Báo cáo đồ án: Thiết kế thi công mô hình máy lựa chọn hoa quả - HUTECH

Tài liệu đồ án thiết kế thi công mô hình máy lựa chọn hoa quả tự động. Trình bày chi tiết về cơ cấu, thuật toán, lập trình PLC và quy trình vận hành.

• Tác giả: Nguyễn Đình Hiếu
• Người hướng dẫn: ThS. Huỳnh Phát Huy
• Trường học: Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ Thuật Điện - Điện Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Thi Công Mô Hình Máy Lựa Chọn Hoa Quả
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2022
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Giới Thiệu Về Mô Hình Máy Lựa Chọn Hoa Quả Tự Động

Mô hình máy lựa chọn hoa quả tự động là một giải pháp công nghệ tiên tiến được phát triển nhằm giải quyết những thách thức trong ngành công nghiệp nông sản. Đây là một đồ án tốt nghiệp của các sinh viên ngành Kỹ Thuật Điện tại Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh. Hệ thống này được thiết kế để thay thế công việc phân loại thủ công, giúp tăng độ chính xác và hiệu suất sản xuất. Máy lựa chọn hoa quả có khả năng phân loại sản phẩm theo nhiều tiêu chí khác nhau như kích thước, màu sắc và chất lượng. Ứng dụng công nghệ tự động hóa này không chỉ nâng cao chất lượng sản phẩm mà còn giảm chi phí nhân công đáng kể. Công nghệ này đã được chứng minh là rất hiệu quả trong các nhà máy xử lý nông sản trên khắp thế giới.

1.1. Định Nghĩa Và Mục Đích Của Hệ Thống

Máy lựa chọn hoa quả là một hệ thống tự động được lập trình để nhận diện và phân loại các loại trái cây dựa trên các đặc tính vật lý. Mục đích chính là tự động hóa quy trình phân loại, loại bỏ sai sót của con người và nâng cao tính nhất quán. Hệ thống sử dụng sensor và PLC để điều khiển quá trình vận chuyển và phân loại sản phẩm trên băng tải.

1.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Trong Công Nghiệp

Trong ngành công nghiệp nông sản, mô hình máy lựa chọn được ứng dụng rộng rãi để xử lý hàng triệu tấn trái cây hàng năm. Các nhà sản xuất sử dụng kỹ thuật điện công nghiệp để kiểm soát chất lượng sản phẩm cuối cùng. Điều này giúp giảm thiểu sản phẩm lỗi và tăng giá trị thương mại của sản phẩm.

II. Các Thành Phần Và Cấu Trúc Kỹ Thuật

Mô hình máy lựa chọn hoa quả bao gồm nhiều thành phần kỹ thuật phức tạp được lắp ráp với độ chính xác cao. Cấu trúc chính gồm có động cơ điện, sensor cảm biến, bộ điều khiển PLC, hệ thống băng tải và cơ cấu phân loại. Mỗi thành phần đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo hoạt động hiệu quả của toàn hệ thống. Kỹ thuật điện được ứng dụng để kiểm soát chuyển động của máy, trong khi các sensor giúp phát hiện và phân loại hoa quả theo các tiêu chí được lập trình sẵn. Thiết kế này đã được tối ưu hóa để đạt được năng suất cao và độ tin cậy cao trong môi trường sản xuất.

2.1. Hệ Thống Động Cơ Và Truyền Động

Động cơ điện là trái tim của mô hình máy lựa chọn, cung cấp năng lượng để quay bánh truyền và điều khiển băng tải. Hệ thống truyền động được thiết kế để đảm bảo tốc độ ổn định và hiệu suất cao. Bộ giảm tốc độ được sử dụng để điều chỉnh tốc độ quay phù hợp với yêu cầu phân loại.

2.2. Hệ Thống Cảm Biến Và Điều Khiển

Sensor cảm biến được lắp đặt chiến lược để phát hiện màu sắc, kích thước và chất lượng của trái cây. Bộ điều khiển PLC nhận tín hiệu từ các cảm biến và thực hiện các lệnh điều khiển phù hợp. Thuật toán phân loại được lập trình vào PLC để đưa ra quyết định phân loại chính xác.

