thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị phân loại sản phẩm tự động cho dây chuyền sản xuất công nghiệp

TỔNG QUAN VỀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG

Lịch sử nghiên cứu

Hiện nay, điều khiển tự động đóng vai trò quan trọng trong các lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý và công nghiệp tự động hóa Xu hướng tự động hóa trong sản xuất sản phẩm giúp đảm bảo quy trình sản xuất ổn định và nhanh chóng Một trong những khâu tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là phân loại sản phẩm theo chiều cao.

Hệ thống phân loại sản phẩm đã có lịch sử phát triển từ cuối thế kỷ 17 với những dây chuyền thô sơ chỉ sử dụng băng tải cho việc vận chuyển ngắn Đến đầu thế kỷ 19, sự ra đời của động cơ từ vương quốc Anh đã mở ra một kỷ nguyên mới, mặc dù con người vẫn phải thao tác nhiều để hệ thống hoạt động hiệu quả Nhằm tự động hóa hoàn toàn, các cảm biến và vi điều khiển đã được phát triển và lắp ráp vào hệ thống Năm 1930, bộ điều khiển phản hồi được giới thiệu, và vào năm 1947, sự thành lập bộ phận tự động hóa của Ford đã đánh dấu bước tiến quan trọng trong ngành tự động hóa và hệ thống phân loại sản phẩm Hiện nay, các dây chuyền phân loại sản phẩm hiện đại đang được nghiên cứu và phát triển liên tục trên toàn cầu, đặc biệt tại các quốc gia công nghệ hàng đầu như Nhật Bản, Mỹ và Trung Quốc.

Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất lớn, cụ thể như:

Giảm sức lao động và tránh sự nhàm chán trong công việc giúp cải thiện điều kiện làm việc cho con người Điều này tạo cơ hội cho mọi người tiếp cận với tiến bộ khoa học kỹ thuật và làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.

- Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng

Việc quản lý và giám sát trở nên đơn giản hơn, không chỉ nhờ vào việc cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân mà còn giúp giảm thiểu số lượng công nhân cần thiết đến mức tối đa.

Chúng em đã quyết định thiết kế và thi công một mô hình phân loại sản phẩm theo chiều cao, vì điều này không chỉ gần gũi với thực tế mà còn mang lại ý nghĩa sâu sắc Mô hình này góp phần thúc đẩy sự phát triển công nghệ của Việt Nam, giúp đất nước bắt kịp với sự tiến bộ của thế giới.

Các mục đích của đề tài

Mục đích nghiên cứu thông qua đề tài để tìm hiểu về ứng dụng đếm và phân loại sản phẩm nên nhiệm vụ nghiên cứu gồm:

- Nghiên cứu và phát triển hệ thống để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất

- Các chi tiết, cơ cấu cơ khí chắc chắn, nhỏ gọn, đảm bảo độ bền, thuận tiện lắp ráp và sửa chữa

- Quá trình công nghệ gia công các chi tiết đảm bảo độ chính xác dung sai kích thước

- Cơ cấu chấp hành và hệ thống điều khiển chính xác, sai số thấp

- Phân loại và đếm các phôi có kích thước có chiều cao khác nhau

1.2.1 Yêu cầu về cơ khí

Mô hình cần phải giống với dây chuyền thực cả về hình thức lẫn chất lượng hoạt động, yêu cầu phải chắc chắn và gọn gàng Thiết kế kết cấu cơ khí cho mô hình cần tuân thủ các yêu cầu kỹ thuật như đối với dây chuyền thật, bao gồm khung, tay gạt, rãnh trượt và băng tải Bên cạnh đó, cần có các kết cấu phụ để tạo ra mô hình phân loại sản phẩm hoàn chỉnh.

1.2.2 Yêu cầu về lập trình

- Tay gạt sẽ chìa ra để phân loại sản phẩm khi có vật đi qua

- Cảm biến phát hiện vật hoạt động ổn định, không bị nhiễu trong quá trình hoạt động

- Màn hình LCD hiển thị rõ ràng số sản phẩm đã phân loại

- Dùng kĩ thuật vi điều khiển để chạy chương trình cho hệ thống.

Các loại dây chuyền phân loại sản phẩm

Dây chuyền phân loại sản phẩm hoàn toàn tự động hỗ trợ quy trình phân loại, đóng gói, xếp dỡ, xuất nhập khẩu và bưu kiện Sản phẩm được phân loại dựa trên các tiêu chí cụ thể nhờ công nghệ vision tiên tiến với camera kiểm tra, đảm bảo tiêu chuẩn thành phẩm và độ đồng đều về hình dáng, trọng lượng Sau khi phân loại, sản phẩm có thể được chuyển đến dây chuyền đóng gói tự động hoặc lưu/xuất kho, với từng loại sản phẩm được tách biệt qua các cửa khác nhau Việc áp dụng dây chuyền này giúp doanh nghiệp tối ưu chi phí và nâng cao năng suất hiệu quả Công nghệ thị giác tiên tiến cho phép phân loại sản phẩm theo nhiều tiêu chí khác nhau, đáp ứng nhu cầu của nhà sản xuất và dịch vụ.

- Phân loại theo kích thước

- Phân loại theo khối lượng sản phẩm

- Phân loại sản phẩm theo màu sắc

- Phân loại sản phẩm theo hình ảnh

- Phân loại sản phẩm theo mã vạch

Phân loại sản phẩm là bước quan trọng để đảm bảo tiêu chuẩn về thành phẩm, hình dạng và trọng lượng phù hợp trước khi đóng gói Quá trình này dựa trên thông tin và tiêu chí sử dụng từ nhà sản xuất Sau khi được phân loại, sản phẩm có thể được chuyển đến dây chuyền đóng gói tự động hoặc được lưu trữ và chuyển giao.

- Ưu điểm dây chuyền phân loại sản phẩm:

Dây chuyền phân loại sản phẩm ra đời nhằm khắc phục những hạn chế của các phương pháp phân loại truyền thống, như yêu cầu không gian làm việc rộng và thời gian phân loại lâu, dễ dẫn đến sai sót Với nhiều ưu điểm vượt trội, dây chuyền này giúp tối ưu hóa quy trình phân loại, tiết kiệm thời gian và nâng cao độ chính xác.

- Tốc độ phân loại và sắp xếp nhanh chóng lên đến 25.000 sản phẩm / giờ;

- Độ chính xác nhanh chóng và tỷ lệ lỗi phân loại cực kỳ thấp 0,01%; Tăng 80% hiệu suất của các trung tâm phân phối và khai thác;

- Giảm 70% lao động phân loại, nâng cao năng lực phân loại và giảm chi phí sản xuất;

- Giảm tỷ lệ hàng hóa bị hư hỏng, rơi vỡ, móp méo, do đó nâng cao mức độ dịch vụ;

- Quản lý dữ liệu và thông tin sản phẩm hoàn toàn trên phần mềm và lưu giữ trên một máy chủ duy nhất một cách đơn giản;

- Tích hợp thiết kế đầu vào linh hoạt, hệ thống xác minh mã vạch tự động, cân chính xác cao;

- Dễ dàng thay đổi và nâng cấp dung lượng theo các phân hệ;

Máy phân loại nông sản, nhựa, hạt và sợi có thiết kế nhỏ gọn, tích hợp nhiều chức năng phân loại và lựa chọn sản phẩm nhờ vào hệ thống camera và cơ cấu kiểm tra hiệu quả Thiết bị này bao gồm bẫy và băng tải tháo ra trước khi sản phẩm được lấy ra, cùng với phễu bảo quản, rất phù hợp cho ngành sản xuất nông nghiệp.

Kết luận: Trong bối cảnh lượng hàng hóa lớn được vận chuyển hàng ngày, việc phân loại trở nên khó khăn khi chỉ dựa vào sức người Áp dụng công nghệ với băng chuyền phân loại hàng hóa không chỉ tiết kiệm thời gian và công sức mà còn đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về độ chính xác và tốc độ trong quá trình phân loại.

1.3.1 Phân loại theo kích thước

Hình 1.1: Dây chuyền phân loại theo kích thước a Phân loại theo kích thước

Phân loại sản phẩm theo kích thước là một hệ thống tự động hóa giúp phân loại hàng hóa, trái cây và rau quả dựa trên kích thước Hệ thống này bao gồm các bộ phận như cấp, phân loại, thả và thu hồi sản phẩm, mang lại hiệu quả cao trong quy trình xử lý và đảm bảo chất lượng sản phẩm.

- Máy phân loại sản phẩm theo kích thước điều khiển tự động, độ chính xác cao, hoạt động ổn định, phù hợp cho nhiều loại sản phẩm khác nhau

- Năng suất: 3-5 tấn/ giờ ~ 1000-1100 sản phẩm/ phút

- Ưu điểm: Năng suất, sản lượng cao, ổn định

- Nhược điểm: Thích hợp cho phân loại các sản phẩm nông sản, trái cây có khối lượng nhỏ c Ứng dụng

Phân loại sản phẩm theo khối lượng cho ngành thực phẩm, nông sản, trái cây…

1.3.2 Phân loại theo khối lượng sản phẩm

Hình 1.2: Dây chuyền phân loại sản phẩm theo khối lượng a Phân loại sản phẩm theo khối lượng sản phẩm

Phân loại sản phẩm theo khối lượng là một hệ thống phân cỡ sản phẩm, áp dụng cho nhiều loại và kiểu sản phẩm Hệ thống này sử dụng nguyên tắc kiểm tra khối lượng trực tuyến, cho phép phân loại sản phẩm thành các nhóm trọng lượng cụ thể theo yêu cầu.

