Tài liệu: Đề tài nckh thiết kế mô hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau

Tài liệu nghiên cứu Đề tài nckh thiết kế mô hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau thủy canh, tổng hợp lý thuyết và thực hành, cung cấp kiến thức chuyên sâu về .

• Tác giả: Huỳnh Văn Trưởng
• Người hướng dẫn: TS. Lê Minh Tài
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tự Động Hóa Hệ Thống Thu Hoạch Rau Thủy Canh
• Loại tài liệu: Đề tài nghiên cứu khoa học của sinh viên
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Đề Tài Nghiên Cứu Khoa Học Thiết Kế Mô Hình Tự Động

Đề tài nghiên cứu khoa học về thiết kế mô hình tự động hóa hệ thống thu hoạch rau thủy canh đại diện cho một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực nông nghiệp công nghệ cao. Đây là một dự án được thực hiện bởi sinh viên khoa Cơ Khí Chế Tạo Máy tại Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật TPHCM dưới sự hướng dẫn của TS. Lê Minh Tài. Mô hình tự động này nhằm cải thiện năng suất thu hoạch rau thủy canh, rút ngắn thời gian lao động và giảm chi phí sản xuất. Với sự phát triển của công nghệ hiện đại, việc áp dụng hệ thống tự động hóa trong nông nghiệp không chỉ nâng cao hiệu quả kinh tế mà còn góp phần xây dựng nền nông nghiệp bền vững, thân thiện với môi trường.

1.1. Tính Cấp Thiết Và Ý Nghĩa Khoa Học Của Đề Tài

Nền nông nghiệp hiện đại đòi hỏi các giải pháp công nghệ tiên tiến. Thiết kế mô hình tự động để thu hoạch rau thủy canh là một bước đột phá, giúp thay thế phương pháp canh tác truyền thống. Tính cấp thiết nằm ở việc tối ưu hóa quy trình sản xuất, nâng cao năng suất lao động và cung ứng sản phẩm nhanh chóng cho thị trường. Từ góc độ khoa học, đề tài thể hiện sự kết hợp giữa kỹ thuật cơ khí, hệ thống điều khiển tự động và ứng dụng công nghệ PLC trong canh tác rau thủy canh.

1.2. Mục Tiêu Và Phương Pháp Nghiên Cứu

Mục tiêu chính của đề tài NCKH là thiết kế và chế tạo hệ thống thu hoạch rau thủy canh hoàn toàn tự động. Phương pháp nghiên cứu bao gồm: phân tích nhu cầu hệ thống, thiết kế cơ khí chi tiết, tính toán độ bền các bộ phận, và lập trình hệ thống điều khiển PLC Mitsubishi FX3U. Các công cụ hỗ trợ như phần mềm Inventor cho thiết kế 3D và GS Works 2 cho lập trình PLC được sử dụng để tạo ra mô hình tự động hoàn chỉnh và chính xác.

II. Cơ Sở Lý Thuyết Và Thiết Kế Hệ Thống Điều Khiển Tự Động

Hệ thống điều khiển tự động là trái tim của mô hình tự động hóa thu hoạch rau thủy canh. Việc thiết kế hệ thống này dựa trên các nguyên lý kỹ thuật cơ khí và điều khiển tự động hiện đại. PLC (Programmable Logic Controller) được lựa chọn là thiết bị điều khiển chính, cho phép lập trình linh hoạt các quy trình làm việc phức tạp. Hệ thống bao gồm các bộ phận chính: bộ phận gắp, bộ phận tách, bộ phận đóng gói và xe tự hành. Mỗi bộ phận đều có sơ đồ khối riêng và được lập trình để hoạt động độc lập nhưng phối hợp nhịp nhàng. Việc sử dụng các cảm biến (CB) và công tắc hành trình (CTHT) giúp phát hiện tình trạng hoạt động và điều chỉnh quá trình làm việc.

2.1. Thiết Kế Cơ Khí Và Các Bộ Phận Chính

Thiết kế mô hình tự động bao gồm nhiều bộ phận cơ khí phức tạp. Bộ phận gắp sử dụng động cơ bước để điều khiển độ chính xác cao. Bộ phận tách giúp phân loại rau theo kích thước. Bộ phận đóng gói tự động đóng gói sản phẩm vào container. Xe tự hành vận chuyển sản phẩm đã đóng gói. Toàn bộ kết cấu hệ thống được thiết kế bằng phần mềm Inventor, đảm bảo độ chính xác cao. Các bộ truyền xích được tính toán để chịu tải trọng tối đa, và kiểm nghiệm độ bền các trục được thực hiện chi tiết.

