: Lắp, khay đựng nguyên liệu, lắp xả nguyên liệu, động cơ bước
Người dùng cung cấp nguyên liệu vào khay chứa, trong khi một servo gắn vào trục lắp xả nguyên liệu điều khiển việc đóng mở lắp xả thông qua relay.
Động cơ bước được lắp đặt với hệ thống xả nguyên liệu rắn, nơi trọng lượng của nguyên liệu ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của động cơ Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, momen của động cơ cần phải lớn hơn lực tác động từ nguyên liệu.
Giả sử: trọng lượng của nguyên liệu là m=1kg
Bán kính lắp xả nguyên liệu: r
=> áp lực tác dụng lên lắp xả là:
𝑃 = 𝐹 𝑆 (3-3) o P: áp xuất o S: diện tích mặt chịu lực o F: lực ép lên diện tích chịu lực
𝑃 = 𝐹 𝑆 = 9,8 𝜋 0,03 2 = 0,028 (𝑁/𝑚 2 ) Momen quay của động cơ:
𝑀 = 𝐹 𝑑 (3-4) o M: momen lực (N/m) o F: lực tác dụng (N) o d: khoảng cách tâm quay đến giá của lực
Ta chọn Động cơ 28BYJ-498 có thông số :
❖ Cấp nguyên liệu lỏng Để cấp được nguyên liệu lỏng ta sử dụng bơm mini bơm nguyên liệu từ các bình chứa vào cốc
• Điện áp sử dụng: 3~5VDC
• Dòng điện sử dụng: 100~200mA
• Đường kính ngoài ống dẫn: 7.5mm
Thời gian để bơm chất lỏng vào cốc là:
T: thời gian để bơm đầy chất lỏng vào cốc (s)
V: thể tích của cốc (ml)
Q: lưu lượng của bơm (ml/s)
Do sử dụng cốc có dung tích là 200 ml, ta có thời gian để bơm được 70% dung tích cốc tại 5VDC là:
1600 = 5,25(𝑠) Thời gian để bơm đủ chất lỏng tại 3VDC là:
6, giá giữ bộ phân khuấy
Cấu tạo gồm 2 bộ phận chính là: Cơ cấu tay quay-con trượt và motor khuấy
Cơ cấu tay quay con trượt bao gồm một bàn xoay quanh trục cố định và một con trượt di chuyển trên giá đỡ Thiết kế này cho phép chuyển đổi chuyển động quay thành chuyển động tịnh tiến, giúp motor khuấy có khả năng nâng lên hoặc hạ xuống theo ý muốn.
Motor khuấy được kết nối với một đầu của con trượt, và khi con trượt di chuyển xuống, motor khuấy sẽ thực hiện nhiệm vụ hòa tan nguyên liệu trong cốc Động cơ đầu khuấy đóng vai trò quan trọng trong quá trình này.
Hình 3.10: Đầu khuấy nối với động cơ
Để kết nối giữa đầu khuấy và động cơ, cần đảm bảo đầu khuấy quay với tốc độ chậm và momen không quá lớn nhằm tránh làm cà phê văng ra ngoài Để thiết kế cơ cấu đơn giản và gọn nhẹ, ta có thể gá động cơ khuấy với đầu khuấy thông qua khớp nối, với tỷ số truyền là 1:1 Chúng ta nên lựa chọn động cơ vàng gắn sẵn giảm tốc với các thông số phù hợp.