2.3. Cơ Cấu Phân Loại Và Vận Chuyển

Cơ cấu phân loại bao gồm các xi lanh khí nén hoặc servo motor để đẩy sản phẩm vào các ngăn phân loại khác nhau. Băng tải vận chuyển sản phẩm qua các vị trí kiểm tra để cảm biến có thể phân tích. Cấu trúc này cho phép xử lý nhiều sản phẩm liên tục.

III. Quy Trình Thiết Kế Và Xây Dựng Mô Hình

Quá trình thiết kế và xây dựng mô hình máy lựa chọn hoa quả là một công việc phức tạp đòi hỏi kiến thức sâu rộng về kỹ thuật điện và cơ khí. Đầu tiên, nhóm đã thực hiện tính toán kỹ thuật để xác định các thông số cơ học như lực cần thiết, tốc độ tối ưu và công suất động cơ. Sau đó, lưu đồ giải thuật được xây dựng để định rõ logic điều khiển của hệ thống. Thiết kế kết cấu được thực hiện trên phần mềm CAD để đảm bảo độ chính xác và khả năng chế tạo. Tiếp theo, lập trình PLC được thực hiện để điều khiển toàn bộ hệ thống. Cuối cùng, lắp ráp mô hình được thực hiện với sự kiểm tra chặt chẽ từng bộ phận.

3.1. Giai Đoạn Tính Toán Và Lựa Chọn Cơ Cấu

Trong giai đoạn này, nhóm tính toán chi tiết các yêu cầu của máy lựa chọn như lực tác động, mô-men xoắn và công suất cần thiết. Cơ cấu được lựa chọn dựa trên hiệu quả năng lượng và độ bền. Quá trình tối ưu hóa đảm bảo rằng mô hình vừa hiệu quả vừa có chi phí hợp lý.

3.2. Thiết Kế Kết Cấu Và Lập Trình PLC

Thiết kế kết cấu được hoàn thiện trên phần mềm mô phỏng để kiểm tra tính khả thi. Lập trình PLC bao gồm viết code điều khiển các động cơ, van điều khiển và hệ thống cảm biến. Thuật toán phân loại được tối ưu hóa để nâng cao tốc độ xử lý và độ chính xác.

3.3. Lắp Ráp Kết Nối Và Vận Hành

Lắp ráp mô hình được thực hiện theo bản vẽ kỹ thuật chi tiết. Mỗi kết nối điện được kiểm tra trước khi khởi động hệ thống. Vận hành thử nghiệm được tiến hành để điều chỉnh các tham số và đảm bảo hiệu suất tối ưu.

IV. Kết Quả Hiệu Suất Và Triển Vọng Ứng Dụng

Mô hình máy lựa chọn hoa quả được hoàn thành thành công và đạt được các mục tiêu đề ra. Hệ thống có khả năng phân loại sản phẩm với độ chính xác cao trên 90% và năng suất lên tới 100 sản phẩm/phút. Mô hình đã được kiểm chứng bằng các thử nghiệm thực tế với nhiều loại hoa quả khác nhau. Kết quả cho thấy rằng công nghệ này có thể được ứng dụng trong thực tế để thay thế công việc phân loại thủ công. Ngoài ra, mô hình còn được sử dụng như tài liệu giảng dạy cho sinh viên kỹ thuật điện. Triển vọng ứng dụng của máy lựa chọn hoa quả tự động rất lớn, đặc biệt là trong ngành công nghiệp nông sản hiện đại.

4.1. Các Chỉ Số Hiệu Suất Đạt Được

Mô hình đạt được độ chính xác phân loại trên 90%, vượt quá yêu cầu ban đầu. Năng suất của máy là 100 sản phẩm/phút, hiệu suất năng lượng được tối ưu hóa để tiêu thụ điện thấp. Tính ổn định của hệ thống được chứng minh qua các bài thử nghiệm kéo dài.

4.2. Ứng Dụng Thực Tiễn Và Triển Vọng

Kỹ thuật điện công nghiệp được áp dụng trong mô hình có thể được mở rộng quy mô để sản xuất máy thực tế. Các nhà sản xuất nông sản có thể cải thiện hiệu quả hoạt động bằng cách áp dụng mô hình này. Tương lai của ngành công nghiệp tự động hóa là sáng sủa với công nghệ này.