2.2. Lập Trình Và Đánh Giá Hệ Thống Điều Khiển

Lập trình điều khiển được thực hiện bằng ngôn ngữ Ladder trên PLC Mitsubishi FX3U. Hệ thống được chia thành hai phần điều khiển chính: bộ phận gắp và bộ phận đóng gói, mỗi phần có bảng cấp phát địa chỉ riêng. Đánh giá hệ thống cho thấy những ưu điểm về tính tự động, hiệu suất cao và độ tin cậy. Tuy nhiên, vẫn có nhược điểm cần cải tiến trong các phiên bản tương lai.

III. Kết Quả Đạt Được Và Ứng Dụng Thực Tiễn

Đề tài NCKH đã tạo ra một mô hình tự động hóa hoàn chỉnh với các kết quả cụ thể và đo lường được. Các sản phẩm chính bao gồm bản vẽ 2D, 3D chi tiết, mô phỏng động các quá trình hoạt động, và bản thuyết minh toàn diện về hệ thống. Kiểm nghiệm tải trọng tĩnh và động trên các trục cho thấy hệ thống đáp ứng đầy đủ các yêu cầu kỹ thuật. Khung máy được phân tích chi tiết qua mô phỏng để đảm bảo độ bền và an toàn. Hệ thống tự động này không chỉ có giá trị học thuật mà còn có tiềm năng ứng dụng thực tế trong các trang trại thủy canh quy mô vừa và nhỏ.

3.1. Các Kết Quả Đo Lường Và Kiểm Nghiệm

Các bảng kiểm nghiệm chi tiết về tải trọng tĩnh trục I, trục II, tải trọng động và kết quả phân tích khung máy đã được lập. Thông số của động cơ bước, động cơ chính, bộ truyền xích 1 và 2 đều được ghi chép cụ thể. Mô phỏng tải động cho thấy hệ thống hoạt động ổn định trong các điều kiện làm việc khác nhau. Toàn bộ dữ liệu này xác nhận rằng mô hình tự động được thiết kế đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật nghiêm ngặt.

3.2. Đóng Góp Về Giáo Dục Và Phát Triển Nông Nghiệp

Đề tài nghiên cứu này đóng góp quan trọng vào việc đào tạo sinh viên về kỹ thuật tự động hóa trong nông nghiệp. Nó thể hiện sự kết hợp thành công giữa lý thuyết và thực hành. Về mặt kinh tế-xã hội, dự án hướng tới nông nghiệp bền vững, thân thiện môi trường. Giảm lao động nông nghiệp cũng là một mục tiêu quan trọng, đưa công nhân từ công việc nặng nhọc sang vị trí điều khiển máy móc.

IV. Hướng Phát Triển Và Kết Luận

Mô hình tự động hóa thu hoạch rau thủy canh có nhiều hướng phát triển tiềm năng trong tương lai. Một trong những hướng chính là tích hợp các hệ thống cảm biến thông minh để giám sát chất lượng rau và điều kiện môi trường. Nâng cấp hệ thống điều khiển bằng công nghệ IoT và AI sẽ cho phép tối ưu hóa quy trình sản xuất tự động. Mở rộng quy mô ứng dụng cho các loại rau khác hoặc các mô hình canh tác khác nhau cũng là mục tiêu dài hạn. Việc tối ưu hóa chi phí sản xuất và năng suất là những vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu. Kết luận lại, đề tài đã thành công trong việc tạo ra một thiết kế mô hình tự động hiệu quả, có thể áp dụng thực tiễn trong ngành nông nghiệp hiện đại.

4.1. Các Hướng Cải Tiến Và Nâng Cấp

Để mô hình tự động đạt hiệu quả tối đa, cần tích hợp công nghệ mới như hệ thống AI, camera nhận diện để phân loại rau chính xác hơn. Nâng cấp động cơ và bộ truyền để tăng tốc độ hoạt động là cần thiết. Phát triển giao diện điều khiển thân thiện người dùng giúp dễ dàng vận hành. Tối ưu hóa tiêu thụ năng lượng cũng là ưu tiên quan trọng cho tính bền vững.

