Đồ án Kỹ thuật: thiết kế hệ thống cơ điện tử thiết kế hệ thống phân loại

Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm tự động. Tìm hiểu nguyên lý hoạt động, sơ đồ mạch và ứng dụng trong sản xuất công nghiệp.

• Tác giả: Nguyễn Minh Hoàng
• Người hướng dẫn: TS. Nguyễn Trọng Du
• Trường học: Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Cơ Điện Tử
• Đề tài: Đồ Án Thiết Kế Hệ Thống Phân Loại Sản Phẩm Tự Động
• Loại tài liệu: Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử
• Năm xuất bản: 2024
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế hệ thống cơ điện tử phân loại sản phẩm

Thiết kế hệ thống cơ điện tử là một lĩnh vực quan trọng trong công nghiệp hiện đại, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất tự động. Hệ thống phân loại sản phẩm đóng vai trò thiết yếu trong việc nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí sản xuất và tăng tính cạnh tranh cho các doanh nghiệp. Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử tại Đại học Bách Khoa Hà Nội tập trung vào việc phát triển các giải pháp tự động hóa toàn diện cho quá trình sản xuất. Với năng suất làm việc 10 sản phẩm/phút, hệ thống này xử lý các phôi với trọng lượng từ 0,4 kg đến 6 kg. Các phôi được thiết kế dưới dạng hình trụ và hình lập phương với các kích thước cụ thể, đòi hỏi một hệ thống điều khiển chính xác và hiệu quả cao.

1.1. Khái niệm và ứng dụng hệ thống phân loại

Hệ thống phân loại sản phẩm là công nghệ tự động phân biệt và sắp xếp các sản phẩm dựa trên các tiêu chí khác nhau như kích thước, khối lượng, màu sắc hoặc mã vạch. Ứng dụng của thiết kế hệ thống cơ điện tử này rất rộng rãi trong các ngành công nghiệp như sản xuất linh kiện, đóng gói, xử lý thực phẩm và sản xuất điện tử. Hệ thống sử dụng khí nén làm nguồn lực cấp phôi, động cơ điện quay băng tải, và bộ truyền xích để truyền động. Công nghệ này giúp các doanh nghiệp tiết kiệm nhân lực, nâng cao chất lượng sản phẩm và tối ưu hóa quá trình sản xuất.

1.2. Nguyên lý hoạt động cơ bản

Nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên sự phối hợp giữa các thành phần cơ học và điều khiển điện tử. Phôi được cấp vào hệ thống thông qua piston/van khí nén, sau đó được băng tải truyền động bởi động cơ điện. Cảm biến quang phát hiện các tính chất của sản phẩm và gửi tín hiệu đến bộ điều khiển PLC. Hệ thống điều khiển xử lý thông tin và điều khiển các van đảo chiều để phân loại sản phẩm vào các luồng khác nhau dựa trên tiêu chí được lập trình sẵn.

II. Các thành phần cơ bản của hệ thống cơ điện tử

Một hệ thống phân loại sản phẩm hiệu quả bao gồm nhiều thành phần liên kết chặt chẽ với nhau. Thiết kế hệ thống cơ điện tử đòi hỏi lựa chọn đúng các thành phần có khả năng đáp ứng yêu cầu kỹ thuật cao. Động cơ điện cung cấp công suất để quay băng tải với tốc độ ổn định. Piston và van khí nén thực hiện công việc cấp phôi và đẩy sản phẩm đến vị trí phân loại. Hệ thống cảm biến bao gồm cảm biến quang E3F3S của Omron, giúp phát hiện các đặc tính sản phẩm. Bộ điều khiển PLC xử lý tín hiệu từ cảm biến và ra lệnh cho các van đảo chiều để phân loại sản phẩm. Rơ le trung gian và bộ chuyển đổi nguồn đảm bảo an toàn và ổn định cho hệ thống.

2.1. Hệ thống pneumatic và động cơ điện

Hệ thống khí nén sử dụng piston và van đảo chiều để kiểm soát chuyển động của phôi. Động cơ điện được chọn lựa dựa trên năng suất 10 sản phẩm/phút và khả năng xoay băng tải một cách liên tục. Bộ truyền xích truyền chuyển động từ động cơ đến băng tải, đảm bảo hiệu suất truyền động tối ưu. Thiết kế sơ đồ nguyên lý khí nén là bước quan trọng trong thiết kế hệ thống cơ điện tử để đảm bảo hoạt động an toàn và chính xác.