- Tốc độ: 110 – 200 sản phẩm/ phút

- Số lượng cỡ phân loại: 12 cỡ

- Vật liệu: inox SS304 đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm

Phân loại sản phẩm chính xác theo yêu cầu sản xuất là một trong những ưu điểm lớn nhất, giúp đảm bảo khối lượng sản phẩm phù hợp Điều này cho phép phân loại đa dạng các loại sản phẩm, đáp ứng linh hoạt nhu cầu thị trường.

- Nhược điểm: sử dụng cho các sản phẩm có khối lượng nhỏ dưới 5000g c Ứng dụng

Phân loại sản phẩm theo khối lượng thường được sử dụng trong cách nhà máy sản xuất thực phẩm, thủy hải sản, xi măng, phân bón…

1.3.3 Phân loại sản phẩm theo màu sắc

Hình 1.3: Mô hình phân loại sản phẩm theo màu a Phân loại sản phẩm theo màu sắc sản phẩm

Phân loại sản phẩm theo màu sắc sử dụng cảm biến màu để nhận diện các màu riêng biệt như xanh, đỏ, vàng Máy phân loại màu có khả năng phân biệt nhiều loại sản phẩm như ớt, cà chua, cà phê, nhựa màu, gạo, mầm chè và các loại hạt nhờ vào camera nhận diện và công nghệ tầm nhìn xử lý hình ảnh tự động.

- Năng suất: 0,8-15 tấn/ giờ (tùy dòng máy)

- Tỷ lệ phân loại đúng: >99%

Hệ thống phân loại sản phẩm bằng màu sắc mang lại nhiều ưu điểm nổi bật, bao gồm khả năng phân loại chính xác và năng suất cao Chất lượng phân loại tốt giúp hệ thống có thể xử lý hầu hết các màu sắc khác nhau Đặc biệt, giá thành của camera thấp hơn so với cảm biến màu, và việc cấu hình phần mềm cũng rất đơn giản.

Mặc dù phân loại sản phẩm theo màu sắc có nhược điểm là số lượng màu sắc có thể nhận biết không nhiều, nhưng ứng dụng của nó rất đa dạng Phân loại này chủ yếu được sử dụng trong nông nghiệp, thực phẩm, xăng dầu, hóa chất, dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế và nhiều lĩnh vực khác.

1.3.4 Phân loại sản phẩm theo hình ảnh

Phân loại sản phẩm theo hình ảnh là một phương pháp độc đáo, trong đó người dùng sử dụng camera để chụp ảnh sản phẩm cần phân loại Sau đó, bức ảnh này được so sánh với ảnh gốc chuẩn để xác định loại sản phẩm Phương pháp này không dựa vào cảm biến mà hoàn toàn phụ thuộc vào hình ảnh do người dùng cung cấp.

- Ưu điểm: Vì sử dụng camera, nên độ chính xác rất cao

- Nhược điểm: sử dụng cho một số sản phẩm cố định tính đa dạng không cao c Ứng dụng

Hiện nay thì hình thức phân loại này đang được sử dụng để phân loại gạch granit

1.3.5 Phân loại sản phẩm theo mã vạch

Hình 1.5: Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch a Phân loại theo mã vạch của sản phẩm

Dây chuyền phân loại sản phẩm theo mã vạch hiện nay rất phổ biến, được sử dụng để phân loại bưu phẩm, bưu kiện và thành phẩm đã được đóng gói trong thùng carton hoặc túi Hệ thống này cũng hỗ trợ việc dán mã vạch và mã QR, giúp tối ưu hóa quy trình phân loại và quản lý hàng hóa hiệu quả hơn.

Hệ thống lưu trữ thông tin trên mã vạch sản phẩm giúp dễ dàng lọc và lựa chọn sản phẩm khi cần thiết, đồng thời thu thập đến các địa điểm thu gom (hub) theo yêu cầu ban đầu.

- Với sản phẩm điện tử, công nghệ: phân theo cùng lô sản xuất, ngày sản xuất, model

Đối với bưu kiện và đơn hàng hỏa tốc chuyển phát nhanh, việc phân loại cần dựa trên ngày đặt hàng, phương thức đóng gói, địa điểm giao và nhận hàng, cũng như tiêu chuẩn phân loại hàng hóa hỏa tốc.

- Nông sản đóng gói: phân loại theo hạn sử dụng, số lô chế biến, cấp sản phẩm…

Phạm vi giới hạn

Phân loại 3 sản phẩm (hoặc phôi) với chiều cao là khoảng 25, 35 và 45 mm (có thể là trụ vuông hoặc là trụ tròn)

Hình 1.6: Hình minh hoạ sản phẩm

Hệ thống phân loại sản phẩm đã được nghiên cứu và phát triển từ lâu, với nhiều hệ thống hiện đại trong các nhà máy xí nghiệp đáp ứng cả tiêu chí chất lượng và thẩm mỹ Tuy nhiên, trong khuôn khổ một đề tài nghiên cứu, cần giới hạn các tính năng dựa trên kiến thức, thời gian và kinh phí.

- Kích thước: (Dài x Rộng x Cao) 423 x 110 x 118 (mm)

- Hệ thống điều khiển: Arduino

- Cơ cấu đẩy sản phẩm: Tay gạt

- Động cơ truyền chuyển động: Động cơ điện một chiều

- Hệ thống dẫn động: Băng chuyền

- Điện áp cung cấp: Điện áp xoay chiều 220V và điện áp một chiều 12V

Trong chương 1, nhóm đã trình bày lịch sử nghiên cứu về dây chuyền phân loại sản phẩm và các loại dây chuyền phổ biến hiện nay Bài viết cũng tìm hiểu các yêu cầu về mặt cơ khí và điều khiển cho mô hình phân loại sản phẩm Những kiến thức về ý nghĩa, công dụng, cấu tạo và nguyên lý hoạt động là cơ sở để tính toán và thiết kế các chi tiết, hoàn thiện dây chuyền phân loại sản phẩm, điều này sẽ được khám phá trong chương tiếp theo.

Kết luận chương 1

2.1 Nguyên lý làm việc của hệ thống

Hệ thống hoạt động chủ yếu nhằm đảm bảo sản phẩm được đẩy xuống máng trượt với chiều cao quy định Quá trình này có thể được chia thành hai giai đoạn chính.

Giai đoạn 1: Nhận biết mức chiều cao sản phẩm:

Khi động cơ được cấp nguồn, băng tải bắt đầu hoạt động và sản phẩm sẽ di chuyển theo chiều của băng tải Người quản lý sẽ bố trí các cụm cảm biến phù hợp với các mức chiều cao của sản phẩm cần phân loại Các cảm biến này, có thể là cảm biến quang hoặc hồng ngoại, sẽ xác định chiều cao của sản phẩm khi đi qua và gửi tín hiệu về vi điều khiển để xử lý.

Vi điều khiển sẽ nhận tín hiệu truyền về và dựa vào chương trình đã được lập trình sẵn để xác định chiều cao của sản phẩm Sau đó, nó sẽ gửi lệnh điều khiển đến các tay gạt tương ứng.

- Đồng thời, cảm biến cũng sẽ đếm số lượng sản phẩm đã được phân loại và hiển thị trên màn hình LCD

Giai đoạn 2: Đẩy sản phẩm vào máng trượt tương ứng:

Sau khi sản phẩm được phân loại qua các cảm biến, nó sẽ tiếp tục di chuyển trên băng tải cho đến khi gặp tay gạt Tại vị trí này, tay gạt sẽ được đưa ra, và nhờ vào quán tính, sản phẩm sẽ được đẩy vào máng phù hợp.

Sơ đồ nguyên lý làm việc:

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Nguyên lý làm việc của hệ thống

Hệ thống có chức năng chính là đẩy sản phẩm xuống máng trượt với độ cao quy định Quá trình hoạt động của dây chuyền được chia thành hai giai đoạn rõ ràng.

Giai đoạn 1: Nhận biết mức chiều cao sản phẩm:

Khi động cơ được cấp nguồn, băng tải bắt đầu hoạt động và sản phẩm sẽ di chuyển theo chiều của băng tải Các cảm biến được quản lý bố trí phù hợp với các mức chiều cao của sản phẩm cần phân loại Những cảm biến này, có thể là cảm biến quang hoặc hồng ngoại, có nhiệm vụ xác định chiều cao của sản phẩm khi đi qua và gửi tín hiệu về vi điều khiển để xử lý.

Vi điều khiển nhận tín hiệu truyền về và dựa trên chương trình đã được lập trình sẵn để xác định chiều cao của sản phẩm Sau đó, nó sẽ phát lệnh điều khiển đến các tay gạt tương ứng.