4.2. Triển Vọng Ứng Dụng Và Đóng Góp Khoa Học

Đề tài NCKH mở ra triển vọng ứng dụng rộng rãi trong các trang trại thủy canh công nghệ cao. Kết quả nghiên cứu có thể được tham khảo bởi các dự án tương tự. Đóng góp về mặt khoa học nằm ở việc chứng minh khả năng tự động hóa hoàn toàn trong nông nghiệp. Hướng tới một nên nông nghiệp hiện đại, bền vững và hiệu quả là mục tiêu chung mà đề tài này đã góp phần thực hiện.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Chương 1: Tổng quan đề tài − Chương 2: Cơ sở lý thuyết − Chương 3: Thiết kế cơ khí và tính bền của hệ thống − Chương 4: Thiết kế hệ thống điều khiển tự động và đánh giá − Chương 5: Kết luận và hướng phát triển hệ thống 1. Kế hoạch thực hiện − Thiết kế chi tiết mô hình 3D, bản vẽ 2D, mô phỏng hệ thống. − Kiểm nghiệm độ bền, khả năng vận hành. − Lập trình vận hành cho hệ thống (PLC).

− Bản thuyết minh hệ thống 6 CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2. Giới thiệu hệ thống 2. Yêu cầu hệ thống Để thu hoạch giàn rau thủy canh, hệ thống đòi hỏi phải hoạt động theo 3 phương cơ bản (Hình 1.1) như sau: − Phương x: máy (tay kẹp) được đưa đến gắp các rọ rau thủy canh đã xác định. − Phương z: máy (bàn nâng) được đưa lên tầng rau kế tiếp để tiếp tục thu hoạch.

− Phương y: di chuyển máy (động cơ xe) đến vị trí tiếp theo cần thu hoạch rau.1: Các phương chiều hoạt động của hệ thống 2. Các phương án xây dựng hệ thống điều khiển a) Phương án 1: − Sử dụng mạch điều khiển là Arduino − Các Sensor sẽ được đặt ở tay kẹp để phát hiện được ví trí cần kẹp, và được đặt ở các tầng của giàn thủy canh để bàn nâng dừng lại để tiến hành thu hoạch. − Trục vít-me điều khiển lên xuống bàn nâng máy và động cơ xe được điều khiển bằng động cơ bước. Ưu điểm: − Với mạch Arduino dễ dàng lập trình với hệ thống rất tinh vi cho phép quản lý thiết bị tốt hơn.

− Các sensor hoạt động linh hoạt, dễ dàng điều chỉnh phù hợp theo yêu cầu đặt ra. − Điều khiển bằng động cơ bước và trục vit-me, tăng độ chính xác khi di chuyển hệ thống máy theo yêu cầu thực hiện. Nhược điểm: 7 − Mạch điều Arduino không phù hợp với yêu cầu tương tác với nhiều yêu cầu phần cứng bên ngoài (trục vít-me, động cơ bước), yêu cầu các bước hoạt động của hệ thống quá nhiều, vì vậy phải viết toàn bộ phần mềm rất phức tạp. − Sensor vào tay kẹp để phát hiện vị trí cần kẹp, nhưng thực tế sensor có thể phát hiện rau trước khi phát hiện vị trí cần kẹp điều này làm cho máy hoạt động không chính xác nữa.

− Chi phí cao. b) Phương án 2: − Sử dụng mạch điều khiển là PLC − Chỉ sử dụng một sensor để động cơ xe nhận biết vị trí thu hoạch − Trục vít-me điều khiển bàn nâng, tay kẹp và động cơ xe được điều khiển bằng động cơ bước. Ưu điểm: − Dễ dàng thay đổi chương trình theo ý muốn − Thực hiện được các thuật toán phức tạp và độ chính xác cao. − Mạch điện gọn nhẹ, dễ dàng trong việc bảo quản và sửa chữa.

− Cấu trúc dạng module, cho phép dễ dàng thay thế, mở rộng đầu vào/ra, mở rộng chức năng khác − Khả năng chống nhiễu tốt, hoàn toàn làm việc tin cậy trong môi trường công nghiệp. − Giao tiếp được với các thiết bị thông minh khác như: Máy tính, nối mạng truyền thông với các thiết bị khác. − Việc thực hiện bằng động cơ bước sẽ giúp cho máy hoạt động theo mong muốn một cách chính xác hơn, tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ, dễ dàng lắp đặt và thay thế, giá thành thấp. 8 Nhược điểm: − Giá thành cao nhưng hiện nay đã giảm đáng kể.