2.2. Hệ thống cảm biến và điều khiển

Cảm biến quang Omron E3F3S là thiết bị chính để phát hiện các tính chất của sản phẩm như kích thước, màu sắc và mã vạch. Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến và xử lý chúng theo chương trình được lập sẵn. Giao diện HMI cho phép người vận hành giám sát và điều khiển hệ thống. Nút dừng khẩn cấp Emergency Stop đảm bảo an toàn cho hệ thống và nhân viên. Mô phỏng hệ thống bằng TIA Portal giúp kiểm chứng tính đúng đắn của thuật toán điều khiển.

III. Thiết kế hệ thống điều khiển tự động

Thiết kế hệ thống điều khiển là khâu then chốt trong đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử. Quá trình này bao gồm xác định ý tưởng điều khiển, tính năng điều khiển và giao diện với người sử dụng. Lựa chọn phương án điều khiển dựa trên phân tích yêu cầu kỹ thuật như năng suất 10 sản phẩm/phút, khả năng xử lý phôi có trọng lượng từ 0,4 kg đến 6 kg. Sơ đồ điều khiển được thành lập chi tiết để minh họa quy trình hoạt động của hệ thống. Tính toán chi tiết bao gồm lựa chọn linh kiện điện, rơ le trung gian, bộ chuyển đổi nguồn phù hợp với yêu cầu công suất. Mô phỏng hệ thống bằng phần mềm TIA Portal giúp xác minh tính đúng đắn trước khi triển khai.

3.1. Lựa chọn phương án và sơ đồ điều khiển

Phương án điều khiển được chọn lựa dựa trên phân tích tính chất phôi/sản phẩm và yêu cầu kỹ thuật. Sơ đồ nguyên lý hệ thống được xây dựng để thể hiện rõ các kết nối giữa động cơ điện, van pneumatic, cảm biến, và bộ điều khiển PLC. Diễn giải sơ đồ chi tiết giúp người thực hiện hiểu rõ quá trình hoạt động. Bản vẽ lắp ráp được vẽ chi tiết trên các tờ A1 hoặc A2 theo tiêu chuẩn kỹ thuật.

3.2. Tính toán chi tiết và lựa chọn linh kiện

Tính toán chi tiết bao gồm xác định công suất động cơ điện, áp lực khí nén cần thiết, thông số kỹ thuật của các van, piston, cảm biến. Lựa chọn linh kiện dựa trên năng suất 10 sản phẩm/phút và khả năng xử lý phôi hình trụ và hình lập phương với kích thước cụ thể. Giao diện điều khiển được thiết kế trên bảng công tắc với các nút bấm, đèn báo sáng. Lập trình PLC thực hiện các logic điều khiển phức tạp để phân loại sản phẩm chính xác.

IV. Mạch điện và mô phỏng hệ thống cơ điện tử

Thiết kế mạch điện hệ thống điều khiển là giai đoạn cuối cùng trong đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử. Mạch điện được vẽ theo sơ đồ đấu nối PLC chuẩn, bao gồm mạch điện lực cho động cơ điện và mạch điều khiển cho các van pneumatic. Chương trình PLC được viết trong môi trường TIA Portal để điều khiển toàn bộ quá trình phân loại sản phẩm. Mô phỏng hệ thống kiểm chứng tính đúng đắn của logic điều khiển trước khi triển khai thực tế. Giao diện màn hình HMI cho phép giám sát thời gian thực trạng thái hoạt động của từng thành phần. Bảng giao diện điều khiển được thiết kế với các nút lệnh, đèn báo sáng và khóa an toàn để đảm bảo tính an toàn cho người vận hành.

4.1. Thiết kế mạch điện và sơ đồ đấu nối

Bản vẽ mạch điện được vẽ chi tiết trên A1 hoặc A2 theo tiêu chuẩn kỹ thuật. Sơ đồ đấu nối PLC thể hiện các kết nối giữa cảm biến, rơ le trung gian, bộ chuyển đổi nguồn và bộ điều khiển. Nút dừng khẩn cấp được đặt tại vị trí dễ tiếp cận. Bảng điện bao gồm các công tắc chuyển đổi, bộ cầu chì bảo vệ, và các thiết bị bảo vệ an toàn. Lựa chọn cáp điện phù hợp với dòng điện và khoảng cách lắp ráp.