- Đồng thời, cảm biến cũng sẽ đếm số lượng sản phẩm đã được phân loại và hiển thị trên màn hình LCD

Giai đoạn 2: Đẩy sản phẩm vào máng trượt tương ứng:

Sau khi sản phẩm được phân loại qua các cảm biến, nó sẽ tiếp tục di chuyển trên băng tải cho đến khi gặp tay gạt Tại vị trí này, các tay gạt sẽ được đưa ra, và nhờ vào quán tính, sản phẩm sẽ được đẩy vào máng phù hợp.

Sơ đồ nguyên lý làm việc:

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý

Khối nguồn (Power): tạo ra các mức điện áp khác nhau để cung cấp nguồn điện cho các khối khác hoạt động

Khối vi điều khiển MCU: Thu nhận tín hiệu từ cảm biến và diều khiển hoạt động của hệ thống theo chương trình được lập trình sẵn

Cảm biến được sử dụng để phát hiện sự hiện diện của phôi di chuyển, cung cấp tín hiệu điều khiển cho vi điều khiển Bên cạnh đó, cảm biến còn có chức năng đếm số lượng sản phẩm.

Khối công suất (Mosfet): điều khiển hoạt động cho khối chấp hành (điều khiển động cơ DC)

Khối chấp hành (Motor DC và phần cơ khí): làm việc theo tín hiệu đưa ra từ mạch công suất

Hình 2.2: Sơ đồ khối hệ thống

Hệ thống điều khiển

Arduino là một board mạch vi điều khiển sử dụng chip AVR 8bit như Atmega328, Atmega168, Atmega8 của Atmel

Bảng mạch Arduino được trang bị vi xử lý 8bit megaAVR của Atmel, chủ yếu là hai chip Atmega328 và Atmega2560 Những vi xử lý này cho phép lập trình các ứng dụng điều khiển phức tạp nhờ vào cấu hình mạch với các loại bộ nhớ như ROM, RAM và Flash, cùng với nhiều ngõ vào ra digital I/O, trong đó có nhiều ngõ hỗ trợ xuất tín hiệu PWM, đọc tín hiệu analog và các giao tiếp đa dạng như UART, SPI, I2C.

• EEPROM: 1KB (Atmega328) và 4KB (Atmega2560)

• SRAM: 2KB (Atmega328) và 8KB (Atmega2560)

• Flash: 32KB (Atmega328) và 256KB (Atmega2560)

• Đọc tín hiệu cảm biến ngõ vào

Các board mạch Arduino được trang bị cổng digital có khả năng cấu hình linh hoạt cho ngõ vào hoặc ngõ ra thông qua phần mềm Cụ thể, board mạch sử dụng vi điều khiển Atmega328 có tổng cộng 14 cổng digital, trong khi đó, board mạch với Atmega2560 sở hữu tới 54 cổng digital.

Analog: Các board mạch Arduino trang bị các ngõ vào analog với độ phân giải 10bit Số lượng cổng vào analog là 6 đối vớ Atmega328 và 16 đối với

Atmega2560 Với tính năng đọc analog, người dùng có thể đọc nhiều loại cảm biến như nhịt độ, áp suất, ánh sáng, hồng ngoại

- Xuất tín hiệu điều khiển ngõ ra:

Cổng digital cho phép người dùng cấu hình qua phần mềm để xác định cổng nào sẽ được sử dụng làm cổng ra Trên các bo mạch Atmega328, tổng số cổng digital là 14, trong khi đó, bo mạch Atmega2560 có tới 54 cổng digital.

Cổng PWM trên board Atmega328 cho phép người dùng xuất tín hiệu điều chế xung với độ phân giải 8 bit Số lượng cổng PWM có sẵn trên các board này mang lại sự linh hoạt cho việc điều khiển các thiết bị kỹ thuật số.

6 và đối với các board dùng Atmega2560 là 14

Giao tiếp nối tiếp (Serial) là chuẩn phổ biến trên các board mạch Arduino, với mỗi board được trang bị một số cổng Serial cứng, cho phép giao tiếp nhờ phần cứng trong chip Ngoài ra, các cổng digital còn lại sử dụng phần mềm để thực hiện giao tiếp nối tiếp thông qua thư viện chuẩn, với mức tín hiệu TTL 5V Cụ thể, Atmega328 có 1 cổng Serial cứng, trong khi Atmega2560 sở hữu 4 cổng.

Các board Arduino tiêu chuẩn được trang bị cổng USB để kết nối với máy tính nhằm tải chương trình Tuy nhiên, do các chip AVR không có cổng USB, nên các board Arduino cần có thêm phần chuyển đổi từ USB sang tín hiệu UART Vì vậy, máy tính nhận diện cổng USB này như một cổng COM thay vì cổng USB tiêu chuẩn.

SPI là một chuẩn giao tiếp nối tiếp đồng bộ sử dụng bus 4 dây, cho phép các board Arduino kết nối dễ dàng với nhiều thiết bị như LCD, bộ điều khiển video game và cảm biến.

I2C là giao thức giao tiếp đồng bộ sử dụng bus với 2 dây, cho phép các board Arduino kết nối với nhiều loại thiết bị như cảm biến, màn hình OLED/LCD và đồng hồ thời gian thực.

2.2.2 Bộ phận phần cứng của Arduino

Hình 2.4: Cấu trúc phần cứng của Arduino

Cổng USB loại B là giao diện quan trọng cho việc tải mã từ máy tính lên vi điều khiển, đồng thời cũng đóng vai trò là cổng giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính.

Để cấp nguồn cho Arduino, bạn có thể sử dụng cổng USB, nhưng không phải lúc nào cũng có sẵn kết nối với máy tính Trong trường hợp này, bạn cần một nguồn điện từ 9V đến 12V.

The header row, numbered from 0 to 12, consists of digital pins that can receive or output digital signals Additionally, there is a ground pin (GND) and a reference voltage pin (AREF).

Hàng header thứ hai: chủ yếu liên quan đến điện áp đất, nguồn

Hàng header thứ ba: các chân để nhận vào hoặc xuất ra các tín hiệu analog

Ví dụ như đọc thông tin của các thiết bị cảm biến

Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lý trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi mẫu Arduino khác nhau thì con chip này khác nhau

Arduino không chỉ nổi bật với thiết kế board mạch nhỏ gọn và nhiều tính năng hữu ích, mà còn vượt trội ở phần mềm Môi trường lập trình đơn giản sử dụng ngôn ngữ Wiring dễ hiểu, dựa trên nền tảng C/C++, cùng với một kho thư viện mã nguồn phong phú do cộng đồng lớn chia sẻ.

Hình 2.5: Giao diện ArduinoIDE

Cảm biến

Cảm biến là thiết bị nhận diện và chuyển đổi thông tin từ môi trường xung quanh thành tín hiệu điện, giúp điều khiển các thiết bị khác Nó đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển tự động, là một trong ba thành phần cơ bản của hệ thống này.

Cảm biến hồng ngoại là công nghệ tiên tiến có khả năng phân biệt chuyển động của người và vật Người dùng có thể dễ dàng điều chỉnh góc cảm ứng theo nhu cầu và sử dụng vách ngăn để loại trừ các khu vực không mong muốn.

Hồng ngoại được sử dụng để truyền tin không dây nhờ khả năng chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường, cho phép mang thông tin mã hóa Thiết bị thu phát hồng ngoại có thiết kế đơn giản, gọn nhẹ và giá thành rẻ Với những ưu điểm này, hồng ngoại trở thành giải pháp tối ưu cho việc thiết kế mạch phát hiện vật thể trong cửa tự động.

Hình 2.6: Cảm biến hồng ngoại

Hồng ngoại là sóng điện từ nằm ngoài vùng ánh sáng nhìn thấy, với bước sóng lớn hơn 760 nm Việc tạo ra sóng hồng ngoại rất đơn giản thông qua dao động của diode phát hồng ngoại chuyên dụng Nhờ vào tính chất phản xạ của tia hồng ngoại khi gặp bề mặt vật thể, chúng được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong các mạch phát hiện vật thể Trong các mạch này, các diode phát và sensor thu hồng ngoại thường được bố trí thành từng cặp theo nhiều cách khác nhau để phát hiện vật thể hiệu quả.

Trong cách bố trí cạnh nhau, tia hồng ngoại phát ra từ diode sẽ phản xạ trở lại khi gặp bề mặt vật cản Sensor thu được được đặt cạnh diode phát, giúp thu tín hiệu phản xạ một cách hiệu quả.

Bố trí đối diện cho phép tia hồng ngoại từ diode phát trực tiếp tới sensor thu mà không bị vật chắn, nhưng khi có vật chắn, tia hồng ngoại sẽ phản xạ trở lại và không tới sensor Ưu điểm của phương pháp này là đảm bảo tín hiệu được truyền đạt hiệu quả khi không có vật cản.