− Phải có trình độ chuyên môn cao để có thể sử dụng một cách thành thạo. − Việc sử dụng động cơ bước sẽ xảy ra hiện tượng trượt bước do lực từ trên nam châm vĩnh cửu đã yếu nên cho vị trí không chính xác hoặc nguồn điện cấp vào không đủ. Động cơ bước sẽ ồn và nóng dần lên khi hoạt động. Chọn lựa phương án tối ưu Sau khi xem xét và đánh giá các phương án, nhóm nhận thấy phương án thứ 2 phù hợp nhất cho hệ thống máy.

Sau khi đã chọn được phương án tối ưu, nhóm đã triển khai thiết kế hệ thống và lập trình hệ thống theo mục tiêu đã đặt ra. Các công cụ hỗ trợ 2. Phần mềm thiết kế Inventor - Thiết kế 3D hệ thống. - Mô phỏng hoạt động của hệ thống.

- Phân tích khả năng chịu tải của hệ thống. Phần mềm lập trình PLC – GS Works 2 - Viết code dưới dạng ngôn ngữ ladder cho hệ thống hoạt động - Mô phỏng kiểm tra hoạt động điều khiển của PLC 9 CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CƠ KHÍ VÀ TÍNH BỀN CỦA HỆ THỐNG 3. Kết cấu sơ bộ của hệ thống Kết cấu của hệ thống gồm 4 bộ phận chính (Hình 2.1): bộ phận tách, bộ phận gắp, bộ phận đóng gói, xe tự hành. Các bộ phận này thực hiện từng tính năng từ việc thu hoạch rọ rau từ bộ phận gắp sau đó được đứa đến bộ phận tách để thực hiện công đoạn tách rau ra khỏi rọ và đồng thời rau cũng sẽ được làm sạch tại bộ phận này.

Sau đó rau sẽ được đưa xuống công đoạn đóng gói và thành phẩm. Khi hệ thống thu hoạch tại một vị trí hoàn thành, xe tự hành sẽ di chuyển hệ thống sang vị trí mới để tiếp tục thu hoạch.1: Các bộ phận chính của hệ thống 3. Bộ phận gắp Bộ phận gắp (Hình 2.2) sử dụng 5 xy lanh kẹp để thu hoạch 5 rọ rau/1 lần thu hoạch, kèm theo đó là động cơ bước và con trượt hỗ trợ đưa các xy lanh kẹp từ trong ra ngoài để có thể thu hoạch rau và rau sau khi thu hoạch được di chuyển lên bộ phận tách bằng băng truyền và xích nâng. Trình tự thu hoạch rau được thiết kế thu hoạch từ dưới lên trên sau đó là từ trên xuống dưới nhờ vào bộ truyền xích và thanh trượt giúp nâng hạ bộ phận gắp dễ dàng và ổn định.2: Bộ phận gắp 10 3.

Bộ phận tách Sau khi rọ rau từ được đưa đến bộ phận tách (Hình 2.3) ở công đoạn này rọ rau sẽ được đưa vào bàn xoay trên để thực hiện quá trình tách rọ bằng xy lanh sau và được làm sạch bằng nước. Trong quá trình làm sạch, nước sẽ qua các lưới lọc trở vệ bộ lọc và được tái sử dụng. Rau sau khi làm sạch sẽ xuống bàn xoay dưới để chuẩn bị chuyển xuống bộ phận đóng gói. Các rọ rau sau khi tách sẽ được xếp vào hộp đựng rọ.3: Bộ phận tách 3.