4.2. Chương trình PLC và mô phỏng hệ thống

Chương trình PLC được lập trình bằng ngôn ngữ Ladder hoặc Structured Text trong TIA Portal. Logic điều khiển bao gồm các hàm so sánh để phân loại sản phẩm dựa trên tín hiệu từ cảm biến quang. Mô phỏng giúp kiểm chứng hoạt động trong các tình huống khác nhau. Giao diện màn hình HMI cung cấp thông tin giám sát thời gian thực về trạng thái máy, số lượng sản phẩm phân loại, các lỗi. Chương trình được tối ưu hóa để giảm thời gian phản hồi và nâng cao độ chính xác phân loại.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM Giới thiệu chung về các hệ thống phân loại sản phảm và ứng dụng trong thục tế, làm rõ nguyên lý hoạt động của hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao 1.1 Khái niệm và ứng dụng:  Khái niệm chung : Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói hay loại bỏ sản phẩm hỏng. Hệ thống phân loại sản phẩm tự động Hệ thống phân loại sản phẩm hiện nay có rất nhiều trong ứng dụng thực tế trong các nhà máy xí nghiệp bao gồm:  Phân loại sản phẩm theo kích thước: Phương pháp này dựa vào kích thước của sản phẩm mà phân loại. Phương pháp này thường được áp dụng trong các ngành công nghiệp chế biến bia, nước giải khát, .Hệ thống phân loại sản phẩm theo kích thước  Phân loại sản phẩm theo màu sắc: Phương pháp này dựa vào màu sắc sản phẩm mà phân loại.

Phương pháp này được ứng dụng hiều trong các dây chuyền chế Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD:TS. Nguyễn Trọng Du biến nông sản, vật liệu xây dựng nhằm phân loại chính xác màu sắc của sản phẩm. Hệ thống phân loại cam theo màu sắc  Phân loại sản phẩm theo khối lượng: Phương pháp này dựa vào khối lượng của sản phẩm mà phân loại, thường gặp nhiều trong chế biến thủy, hải sản. Hệ thống phân loại sản phẩm theo khối lượng  Phân loại sản phẩm theo vật liệu: Phương pháp này dựa vào loại vật liệu của sản phẩm để phân loại.

Phương pháp này thường ứng dụng hiện tượng cảm ứng điện từ để nhận dạng sản phẩm có lẫn kim loại, ứng dụng trong các dây chuyền sản xuất thực phẩm.  Phân loại sản phẩm theo mã vạch: Mã vạch được tạo riêng cho từng loại sản phẩm về số lượng, mặt hàng, thông tin khách hàng ngay trực tiếp trên sản phẩm. Phương pháp này sử dụng công nghệ laser hoặc công nghệ chụp ảnh SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Trang 3 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: TS. Nguyễn Trọng Du tuyến tính cho phép phát ra các tia sáng thẳng quét ngang mã vạch hoặc các chùm tia sáng bao trùm mã vạch.

Phân loại sản phẩm theo mã vạch Hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng nhiều trong sản xuất tự động hàng hóa với số lượng lớn, giúp phân loại nhanh những sản phẩm đạt yêu cầu và những sản phẩm bị lỗi (phế phẩm) cũng như phân loại thành những nhóm có đặc điểm khác nhau phục vụ cho những công đoạn sản xuất sau này. Trong các nhà máy sản xuất hàng thực phẩm, nhà máy sản xuất gạch ốp lát cho ngành xây dựng hay sản xuất các chi tiết cơ khí, linh kiện điện tử …, dòng sản phẩm được tạo ra sau hàng loạt những qui trình công nghệ cần được kiểm tra để đảm bảo loại bỏ được những phế phẩm cùng với đó phân loại những sản phẩm đạt chất lượng thành những nhóm cùng loại khác khau, tạo điều khiện thuận lợi cho quá trình lưu kho để phân phối ra thị trường hay phục vụ tốt hơn cho những công đoạn sản xuất tiếp theo. Hơn nữa, nó còn có thể tích hợp thêm chức năng dán nhãn, đếm và quản lý sản phẩm., giúp nâng chất lượng của sản phẩm và nâng cao hiệu quả hoạt động của dây chuyền sản xuất.2 Nguyên lý hoạt động Hệ thống phân loại sản phẩm dựa trên nguyên lý dùng cảm biến để xác định yếu tố mang tính chất phân loại sản phẩm. Chuyển động của bộ băng chuyền đưa sản phẩm của bộ phận tiếp nhận đến bộ phận điều khiển để tiến hành phân loại.