Nếu bạn cần một loại đèn nhạy cảm có khả năng phát hiện chuyển động nhỏ xuyên qua các vật liệu như tường mỏng, gỗ hay nhựa, hãy xem xét đèn sử dụng công nghệ cảm biến radar Công nghệ này cho phép đèn có góc quét rộng 360 độ, không có điểm chết, và cảm ứng hiệu quả trong khoảng cách 6 – 8m Đặc biệt, đèn radar không bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ môi trường Trong khi đó, công nghệ cảm biến hồng ngoại có khả năng phân biệt chuyển động của người và vật, cho phép bạn điều chỉnh góc cảm ứng theo ý muốn và sử dụng vách ngăn để loại trừ những khu vực không muốn cảm ứng.

Hồng ngoại không chỉ có khả năng chống nhiễu tốt hơn ánh sáng thông thường mà còn được sử dụng để truyền tin không dây với thông tin mã hóa Thiết bị thu phát hồng ngoại có thiết kế đơn giản, gọn nhẹ và giá thành rẻ Nhờ những ưu điểm này, hồng ngoại trở thành giải pháp tối ưu cho việc thiết kế mạch phát hiện vật thể trong cửa tự động.

Cảm biến radar có độ nhạy cao, nhưng điều này cũng tạo ra nhược điểm khi dễ dàng nhầm lẫn trong việc phát hiện vật chuyển động Trong khi đó, đèn sử dụng công nghệ cảm biến hồng ngoại lại gặp phải hạn chế với góc quét nhỏ và điểm chết, không thể cảm biến xuyên vật cản Hơn nữa, công nghệ này phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, dẫn đến độ nhạy giảm khi môi trường có nhiệt độ cao Phạm vi hoạt động của đèn cảm biến chỉ khoảng 2 – 3m.

Cơ cấu chấp hành

2.4.1 Động cơ DC Động cơ DC là động cơ điện hoạt động với dòng điện một chiều Động cơ điện một chiều ứng dụng rộng rãi trong các ứng dụng dân dụng cũng như công nghiệp Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tấc độ duy nhất khi nói với nguồn điện, tuy nhiên vấn có thể diều khiển tấc độ và chiều quay của động cơ với sự hỗ trợ của các mạch điện tử cùng phương pháp PWM

Động cơ điện một chiều (DC) thường được sử dụng trong dân dụng với điện áp thấp và tải nhỏ Trong lĩnh vực công nghiệp, động cơ DC đóng vai trò quan trọng ở những ứng dụng cần moment khởi động lớn hoặc khả năng điều chỉnh tốc độ trong phạm vi rộng.

Một động cơ DC có 6 phần cơ bản:

- Phần ứng hay Rotor (Armature)

- Nam châm tạo từ trường hay Stator (Field magnet)

- Bộ phận cung cấp dòng điện DC

Hình 2.8: Cấu tạo động cơ DC

Stator bao gồm vỏ máy, cực từ chính, cực từ phụ và dây quấn phần cảm, trong đó số lượng cực từ chính ảnh hưởng đến tốc độ quay Đối với động cơ công suất nhỏ, việc kích từ có thể thực hiện bằng nam châm vĩnh cửu Rotor, hay còn gọi là phần ứng, được cấu tạo từ các lá thép kỹ thuật ghép lại với nhau, có rãnh để đặt các phần tử của dây quấn phần ứng Điện áp một chiều được cung cấp cho phần ứng thông qua hệ thống chổi than và vành góp.

Chổi than và vành góp có chức năng quan trọng trong việc dẫn điện áp một chiều và chuyển đổi dòng điện trong cuộn dây phần ứng Số lượng chổi than tương ứng với số cực từ, với một nửa dành cho cực từ âm và nửa còn lại cho cực từ dương.

Nguyên lý hoạt động của động cơ DC:

Khi dòng điện đi qua cuộn dây quấn quanh lõi sắt, lực tác động lên các cực của cuộn dây theo nguyên lý bàn tay trái của Fleming sẽ tạo ra chuyển động quay cho rotor Để rotor quay liên tục, bộ cổ góp điện sẽ thay đổi hướng dòng điện sau mỗi chu kỳ Tuy nhiên, lực quay sẽ bằng 0 khi cuộn dây nằm song song với các đường sức điện từ trường, dẫn đến rotor quay theo quán tính Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo ra moment điện từ, giúp phần ứng quay quanh trục.

Động cơ điện một chiều (DC) có nhiều ưu điểm nổi bật, khiến nó trở thành lựa chọn phổ biến trong sản xuất Nguyên lý hoạt động của động cơ DC giúp tối ưu hóa hiệu suất và đáp ứng nhu cầu đa dạng trong các ứng dụng công nghiệp.

- Thứ nhất, động cơ điện 1 chiều có thể đóng vai trò là máy phát điện hoạt động trong các điều kiện khác nhau

- Tiếp đến, động cơ này có thể dễ dàng điều chỉnh tốc độ và đảm bảo được khả năng quá tải

Động cơ điện một chiều nổi bật với khả năng điều chỉnh rộng rãi và chính xác, đồng thời sở hữu cấu trúc ổn định và chất lượng cao.

Động cơ điện 1 chiều có nhược điểm do hoạt động dựa vào hệ thống cổ góp và chổi than, dẫn đến hiệu suất vận hành kém và không an toàn trong môi trường rung chấn Hơn nữa, thiết kế này cũng dễ gây ra nguy cơ cháy nổ trong quá trình sử dụng.

Servo là một loại động cơ điện đặc biệt, khác với động cơ thông thường, servo chỉ quay khi được điều khiển với góc quay trong giới hạn nhất định Các loại servo có kích thước, khối lượng và cấu tạo đa dạng; ví dụ, một số loại chỉ nặng 9g, thường được sử dụng trên máy bay mô hình, trong khi những loại khác có momen lực mạnh mẽ, lên tới vài chục Newton/m, hoặc được thiết kế với nhông sắc chắc chắn.

Hình 2.10: Động cơ servo

Động cơ servo điều khiển bằng liên lạc vô tuyến, hay còn gọi là động cơ servo RC, thực chất không được điều khiển trực tiếp bằng sóng vô tuyến Thay vào đó, chúng kết nối với máy thu vô tuyến trên máy bay hoặc xe hơi, từ đó nhận tín hiệu để hoạt động.

Động cơ DC và động cơ bước hoạt động theo hệ hồi tiếp vòng hở, gây khó khăn trong việc xác định nguyên nhân ngăn cản chuyển động quay Ngược lại, động cơ servo được thiết kế cho hệ thống hồi tiếp vòng kín, cho phép theo dõi vận tốc và vị trí khi động cơ quay Nếu có bất kỳ trở ngại nào làm cản trở chuyển động, cơ cấu hồi tiếp sẽ phát hiện tín hiệu không đạt yêu cầu và mạch điều khiển sẽ điều chỉnh sai lệch để đảm bảo động cơ đạt được vị trí chính xác.

Hình 2.11: Cấu tạo cơ bản của một động cơ (motor) servo

4 Signal Wire (Yellow or White)

5 Negative or Ground Wire (Black)

8 Servo Attachment Horn/Wheel/Arm

10.Integrated Control Chip Ứng dụng:

Trên thị trường hiện nay, động cơ AC Servo được sử dụng phổ biến trong lĩnh vực điện và điện tử, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất yêu cầu tốc độ cao Động cơ Servo đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển vận chuyển, giúp di chuyển thiết bị và máy móc trong kho bãi qua hệ thống băng tải với khả năng điều chỉnh tốc độ linh hoạt Trong ngành sản xuất nhựa, động cơ Servo ngày càng thay thế thiết bị điều khiển thủy lực trong khuôn mẫu đùn, nhờ vào khả năng tiết kiệm điện Ngoài ra, trong ngành điện – điện tử, động cơ Servo được sử dụng để lắp ráp linh kiện như chip LSI trên bảng mạch với tốc độ và độ chính xác cao Trong ngành sản xuất thực phẩm, động cơ Servo cũng là giải pháp tối ưu để đáp ứng nhu cầu về thực phẩm sạch và an toàn Ưu điểm của động cơ Servo bao gồm kiểm soát tốc độ chính xác, mô men xoắn khó điều chỉnh và nguyên tắc điều khiển đơn giản, dễ sử dụng với chi phí hợp lý.

Chổi than của động cơ có nhược điểm là giới hạn tốc độ và sức đề kháng bổ sung, dẫn đến tình trạng mài mòn các hạt Điều này đặc biệt xảy ra trong môi trường không có bụi bẩn, không phù hợp cho hoạt động hiệu quả của động cơ.

Chọn động cơ điện một chiều DC với các lí do như sau

Giao thoa điện từ cực nhỏ trong động cơ DC giúp ngăn ngừa nhiễu sóng điện từ, từ đó bảo vệ thiết bị khỏi hiện tượng quá nóng Cơ chế hoạt động của dòng điện trong động cơ DC giảm thiểu sự nhiễu điện từ, giúp duy trì độ nhạy của thiết bị trong thời gian dài sử dụng.

Tiêu thụ ít điện năng

Thiết bị sử dụng động cơ DC là lựa chọn hiệu quả nhất về tiêu thụ điện năng So với động cơ AC, động cơ DC tiêu thụ ít điện năng hơn, với mức tiết kiệm lên đến 70% so với các loại động cơ khác.