Bộ phận đóng gói Sau khi rọ rau từ được đưa đến bộ phận tách (Hình 2.4) ở công đoạn này xy lanh đẩy sẽ có nhiệm vụ lấy túi đóng gói từ thùng đóng gói và được xy lanh nâng lên sau đó xy lanh đẩy sẽ mở túi đóng gói nhờ vào các giác hút. Lúc này rau sẽ được đưa vào túi đóng gói quá máng trượt và được chuyển xuống thùng đựng sản phẩm.4: Bộ phận đóng gói 3. Xe tự hành Sau khi hệ thống hoàn thành một quy trình thu hoạch xe tự hành (Hình 2.5) sẽ đưa hệ thống di chuyển đến vị trí tiếp theo để tiếp tục thu hoạch.5: Bộ phận đóng gói 11 3. Các bộ phận, chi tiết của hệ thống Bảng 2.1: Các bộ phận, chi tiết của hệ thống STT Tên SL Vật liệu Ghi chú 01 Bánh xe d200 04 Cao su Đỡ khung máy 02 Khung xe M10NTT 04 Thép 2 xoay, 2 tịnh tiến 03 Xe tự hành 01 04 Khung máy 01 Thép vuông 25x25 05 Gối đỡ trục d8 06 Hợp kim gang 06 Ống chụp phi 140 02 Nhựa pvc 07 Ống nước d40 01 Nhựa pvc Dài 400mm 08 Bu long, Đai ốc M5 32 09 Khung nâng rọ 16 10 Xích tai gá WK-1 01 11 Bộ lọc rửa 01 12 Trục D8x150mm 03 Thép 13 Động cơ xích nâng rọ 01 Số hiệu: 57HS7630A4 14 Gối đỡ trục D12 04 15 Piston lấy rọ 01 Số Hiệu: MHC2-16 16 Động cơ giảm tốc 01 Số Hiệu: JGY370 160rpm 17 Khớp nối trục D12 01 18 Gối đỡ trục D14 03 Hợp kim gang 19 Trục trơn D14x720mm 02 Thép 20 Bộ phận tách 01 21 Máng trượt a 01 22 Cốc hút f26 05 23 Giác hút chân không M10 05 24 Nẹp vuông góc 30x30 02 25 Thùng đựng bao bì 01 Mica 26 Bộ phận gắp 01 27 Động cơ bước 01 Số hiệu:57BYGH311-01 12 28 Thanh trượt 02 29 Thùng đựng sản phẩm 01 Inox 30 Ống thép D5 03 31 Đĩa xích nâng lớn 07 Số hiệu: 40B13 32 Đĩa xích nâng nhỏ 04 Số hiệu: 40B25 33 Khung đỡ bộ truyền xích 02 34 Máng trượt b 01 35 Hộp đựng rọ 01 36 Thanh lắp giác hút 1 01 Mica Lắp vào xy lanh 37 Thanh lắp giác hút 2 01 Mica Gắp vào thùng đóng gói 38 Đai ốc M10 04 39 Đai ốc M26 01 40 tay tách rọ 01 41 Khớp nối sống phi 27 01 42 Xy lanh TN20x90 02 43 Máy bơm 12V 5A 01 44 nắp chụp phi 160 02 Nhựa pvc 45 Ống nước phi 160 01 Nhựa pvc Dài 400mm 46 Thanh cố định khung với xe 03 Thép 13 3.

Kiểm nghiệm độ bền trục 3. Số liệu đầu vào Trong quá trình máy hoạt động hệ thống máy sẽ chịu tác động của 2 trục làm việc có nhiệm vụ nâng hạ bệ nâng để thu hoạch rau (Hình 3. Qua đó tải trọng của 2 trục này có ảnh hưởng rất lớn đến hệ thống máy. Vì vậy cần kiểm nghiệm độ bền của 2 trục này đảm bảo hệ thống máy hoạt động an toàn.1 Phân tích các trục làm việc của máy thu hoạch thủy canh Số liệu đầu vào: − Trục chịu tải trọng vật: 10kg − Chiều cao tối đa khi nâng vật: 1.3m − Động cơ bước: Bảng 3.1: Thông số động cơ bước Số hiệu: 57BYGH311-01 Điện áp và dòng điện 3.6V/3A Mô-men xoắn 1900N.mm Trục đường kính 8mm Trọng lượng 1.8o 5% Chọn số vòng quay trục động cơ nđc= 300 vòng/phút ➔ Công suất động cơ: Pdc= (Tđc.10^6) = 0,059kW 14 Hiệu suất của các bộ truyền tra bảng 2.3 trang 19 [1] ta có: − ŋx = 0,92 - hiệu suất bộ truyền xích (để hở) − ŋol = 0,99 - hiệu suất truyền của 1 cặp ổ lăn Chọn tỉ số truyền bộ truyền xích: − Tỉ số truyền của bộ truyền xích 1: ux1= 2 − Tỉ số truyền của bộ truyền xích 2: ux2= 1 Tính toán số vòng quay qua các trục: − Số vòng quay qua trục động cơ: nđc=300 vòng/phút − Số vòng quay trục I: n1= nđc/ux1= 300/2 = 150 vòng/ phút − Số vòng quay trục II: n2= n1/ ux2 = 150/1 = 150 vòng/phút Tính toán công suất trên các trục: − Công suất của trục động cơ: Pđc= 0,059kW − Công suất của trục I: P1= Pđc/ (ŋx.0,99)= 0,064kW − Công suất của trục II: P2 = P1/ (ŋx.0,99)= 0,07kW Tính toán momen xoắn trên các trục: − Momen xoắn trên trục động cơ: Tđc= 1900N.