• Tốc độ: 125 vòng/phút tại 3VDC, 208 vòng/phút tại 5VDC
Bộ phận di chuyển đầu khuấy:
Xây dựng thuật toán điều khiển
Thiết kế sơ đồ điện của hệ thống
Hình 3.14: Sơ đồ mạch điện của hệ thống
Hệ thống điện của Máy pha chế tự động được chia thành các mục nhỏ gồm:
- Khối đầu vào: cảm biến, relay, module HC-05
- Khối đầu ra: động cơ bước, động cơ DC, bơm nước
Hình 3.15: Lưu đồ thuật toán hệ thống
Sơ đồ khối hệ thống
Hình 3.16: sơ đồ khối hệ thống
Hệ thống gồm các bộ phận:
2) Cơ cấu cấp liệu rắn
3) Cơ cấu cấp nguyên liệu lỏng
Thiết kế hệ thống điện- điện tử cho hệ thống
3.3.1 Tổng quan về hệ thống điện
Hình 3.17: Tổng quát hệ thống điện
Hệ thống điện của Máy pha chế tự động được chia thành các mục nhỏ gồm:
- Khối đầu vào: cảm biến, relay, module HC-05
- Khối đầu ra: động cơ bước, động cơ DC, bơm nước
3.3.2 Hệ thống điện đầu vào
❖ Đấu nối module HC-05 với Arduino Để kết nối điều khiển được arduino thông qua điện thoại ta cần dùng modul blutooth HC-05
Modul HC-05 gồm 3 chấn: VCC, GND và chân out kết nối với 3 chân Arduino 5v, GND và chân 4 của arduino
Hình 3.18: Sơ đồ nối chân của arduino với HC-05
❖ Đấu nối cảm biến với arduino
Hệ thống cảm biến hồng ngoại là thiết bị điện tử có khả năng đo lường và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh, giúp tối ưu hóa việc giám sát và kiểm soát không gian.
Mô-đun cảm biến IR rất nhạy, đặc biệt khi ngưỡng được điều chỉnh lên trên 15 cm, có thể gây ra tín hiệu giả hoặc nhiễu điện Để đảm bảo hoạt động hiệu quả, cần kiểm tra cáp kết nối thật chặt và lắp đặt mô-đun ở vị trí không có chuyển động tác động lên cảm biến.
Cảm biến hồng ngoại gồm 6 chân: key, VCC, GND, TXD, RXD, Stato Nhưng ta chỉ dùng 4 chân kết nối với arduino: VCC-5v, GND-GND, TXD-TXD, RXD-RXD
Hình 3.19: Sơ đồ nối dây cảm biến với Arduino
Hệ thống điện đầu ra
Để đấu nối động cơ bước 28BYJ-48, cần sử dụng driver ULN2003 để điều khiển Động cơ này có 5 dây cần được kết nối trực tiếp với 5 chân của driver Để cung cấp xung điều khiển cho động cơ, cần cấp nguồn 12V cho driver và nguồn 9V cho Arduino.
Hình 3.20: Sơ đồ nối dây của động cơ bước
❖ Đấu nối bơm và động cơ khuấy Để kết nối bơm và động cơ khuấy với arduino ta cần thông qua module Relay 5v để điều khiển bơm
• Gồm 4 relay, điện áp hoạt động 5v điều khiển đầu ra tối đa 220VAC/10A và 30VDC/10A Đầu vào IN1, IN2, IN3, IN4 nhận tín hiệu cực thấp
• Mạch điều khiển relay 4 kênh này sử dụng chân kích mức Thấp (0V): khi có tín hiệu 0V vào chân IN thì relay sẽ nhảy qua thường Mở của
• Kích thước: 76mm (chiều dài) * 56mm (chiều rộng) * 18.5mm (H)
• Có 4 lỗ để bắt vít cố định có đường kính 3.1mm, dễ dàng lắp đặt trong hệ thống mạch
• Opto cách li, chống nhiễu tốt
• Có đèn báo đóng ngắt trên Relay
• Sử dụng điện áp nuôi DC 5V
• Đầu ra điện thê đóng ngắt tối đa: DC 30V / 10A, AC 250V / 10A
• IN1…IN4: tín hiệu đầu vào, hoạt động mức thấp
Để bơm và động cơ khuấy hoạt động, cần cấp nguồn 5V cho công tắc thường mở NO1 đến NO4 Nguồn vào được kết nối với khối relay, trong khi đầu ra nối với bơm và động cơ Các chân tín hiệu của relay được kết nối với chân 5, 6, 7, 8 của Arduino.
Hình 3.22:Sơ đồ nối dây của bơm và động cơ