Vận hành êm ái hơn

Các băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay

Băng tải là thiết bị quan trọng được sử dụng để di chuyển vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và nghiêng Trong dây chuyền sản xuất, băng tải thường được ứng dụng để vận chuyển các cơ cấu nhẹ Ngoài ra, trong các xưởng luyện kim, nó đóng vai trò vận chuyển quặng và than đá, trong khi tại các trạm thủy điện, băng tải được sử dụng để vận chuyển nhiên liệu và xỉ lò.

Trong các kho bãi, việc vận chuyển hàng bưu kiện, vật liệu hạt và một số sản phẩm khác là rất quan trọng Đặc biệt trong ngành công nghiệp nhẹ, thực phẩm và hóa chất, hệ thống vận chuyển được sử dụng để di chuyển các sản phẩm hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn và phân xưởng, đồng thời cũng giúp loại bỏ các sản phẩm không còn sử dụng được.

2.5.2 Ưu điểm của băng tải

- Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo

- Các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp cả hướng nằm ngang và nằm nghiêng.

Với vốn đầu tư không lớn, hệ thống này cho phép tự động hóa, vận hành đơn giản và bảo dưỡng dễ dàng Nó hoạt động tin cậy, mang lại năng suất cao và tiêu hao năng lượng thấp hơn so với các máy vận chuyển khác.

2.5.3 Cấu tạo chung của băng tải

Hình 2.12: Cấu tạo chung băng chuyền

1 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

2 Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

3 Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

4 Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ ) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu tố làm việc

2.5.4 Các loại băng tải trên thị trường hiện nay

Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể lựa chọn một số loại băng tải sau:

Bảng 2.1: Danh sách các loại băng tải

Loại băng tải Tải trọng Phạm vi ứng dụng

Băng tải dây đai 50m

Băng tải con lăn 30 ÷ 500 kg

Vận chuyển chi tiết trên các vệ tinh giữa các nguyên công với khoảng cách Tải trọng của băng tải: W=0.5kg

Hệ số ma sỏt pully: à 1 =0.95

Hệ số ma sỏt hộp giảm tốc: à 2 =0.9

Tốc độ vòng quay pully: N 1 = tốc độ gói hàng/𝐷 × 𝜋 = 0.1×60

𝐷×𝜋 = 63(𝑅𝑝𝑚) Tốc độ vòng quay hộp số: N 2 =N 1 cRpm

3.1.3.2 Tính mômen xoắn động cơ

3.1.4 Tính bền của hệ thống

Ta có trọng lượng tác dụng lên thanh nhôm P = 20 N

Do sử dụng nhôm định hình 20x20 nên diện tích tiết diện: S = 20.20 = 400 mm 2

Suy ra ứng suất trên mặt cắt của khung nhôm: 𝜎 = 𝑃

Bảng 3.1: Thông số nhôm định hình 6063-T5

(N/mm 2 ) Độ bền nén (N/mm 2 ) Độ bền dài (N/mm 2 )

Cường độ chịu uốn 0.2%kg/mm 2

Cường độ dãn tối đa kg/mm 2

Tỷ lệ dãn dài Độ cứng

Cường độ chịu đứt cao nhất

Cường độ chịu mỏi kg/mm 2 T=1.6mm T=1.6mm

Từ bảng 3.2 ta có 𝜎 < [𝜎] nên khung nhôm thỏa mãn điều kiện bền

Với phạm vi của đồ án thì vật liệu đảm bảo được tính bền cho hệ thống.

Mô hình hóa, mô phỏng hệ thống điều khiển

Hình 3.6: Bản vẽ lắp

Bảng 3.2: Bảng chi tiết cấu tạo hệ thống:

8 Giá đỡ động cơ tay gạt 2

Một số hình ảnh hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao trên phần mềm Solidworks

Hình 3.7: Mô hình hệ thống

Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Hình 3.8: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển

Arduino là khối xử lý trung tâm, có nhiệm vụ thu thập tất cả các tín hiệu đầu vào và tiến hành xử lý chúng để phát ra các tín hiệu điều khiển.

Nguồn – cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống,

Cảm biến – thu nhận và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển

Công tắc – tắt bật hệ thống

Mạch công suất mosfet – nhận tín hiệu điều khiển từ bộ điều khiển, điều khiển động cơ DC Động cơ – di chuyển băng tải

Hình 3.9: Sơ đồ nguyên lý trên Altium

Hình 3.11: Sơ đồ đi dây mạch điện

Mô hình hóa và mô phỏng hệ thống cơ khí trên phần mềm SolidWorks cho phép chúng ta tái hiện các chi tiết như băng tải, gá đỡ, tay gạt và máng trượt Bên cạnh đó, lập trình hệ thống qua phần mềm Arduino IDE và thiết kế mạch điện bằng Altium giúp chúng ta tính toán và lựa chọn động cơ cùng bộ truyền theo lý thuyết Qua đó, chúng ta có đủ dữ liệu cần thiết để tiến hành thiết kế và chế tạo mô hình thực tế.

GIA CÔNG CHẾ TẠO MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH

Thiết kế và thi công hệ thống cơ khí

4.1.1 Xây dựng hình dáng hình học mô hình Để phù hợp với mô hình thiết kế, kích thước sản phẩm phân loại, ta chọn các động cơ và cảm biến sau:

- Động cơ DC JGB37-520: chuyển động băng tải

- Động cơ Servo: chuyển động tay gạt

- Cảm biến tiệm cận hồng ngoại

Qua đó ta có được bản vẽ lắp của mô hình như sau:

Hình 4.1: Bản vẽ lắp mô hình

4.1.2 Quy trình công nghệ gia công một số chi tiết trong mô hình

4.1.2.1 Quy trình gia công chi tiết giá đỡ động cơ

Hình 4.2: Bản vẽ chi tiết giá đỡ động cơ

- Sản lượng hàng năm của chi tiết được xác định theo công thức sau:

N1: Số lượng sản phẩm cần chế tạo trong một năm theo kế hoạch, giả sử

N1= 20000 (chiếc) m: Số lượng chi tiết trong một sản phẩm m=1 α: Lượng chi tiết dự phòng do sai hỏng phôi gây ra 𝛼= 3% ÷ 6%

→ Chọn 𝛼= 4% β: Lượng chi tiế được chế tạo thêm để dự trữ β = 5% ÷ 7%

Vậy sản lượng chi tiết phải sản xuất hàng năm là:

Khối lượng chi tiết là 44 gam

=>Loạt sản xuất là hàng loạt lớn

Phương pháp gia công hiệu quả cho sản xuất hàng loạt lớn tại Việt Nam hiện nay là sự kết hợp giữa phân tán nguyên công và tập trung nguyên công Điều này giúp chuyên môn hóa cao, từ đó nâng cao năng suất trong điều kiện sản xuất hiện tại.

+ Nguyên công 2: Phay mặt bên

+ Nguyên công 4: Phay mặt trên

- Lập sơ đồ gá đặt và lựa chọn chế độ gia công

- Đảm bảo yêu cầu về mặt

- Đảm bảo độ chính xác bề mặt của chi tiết

- Đảm bảo lấy được chi tiết dễ dàng, và sửa sai số dễ dàng

- Phôi phải được làm sạch và loại bỏ ba via trước khi gia công

• Nguyên công 2: Phay mặt bên

Hình 4.4: Đồ gá phay mặt bên

Mặt đáy của thiết bị được định vị bằng 3 chốt tỳ cố định, giúp hạn chế 3 bậc tự do Mặt bên được định vị bằng chốt tỳ khía nhám, hạn chế 1 bậc tự do, trong khi mặt trước sử dụng 2 chốt tỳ khía nhám để hạn chế 2 bậc tự do.