Các sản phẩm sau khi phân loại sẽ được chuyển đến thùng hàng để đóng gói. Chu trình này sẽ lặp lại cho đến khi hết sản phẩm. SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Trang 4 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD:TS. Nguyễn Trọng Du Yêu cầu kĩ thuật cơ bản của các cụm chức năng trong hệ thống: chuyển động tịnh tiến đưa sản phẩm đến bộ phận phân loại, hầu hết trong hệ thống phân loại sản phẩm dùng băng chuyền để tạo ra chuyển động này.

Để truyền động quay cho trục của băng chuyền người ta dùng động cơ điện thông qua các bộ truyền ngoài như xích hoăc đai. Ngoài chuyển động đưa sản phẩm vào của băng chuyền máy còn chuyển động cần thiết nữa đó là hai chuyển động tịnh tiến để đẩy sản phẩm không đạt kích thước hoặc phân loại sản phẩm của piston, xilanh hoặc khí nén. Chuyển động của piston, xilanh được điều khiển bởi hệ thống khí nén. Hoạt động của hệ thống: Cảm biến báo có phôi hay không để hệ thống hoạt động.

Động cơ chạy khi có phôi trong ống cấp làm băng tải di chuyển. Các cảm biến xác định các loại sản phẩm theo chiều cao( gồm 3 loại sản phẩm là 12cm, 15cm và 18cm ). Sau đó các xy lanh sẽ đẩy các sản phẩm vào trong cách rãnh trượt đưa sản phẩm vào thùng hàng. *Sơ đồ thuật toán điều khiển: SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Trang 5 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: TS.

Nguyễn Trọng Du CHƯƠNG 2. CÁC THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG Tìm hiểu về các thành phần của hệ thống phân loại sản phẩm và tính toán hệ thống cơ khí, lựa chọn động cơ phù hợp Hình 2-6. Mô Hình hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao Nguồn: http://doantotnghiep.vn/thiet-ke-che-tao-he-thong-phan-loai-san-pham Bảng 2.1 Các thành phần cơ bản của hệ thống được biểu diễn trên hình ảnh: (1) Nguồn cấp 24VDC. (13) Dây dẫn khí (2) PLC (15) Sản phẩm (3) Động cơ một chiều (16) Băng chuyền (4) Nút nhấn (17) Khay đựng sản phẩm (5) Rơ le trung gian (18) Khung đỡ cơ khí (6),(8),(14) Cảm biến (19) Hộp cấp sản phẩm (7),(9) Piston phân loại (20) Piston cấp sản phẩm (10),(11),(12) Van đảo chiều 5/2 2.1 Động cơ Động cơ điện là máy điện dùng để chuyển đổi năng lượng điện sang năng lượng cơ học.

Hầu hết động cơ điện hiện có hoạt động theo hiệu ứng điện từ. Một SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Trang 6 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD:TS. Nguyễn Trọng Du số ít là động cơ áp điện hoạt động dựa trên hiệu ứng áp điện, và thường là động cơ cỡ nhỏ hoặc siêu nhỏ. Ứng dụng: Ngày nay động cơ điện được dùng trong hấu hết mọi lĩnh vực, từ các động cơ nhỏ dùng trong lò vi sóng để chuyển động đĩa quay, hay trong các máy đọc đĩa (máy chơi CD hay DVD), đến các đồ nghề như máy khoan, hay các máy gia dụng như máy giặt, sự hoạt động của thang máy hay các hệ thống thông gió cũng dựa vào động cơ điện.