- Kẹp chặt: Chi tiết được kẹp chặt bằng mỏ kẹp (phương chiều như hình vẽ)

- Chọn máy: máy phay đứng 6H82 với công suất máy Nm = 7kW, η 0,75

- Chế độ cắt: a Phay thô

+ Lượng chạy dao: Theo bảng 5-33 [2]

+ Bước tiến S: Sz = 0,14 - 0,24 (mm/vòng) => Sz = 0,2 (mm/vòng)

+ Vận tốc cắt: Ta có công thức: V= 𝐶 𝑣 𝐷

𝑇 𝑚 𝑡 𝑥 𝑆 𝑧 𝑦 𝐵 𝑢 𝑍 𝑃 𝑘 𝑣 Theo bảng 5-39 [2] ta có bảng sau:

Hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt tính đến các diều kiện cắt thực tế: + Ta có : 𝑘 𝑣 = 𝑘 𝑀𝑣 𝑘 𝑛𝑣 𝑘 𝑢𝑣 (Bảng 5-9 [2])

+ Chu kỳ bền dao: T = 180 (phút)

+ Bề rộng lớn nhất mặt gia công: B = 25 (mm)

+ Lượng chạy dao: SZ = 0,23 (mm/ răng)

• Thay vào công thức trên ta có

3,14.100 2,71 vg/ph tra theo máy ta chọn n8 vg/ph

Lực cắt Pz : ta có công thức 𝑃 𝑧 = 10.𝐶 𝑝 𝑡

CP xP yP up qP 

=> Máy làm việc an toàn và đạt yêu cầu

L1 - Chiều dài gia công; L1 = 100 (mm)

L- chiều dài thoát dao (thường thì L = (2  5) (mm); lấy L = 3 (mm)) i - Số lần cắt; cắt 1lần  i = 1

Thay vào ta có: T0 phay thô = 100+3

+ Dùng dao phay tiếp của phần trên

+ Tra bảng 5-37 [2] ta có : Sz= S(mm/vg)/Z= 1,2/8= 0,15 mm/răng Tính vận tốc cắt :

Kv Theo bảng 5 - 39 [2] ta có bảng sau:

Theo bảng 5-9 [2] ta có hệ số điều chỉnh chung cho tốc độ cắt tính đến các diều kiện cắt thực tế:

+ Chu kỳ bền dao: T = 180 (phút) (Tra bảng 5.40 [2])

180 0,15 0,5 0,1 0,15 0,4 25 0,1 8 0,1 0,8 = 48,24 m/phút Tốc độ cắt tính toán:

3,14.100 = 153,63 vòng/phút + Quy chuẩn máy 6H82 chọn: n(t) = 150 (v/p)

CP xP yP up qP 

60.1020 = 0,64 kW < Nm η Vậy máy làm việc an toàn

Thay vào ta có: T0 phay tinh = 100+3

Bảng 4.1: Bảng thông số chế độ cắt

Bước Máy Dụng cụ t (mm)

Hình 4.5: Đồ gỏ khoan 2 lỗ ỉ3.5

Mặt đáy của thiết bị được định vị bằng hai phiến tỳ phẳng, giúp hạn chế ba bậc tự do Trong khi đó, mặt bên được định vị bằng chốt tỳ khía nhám, hạn chế hai bậc tự do, và một chốt tỳ khía nhám khác cũng được sử dụng để hạn chế thêm một bậc tự do.

- Chọn máy: máy phay đứng 2III55 với công suất máy Nm = 4kW, η 0,75

Chọn máy khoan là máy: 2III55 (Bảng 9-22 [3])

+ Đường kính gia công lớn nhất: 50 mm

+ Công suất động cơ N = 4 Kw

+ Chọn dao: Mũi khoan ruột gà có lưỡi cắt thép gió (Bảng 4-40[1])

(Do l/D = 28/17 < 5 => sử dụng mũi khoan ruột gà)

Tính toán chế độ cắt

Ta có đường kính mũi khoan dao D = 3,5 mm

Vậy chọn đường kính dao D = 3,5 mm, Tra bảng 4-41 [1] Ta có thông số hình học sau:

Loại mũi xoắn ruột gà đuôi trụ loại III có L= 178 mm, l= 120 mm

Bước tiến: Tra bảng 5-87 [2] đường kính mũi khoan D = 3,5 mm

Nhóm chạy dao II Có S = 0,22 - 0,27 mm/vòng Ta lấy S bất kỳ thuộc khoảng trên => S = 0,25 mm/vg Độ bền dao T = 60 phút (Bảng 5-30 [2])

190) 1,25 = 1 (Bảng 5-1 [2]) Tra bảng 5-6 [2] ta có 𝑘 𝑢𝑣 =1,0

=> Chọn số vòng quay theo máy : n = 735 vg/ph

9750 = 2,3 kw Máy làm việc an toàn

(mm/vg) n (mm/vg) t (mm)

(m/ph) Vật liệu Đường kính

• Nguyên công 4: Phay mặt trên

Hình 4.6: Đồ gá phay mặt trên

Mặt đáy được định vị bằng hai phiến tỳ phẳng, giúp hạn chế ba bậc tự do Ngoài ra, việc định vị vào hai lỗ ỉ3,5 với một chốt trụ ngắn cũng hạn chế hai bậc tự do, cùng với một chốt trỏm giúp hạn chế một bậc tự do nữa.

CP xP yP up qP 

+ Tra bảng 5-37 [2] ta có : Sz= S(mm/vg)/Z= 1,2/8= 0,15 mm/răng

Tốc độ cắt tính toán:

CP xP yP up qP 

Hình 4.7: Đồ gỏ khoan 4 lỗ ỉ3,5

Mặt đáy được định vị bằng hai phiến tỳ phẳng, giúp hạn chế ba bậc tự do Định vị này được thực hiện thông qua hai lỗ ỉ3,5 cùng với một chốt trụ ngắn, hạn chế hai bậc tự do, và một chốt trỏm nhằm hạn chế một bậc tự do.

- Chọn máy khoan là máy: 2III55 (Bảng 9-22 [3])

- Đường kính gia công lớn nhất: 50 mm

- Công suất động cơ N = 4 Kw

- Chọn dao: Mũi khoan ruột gà có lưỡi cắt thép gió (Bảng 4-40[1])

Ta có đường kính mũi khoan dao D = 3,5 mm

Vậy chọn đường kính dao D = 3,5 mm, Tra bảng 4-41 [1] Ta có thông số hình học sau:

Bước tiến: Tra bảng 5-87 [2] đường kính mũi khoan D = 3,5 mm

9750 = 2,3 kw Máy làm việc an toàn

Yêu cầu kỹ thuật: Kiểm tra độ vuông góc của 2 mặt bên và trên chi tiết

4.1.2.2 Quy tình gia công chi tiết máng trượt

Hình 4.9: Bản vẽ chi tiết máng trượt

Để đạt được năng suất cao trong sản xuất hàng loạt lớn tại Việt Nam, phương pháp gia công hiệu quả nhất là kết hợp giữa phân tán nguyên công và tập trung nguyên công, nhằm tối ưu hóa chuyên môn hóa trong quy trình sản xuất.

+ Nguyên công 1: Cắt phôi mảnh

+ Nguyên công 2: Hàn phôi hoàn chỉnh

+ Nguyên công 3: Phay mặt bên

+ Nguyờn cụng 4: Khoan, khoột 2 lỗ ỉ5 và ỉ10

- Lập sơ đồ gá đặt và lựa chọn chế độ gia công

• Nguyên công 1: Cắt phôi mảnh

Hình 4.10: Cắt phôi mảnh

• Nguyên công 2: Hàn phôi hoàn chỉnh

Hình 4.11: Đồ gá hàn phôi

- Đảm bảo yêu cầu về độ vuông góc giữa các mặt sau khi hàn

- Loại bỏ sỉ hàn đảm bảo các bề mặt gần mối hàn không bị biến dạng

Mặt đáy của thiết bị được định vị bằng 3 chốt tỳ cố định, giúp hạn chế 3 bậc tự do Mặt bên sử dụng 2 chốt tỳ khía nhám để hạn chế 2 bậc tự do, trong khi mặt trước được định vị bằng 1 chốt tỳ khía nhám, giới hạn 1 bậc tự do.

CP xP yP up qP 

Theo bảng 5 - 39 [2] ta có bảng sau:

CP xP yP up qP 

Bước Máy Dụng cụ t (mm) V (m/ph) S (mm/vg) n (vg/ph)

• Nguyờn cụng 4: Khoan, khoột 2 lỗ ỉ5 và ỉ10

Hình 4.13: Đồ gỏ khoan, khoột 2 lỗ ỉ5 và ỉ10

Mặt đáy được định vị bằng hai phiến tỳ phẳng, hạn chế ba bậc tự do, trong khi mặt bên sử dụng chốt tỳ khía nhám để hạn chế hai bậc tự do Mặt trước cũng được định vị bằng chốt tỳ khía nhám, nhưng chỉ hạn chế một bậc tự do.

- Chọn máy khoan là máy: 2III55 (Bảng 9-22 [3])

- Đường kính gia công lớn nhất: 50 mm

- Công suất động cơ N = 4 Kw

- Chọn dao: Mũi khoan ruột gà có lưỡi cắt thép gió (Bảng 4-40[1])

Ta có đường kính mũi khoan dao D = 5 mm

Vậy chọn đường kính dao D = 5 mm, Tra bảng 4-41 [1] Ta có thông số hình học sau:

Bước tiến: Tra bảng 5-87 [2] đường kính mũi khoan D = 5 mm

=> Máy làm việc an toàn

Thay vào ta có: T0 khoan = 6+3

- Lượng chạy dao: Theo bảng 5-27 [2] Ta có: S= 2,6 (mm/vòng)

- T: Trị số trung bình của tuổi bền dao Chọn T = 60 phút

Ta có: v MV nv uv k = k k k k𝑀𝑣: hệ số phụ thuộc vào vật liệu gia công

190) 1,25 = 1 knv: hệ số phụ thuộc vào vật liệu của dụng cụ căt

Tra bảng 5-5 [2] được:k uv = 1 kuv: hệ số phụ thuộc vào chiều sâu khoan

𝜋.10 = 371 (mm/ phút) Theo máy ta chọn n = 351 vg/ph

 Vận tốc cắt thực tế : V = = 3,14.351.10

9750 = 0,38 Kw Vậy máy làm việc an toàn

Thay vào ta có: T0 khoét = 3+3

(m/ph) Vật liệu Đường kính

Kiểm tra độ vuông góc của đường tâm 2 lỗ và mặt đáy ≤ 0.5

4.1.2.3 Quy trình gia công giá đỡ động cơ băng chuyền

Hình 4.15: Bản vẽ chi tiết giá đỡ động cơ băng tải

Đối với sản xuất hàng loạt lớn, để đạt được năng suất cao và chuyên môn hóa hiệu quả trong điều kiện sản xuất hiện nay ở Việt Nam, phương pháp gia công tối ưu là phân tán nguyên công kết hợp với tập trung nguyên công.

Nguyên công 2: Phay mặt bên

* Sơ đồ gá đặt và lựa chọn chế độ cắt

• Nguyên công 1: Cắt phôi đạt kích thước

Hình 4.16: Cắt phôi đạt kích thước

- Phôi phải được làm sạch và loại bỏ ba via trước khi gia công

Mặt đáy của thiết bị được định vị bằng 3 chốt tỳ cố định, giúp hạn chế 3 bậc tự do Mặt sau sử dụng chốt tỳ khía nhám để hạn chế 2 bậc tự do, trong khi mặt bên cũng được định vị bằng chốt tỳ khía nhám, hạn chế 1 bậc tự do.

- Kẹp chặt: Chi tiết được kẹp chặt bằng bu long đai ốc (phương chiều như hình vẽ)

- Chọn máy: máy phay đứng 6H12 với công suất máy Nm = 7kW, η= 0,75

CP xP yP up qP 

Hình 4.18: Đồ gá phay bậc

Mặt đáy của thiết bị được định vị bằng 3 chốt tỳ cố định, giúp hạn chế 3 bậc tự do Mặt sau sử dụng chốt tỳ khía nhám để hạn chế 2 bậc tự do, trong khi mặt bên cũng áp dụng chốt tỳ khía nhám, chỉ hạn chế 1 bậc tự do.

CP xP yP up qP 

Theo bảng 5 - 39 [2] ta có bảng sau:

CP xP yP up qP 

Hình 4.19: Đồ gá phay rãnh 10x3.5

Mặt đáy của thiết bị được định vị bằng 3 chốt tỳ cố định, giúp hạn chế 3 bậc tự do Mặt sau sử dụng chốt tỳ khía nhám để hạn chế 2 bậc tự do, trong khi mặt bên cũng được định vị bằng chốt tỳ khía nhám, hạn chế 1 bậc tự do.

+ Bề rộng lớn nhất mặt gia công: B = 3.5 (mm)

3,14.3.5 2,71 vg/ph tra theo máy ta chọn n8 vg/ph

CP xP yP up qP 

4.1.3 Xây dựng mô hình thực tiễn

4.1.4 Bảng thống kê chi tiết

Bảng 4.10: Thống kê các chi tiết

STT Tên chi tiết Hình vẽ Số lượng Vật liệu

4 Giá đỡ động cơ 2 Nhựa

6 Gá đỡ cảm biến 1 Nhựa

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển

Theo giá trị công suất, momen và vận tốc tính được ở chương 3, nhóm đồ án lựa chọn động cơ giảm tốc JGB37-520

Động cơ DC giảm tốc JGB37-520 được chế tạo từ kim loại, mang lại độ bền và ổn định cao, lý tưởng cho các mô hình robot, xe, thuyền, và nhiều ứng dụng khác Hộp giảm tốc của động cơ có nhiều tỉ số truyền, cho phép người dùng dễ dàng lựa chọn giữa lực kéo và tốc độ, với nguyên tắc rằng lực kéo lớn hơn sẽ dẫn đến tốc độ chậm hơn và ngược lại Sản phẩm sử dụng nguyên liệu chất lượng cao như lõi dây đồng nguyên chất, lá thép 407, vòng tiếp xúc niken và nam châm từ tính mạnh, đảm bảo sức mạnh và độ bền vượt trội so với các loại động cơ giá rẻ trên thị trường hiện nay, thường sử dụng lõi dây nhôm và nam châm yếu.

- Điện áp sử dụng: 12VDC

+ Tỉ số truyền 168:1 (động cơ quay 168 vòng trục chính hộp giảm tốc quay 1 vòng)

+ Dòng chịu đựng tối đa khi có tải: 1.2A

+ Tốc độ không tải: 35RPM (35 vòng 1 phút)

+ Tốc độ chịu đựng tối đa khi có tải: 28RPM (28 vòng 1 phút)

+ Lực kéo Moment định mức: 2.5KG.CM

+ Lực léo Moment tối đa: 10KG.CM

+ Chiều dài hộp số L: 26.5mm

+ Tỉ số truyền 18.8:1 (động cơ quay 18.8 vòng trục chính hộp giảm tốc quay 1 vòng)

+ Lực léo Moment tối đa: 1.1KG.CM

+ Chiều dài hộp số L: 22mm

+ Tỉ số truyền 10:1 (động cơ quay 10 vòng trục chính hộp giảm tốc quay

+ Lực léo Moment tối đa: 0.6KG.CM

+ Chiều dài hộp số L: 19mm

Sơ đồ động cơ giảm tốc JGB37-520

Hình 4.22: Kích thước động cơ

4.2.2 Động cơ Servo Động cơ servo hay còn gọi là serve motor là một bộ phận của hệ thống điều khiển chuyển động của máy móc Chúng có nhiệm vụ là đầu tàu cung cấp lực kéo các dây chuyền hoặc các cơ cấu khác hoạt động theo [20]

Hình 4.23: Động cơ Micro Servo

Hình 4.24: Sơ đồ nối dây của Micro Servo

Thông số kỹ thuật của Động Cơ RC Servo MG996R

- Servo MG996R (nâng cấp MG995) có momen xoắn lớn

- Đây là bản nâng cấp từ servo MG995 về tốc độ, lực kéo và độ chính xác

- Phù hợp với máy bay cánh quạt loại 50 -90 methanol và máy bay cánh cố định xăng 26cc-50cc

- So với MG946R, MG996R nhanh hơn, nhưng hơi nhỏ hơn

- Kích thước sản phẩm: 40.7 * 19.7 * 42.9mm

- Lực kéo: 9.4kg / cm (4.8V), 11kg / cm (6V)

- Tốc độ xoay: 0.17 giây / 60 độ (4.8 v) 0.14 giây / 60 độ (6 v)

- Vật liệu bánh răng: Kim loại

- Các mô hình thích hợp: máy bay cánh cố định 50 – 90 methanol và máy bay cánh động cơ xăng 26cc-50cc

Hình 4.25: Nguồn Adapter 12V-2A 5.5*2.1mm

- Cung cấp năng lượng với đầu kết nối: 2.1mm x 5.5mm

- Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ

- Có thể thay thế adapter thấp hơn như 12V 0.5A/ 1A…

Việc sử dụng adapter giúp nâng cao hiệu quả cho các thiết bị điện và điện tử nhờ vào đầu ra ổn định, gợn thấp, nhiễu thấp và tiết kiệm năng lượng Adapter này có khả năng biến đổi nguồn điện AC thành nguồn điện DC, cho phép hoạt động ổn định khi nguồn điện đầu vào nằm trong khoảng 100 – 220V, và cung cấp đầu ra chuẩn 20V.

Cường độ dòng điện chuẩn của nguồn 220V thường là 12A các thiết bị sử dụng adapter phải có cường độ thấp hơn con số này.

+ Nguồn Adapter 12V-2A 5.5*2.1 mm đáp ứng CEC năng lượng hiệu quả

+ Cung cấp năng lượng với đầu kết nối 2.1mm x 5.5mm

+ Kích thước nhỏ gọn và trọng lượng nhẹ.

+ Độ bền cao: Nguồn Adapter có tuổi thọ trung bình 3 năm với thời gian sử dụng được tính toán là 8 tiếng/ngày.

+ Quy định điện áp ổn định.

+ Có thể thay thế adapter thấp hơn như 12V 0.5A/ 1A… Ứng dụng của sản phẩm

- Adapter 12V cung cấp điện cho LED, SMD (Công nghệ LED tiên tiến nhất hiện nay), đèn LED Strip, RGB LED Strip,

- Đây là nguồn điện lý tưởng cho các bộ định tuyến / Modem / Điện thoại di động / máy nghe nhạc Mp3 / POS Máy móc

Sản phẩm này đặc biệt phù hợp để cung cấp điện cho các thiết bị như Router, Wifi Router an ninh, máy ảnh và camera CCTV tiên tiến, máy nghe nhạc, Set Top Box, cũng như sạc cho bất kỳ tiện ích nào theo đánh giá của các thiết bị.

Adapter 12V-2A 5.5*2.1 mm là lựa chọn hoàn hảo để thay thế cho các bộ định tuyến mạng không dây như Netgear DG834, DG834GT, DG934 và nhiều loại router không dây khác.

4.2.4 Mạch công suất MOSFET IRF540

Hình 4.26: Mạch công suất MOSFET IRF540

- Dòng chịu đựng trung bình: 23A.