Ở nhiều nước động cơ điện được dùng trong các phương tiện vận chuyển, đặc biệt trong các đầu máy xe lửa. Trong công nghệ máy tính: Động cơ điện được sử dụng trong các ổ cứng, ổ quang (chúng là các động cơ bước rất nhỏ). Nguyên tắc hoạt động: Phần chính của động cơ điện gồm phần đứng yên (stator) và phần chuyển động (rotor) được quấn nhiều vòng dây dẫn hay có nam châm vĩnh cửu. Khi cuộn dây trên rotor và stato được nối với nguồn điện, xung quanh nó tồn tại các từ trường, sự tương tác từ trường của rotor và stator tạo ra chuyển động quay của rotor quanh trục hay 1 mômen.

Phân loại: Các loại động cơ điện: - Động cơ điện một chiều: Và hệ thống động cơ – máy phát cho phép thay đổi mômen và vận tốc góc trong phạm vi rộng, đảm bảo khởi động êm, hãm và đảo chiều dễ dàng  Nhược điểm của chúng là đắt, riêng loại động cơ điện 1 chiều lại khó kiếm và phải tăng thêm vốn đầu tư để đặt các thiết bị chỉnh lưu. - Động cơ bước, động cơ servo : nguyên lí hoạt động là nhận các sung tín hiệu để điều chỉnh quay theo góc  Ưu điểm: có độ nhạy và độ chính xác cao,khả năng hãm tốt  Nhược điểm : giá thành cao Trong mô hình, vì sử dụng truyền động băng tải dây đai và không yêu cầu tải trọng lớn nên không cần động cơ có công suất lớn. Với yêu cầu khá đôn giản của băng tải như là:  Băng tải chạy liên tục, có thể dừng khi cần. SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Trang 7 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD: TS.

Nguyễn Trọng Du  Không đòi hỏi độ chính xác, tải trọng băng tải nhẹ.  Dễ điều khiển, giá thành rẻ. Vì vậy chỉ cần sử dụng loại động cơ 1 chiều có công suất nhỏ, khoảng 20 – 40W, điện áp vào là 24V. Một số loại động cơ điện Nguồn: https://thosuaxe.info/dong-co-dien-la-gi/ Động cơ điện 1 chiều là động cơ điện hoạt động với dòng điện 1 chiều.

Động cơ điện 1 chiều được dùng rất phổ biến trong công nghiệp và ở những thiết bị cần điều chỉnh tốc độ quay liên tục trong 1 phạm vi hoạt động. Động cơ điện 1 chiều trong dân dụng thường là các dạng động cơ hoạt động với điện áp thấp, dùng với những tải nhỏ. Trong công nghiệp, động cơ điện 1 chiều được sử dụng ở những nơi yêu cầu momen mở máy lớn hoặc yêu cầu điều chỉnh tốc độ bằng phẳng và trong phạm vi rộng.2 Piston/ Van khí nén Theo thiết kế, cơ cấu phân loại sản phẩm được thực hiện bằng piston khí nén. Piston khí nén (xi lanh khí nén) là thiết bị cơ học, hoạt động được nhờ khí nén giúp chuyển năng lượng tiềm năng thành động năng (nhờ sự chênh áp bởi khí nén nên áp suất lớn hơn áp suất khí quyển), piston của xi lanh chuyển động làm cho sản phẩm được phân loại.

 Hệ thống khí nén: Được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp lắp ráp, chế biến, đặc biệt ở những lĩnh vực cần phải đảm bảo vệ sinh, chống cháy nổ hoặc ở các môi trường SVTH: Nguyễn Minh Hoàng Trang 8 Đồ án thiết kế hệ thống cơ điện tử GVHD:TS. Nguyễn Trọng Du độc hại. Ví dụ, lĩnh vực lắp ráp điện tử, chế biến thực phẩm, các khâu phân loại, đóng gói sản phẩm thuộc các dây chuyền sản xuất tự động; trong công nghiệp gia công cơ khí…  Ưu điểm: -Do không khí có khả năng chịu nén (đàn hồi) nên có thể nén và trích chứa trong bình chứa với áp suất cao thuận lợi, xem như một kho chứa năng lượng. -Có khả năng truyền tải đi xa bằng hệ thống đường ống với tổn thất nhỏ, khí nén sau khi sinh công cơ học có thể thải ra ngoài mà không gây hại cho môi trường; -Tốc độ truyền động cao, linh hoạt, dễ điều khiển với độ tin cậy và chính xác; - Có giải pháp và thiết bị phòng ngừa quá tải, quá áp suất hiệu quả.

 Nhược điểm: -Công suất truyền động không lớn.