Mosfet IRF540 là mosfet kênh N hay mosfet ngược

Mosfet IRF540 là một loại Transistor hiệu ứng trường (MOSFET) với cấu trúc và hoạt động khác biệt so với Transistor thông thường Với công suất lên đến 100W, Mosfet IRF540 thường có khả năng xử lý công suất lớn hơn nhiều so với BJT Trong ứng dụng tín hiệu một chiều, Mosfet IRF540 hoạt động như một công tắc.

Hình 4.27: Sơ đồ chân IRF540

G: Gate gọi là cực cổng

D: Drain gọi là cực máng

S: Source gọi là cực nguồn

Mosfet IRF540 hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dòng điện Đây là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn, rất phù hợp cho việc khuếch đại các nguồn tín hiệu yếu.

Mosfet IRF540 thích hợp cho việc chuyển đổi DC sang AC hay DC Thường ứng dụng trong UPS, inverter có biến thế thường.

Màn hình text LCD2004 xanh dương, sử dụng driver HD44780, có khả năng hiển thị 4 dòng với mỗi dòng 20 ký tự Với độ bền cao và tính phổ biến, màn hình này cung cấp nhiều mã mẫu, dễ sử dụng, rất phù hợp cho người mới học và thực hiện dự án Điện áp hoạt động của màn hình là 5 V.

Chữ đen, nền xanh lá

Khoảng cách giữa hai chân kết nối là 0.1inch tiện dụng khi kết nối với Breadboard

Tên các chân được ghi ở mặt sau của màn hình LCD hổ trợ việc kết nối, đi dây điện

Có đèn led nền, có thể dùng biến trở hoặc PWM điều chình độ sáng để sử dụng ít điện năng hơn

Có thể được điều khiển với 6 dây tín hiệu

Có bộ ký tự được xây dựng hổ trợ tiếng Anh và tiếng Nhật, xem thêm HD44780 datasheet để biết thêm chi tiết

Hình 4.28: Màn hình LCD Bảng 4.11: Chân của LCD

Chân Ký hiệu Mô tả Giá trị

4 RS Lựa chọn thanh ghi

RS=0 (mức thấp) chọn thanh ghi lệnh RS=1 (mức cao) chọn thanh ghi dữ liệu

5 R/W Chọn thanh ghi đọc/viết dữ liệu

R/W=0 thanh ghi viếtR/W=1 thanh ghi đọc

Chân truyền dữ liệu 8 bit: DB0DB7

15 A Cực dương led nền 0V đến 5V

Triết áp đơn là một loại điện trở có núm xoay kết nối với thanh quét, cho phép điều chỉnh giá trị điện trở tùy theo vị trí của thanh quét Núm xoay được thiết kế ở phía trước để người dùng dễ dàng thao tác Với công suất 2W, triết áp đơn rất phù hợp cho nhiều sản phẩm điện tử.

Hình 4.29: Triết Áp Đơn 10K

- Nhiệt độ hoạt động: -55 độ C – 125 độ C

- Công suất của triết áp đơn: 2W

- Loại điều chỉnh: tuyến tinh

4.2.7 Cảm biến tiệm cận hồng ngoại

Hình 4.30: Cảm biến tiệm cận hồng ngoại

Hình 4.31: Sơ đồ cảm biến tiệm cận hồng ngoại

Cảm biến tiệm cận hồng ngoại E18-D80NK là thiết bị phổ biến trong các hệ thống cửa tự động thông minh, cảm biến an toàn cho cổng và barrier tự động Nó hoạt động như một cảm biến phát hiện vật cản hồng ngoại (IR detector), được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực như cửa tự động, bộ chống trộm, phát hiện vật cản, đếm sản phẩm và đếm số lượng người.

Module phát hiện vật cản trong khoảng cách từ 3 - 80cm

- Ngõ ra của cảm biến ở dạng cực thu hở NPN nên cần thêm trở kéo lên VCC (khoảng 1~10k Ohm) trước khi giao tiếp với vi điều khiển.

- Số dây tín hiệu: 3 dây (2 dây cấp nguồn DC và 1 dây tín hiệu ngõ ra cực thu hở NPN).

- Có thể điều chỉnh qua biến trở.

- Điện áp cung cấp: 5VDC.

- Dòng kích ngõ ra: 300 mA (5V)

Cảm biến tiệm cận hoạt động dựa trên nguyên lý thu phát hồng ngoại, bao gồm bộ phát hồng ngoại (IR LED) và bộ thu hồng ngoại (cảm biến hồng ngoại) IR LED, giống như đèn LED thông thường, phát ra tia hồng ngoại mà mắt người không thể nhìn thấy Khi tia hồng ngoại từ bộ phát gặp vật thể, một phần bức xạ sẽ phản xạ trở lại bộ thu, thường là photodiode hoặc phototransistor Photodiode hồng ngoại chỉ phát hiện bức xạ hồng ngoại, khác với điốt thông thường Đầu ra của cảm biến được xác định dựa trên cường độ bức xạ thu nhận được, cho phép phân loại mức độ phản hồi là cao hoặc thấp.

Board Arduino Nano là phiên bản nhỏ gọn của Arduino, sở hữu đầy đủ chức năng và chương trình như Arduino Uno nhờ sử dụng MCU ATmega328P Sự khác biệt là Arduino Nano có thêm 2 chân Analog do sử dụng IC dán ATmega328P thay vì IC chân cắm.

Arduino Nano kết nối với máy tính qua cổng Mini USB, sử dụng chip CH340 để chuyển đổi USB sang UART, thay vì chip ATmega16U2 như trên Arduino Uno hay Mega Điều này giúp giảm giá thành sản phẩm mà vẫn duy trì tính năng, cho phép Arduino giao tiếp với máy tính để thực hiện lập trình.

Hình 4.33: Arduino Nano Pinout

- IC nạp và giao tiếp UART: CH340

- Điện áp hoạt động: 5V - DC

- Điện áp đầu vào khuyên dùng: 7-12V - DC

- Điện áp đầu vào giới hạn: 6-20V - DC

- Số chân Digital I/O: 14 (trong đó có 6 chân PWM)

- Số chân Analog: 8 (độ phân giải 10bit, nhiều hơn Arduino Uno 2 chân)

- Dòng tối đa trên mỗi chân I/O: 40mA

- Dòng ra tối đa (5V): 500 mA

- Dòng ra tối đa (3.3V):50 mA

- Bộ nhớ flash : 32KB với 2KB dùng bởi bootloader

Cổng kết nối với Arduino Nano

Khác với Arduino Nano sử dụng cổng USB Type B, Nano sử dụng cổng mini USB nhỏ hơn, giúp giảm kích thước chiều cao của board Ngoài ra, bạn có thể lập trình trực tiếp cho Nano từ máy tính.

Các thiết bị Arduino sử dụng một ngôn ngữ lập trình độc đáo, dựa trên ngôn ngữ Wiring được thiết kế cho phần cứng Wiring thực chất là một biến thể của ngôn ngữ C/C++, và do đó, một số người gọi nó là Wiring, trong khi những người khác lại gọi là C hay C++.

Lưu đồ thuật toán

Hình 4.34: Lưu đồ thuật toán

Trong chương 4, nhóm đã thực hiện xây dựng mô hình thực tế cho hệ thống cơ khí, bao gồm việc thi công chế tạo và thiết kế hệ thống điều khiển mạch động cơ, nguồn điện và hệ thống cảm biến.

Tiêu đề	Thiết Kế, Chế Tạo Mô Hình Thiết Bị Phân Loại Sản Phẩm Tự Động Cho Dây Chuyền Sản Xuất Công Nghiệp
Tác giả	Triệu Đình Thái, Vũ Văn Thắng, Nguyễn Xuân Thái
Người hướng dẫn	TS. Thái Văn Trọng
Trường học	Trường Đại Học Công Nghiệp Hà Nội
Chuyên ngành	Công Nghệ Kỹ Thuật Cơ Khí
Thể loại	Đồ Án Đại Học
Năm xuất bản	2022
Thành phố	Hà Nội

Định dạng
Số trang	137
Dung lượng	7,98 MB

thiết kế, chế tạo mô hình thiết bị phân loại sản phẩm tự động cho dây chuyền sản xuất công nghiệp

TỔNG QUAN VỀ PHÂN LOẠI SẢN PHẨM TỰ ĐỘNG

Lịch sử nghiên cứu

Các mục đích của đề tài

Các loại dây chuyền phân loại sản phẩm

Phạm vi giới hạn

Kết luận chương 1

TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

Nguyên lý làm việc của hệ thống

Hệ thống điều khiển

Cảm biến

Cơ cấu chấp hành

Các băng chuyền phân loại sản phẩm hiện nay

Mô hình hóa, mô phỏng hệ thống điều khiển

Kết luận chương 3

GIA CÔNG CHẾ TẠO MỘT SỐ CHI TIẾT ĐIỂN HÌNH

Thiết kế và thi công hệ thống cơ khí

Thiết kế và thi công hệ thống điều khiển

Lưu đồ thuật toán

Kết luận chương 4

Cảm biến tiệm cận hồng ngoại