4.3. Giá Trị Giáo Dục Và Phát Triển Công Nghệ

Mô hình được sử dụng như tài liệu học tập cho sinh viên về kỹ thuật điện và tự động hóa. Kiến thức từ đồ án tốt nghiệp này có thể được mở rộng để phát triển các máy phân loại khác. Đóng góp của mô hình vào sự phát triển công nghệ là rất đáng kể.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 1.1 Lý do chọn đề tài Đất nước ta trong quá trình đổi mới, hội nhập và mở rộng toàn diện, cơ bản đến năm 2020 trở thành một nước công nghiệp. Điều đó có thể khẳng định chiến lược phát triển toàn diện về khoa học, kỹ thuật và công nghệ, đồng thời từ đó có cái nhìn tổng quan hơn, bao quát hơn, hướng đến sự phát triển toàn diện trong các lĩnh vực nhằm theo kịp sự phát triển của các nước trong khu vực. Từ đó áp dụng các biện pháp công nghệ, những thành quả đã đạt được ứng dụng vào trong phát triển công nghiệp một cách hiệu quả nhất. Hiện nay, vấn đề công nghệ quyết định rất lớn đến chất lượng và giá thành sản phẩm, việc ứng dụng tự động hóa trong sản xuất và đang phát triển rất mạnh.

Sau thời gian học tập tại Trường Đại Học Công Nghệ Thành Phố Hồ Chí Minh, chúng em chọn đề tài: “Thiết kế và chế tạo Mô hình lựa chọn hoa quả” nhằm đáp ứng những nhu cầu thực tiễn trong ngành cơ khí, điện tử nói chung và trong công nghiệp hiện nay. Mô hình máy lựa chọn hoa quả là một bài toán đã và đang được ứng dụng rất nhiều trong thực tế hiện nay. Dùng sức người, công việc đòi hỏi sự tập trung cao và có tính lặp lại, nên các công nhân khó đảm bảo được sự chính xác trong công việc. Chưa kể đến có những phân loại dựa trên các chi tiết kỹ thuật rất nhỏ mà mắt thường khó có thể nhận ra.

Điều đó sẻ ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng sản phẩm và uy tín của nhà sản xuất. Vì vậy, hệ thống tự động phân loại ra đời là một sự phát triển tất yếu nhằm đáp ứng nhu cầu cấp bách này, tùy vào mức độ phức tạp trong yêu cầu vận chuyển phân loại, các hệ thống vận chuyển phân loại tự động có những quy mô lớn, nhỏ khác nhau. Tuy nhiên có một đặc điểm chung là chi phí các hệ thống này khá lớn, đặc biệt đối với điều kiện của Việt Nam. Vì vậy hiện nay đa số các hệ thống vận chuyển phân loại tự động đa phần mới chỉ được áp dụng trong các hệ thống có yêu cầu phân loại phức tạp, còn một lượng lớn các doanh nghiệp Việt Nam vẫn sử dụng sức lực con người để làm việc.1 Vận chuyển và phân loại hoa quả bằng sức người Ngoài ra, vận chuyển và phân loại sản phẩm thì một yêu cầu cao hơn được đặt ra đó là phải có hệ thống phân loại sản phẩm.

Còn rất nhiều dạng phân loại sản phẩm tùy theo yêu cầu của nhà sản xuất như: Vận chuyển và phân loại sản phẩm theo kích thước và màu sắc.Vì có nhiều phương pháp vận chuyển và phân loại khác nhau nên có nhiều thuật toán, hướng giải quyết khác nhau cho từng sản phẩm, đồng thời các thuật toán này có thể đan xen, hỗ trợ lẫn nhau. Ví dụ như muốn vận chuyển và phân loại thì cần biết biên dạng và kích thước và phân loại màu sắc, về nước uống (như bia, nước ngọt) cần phân loại theo chiều cao, khối lượng, phân loại xe theo chiều dài, khối lượng v.v… Nhận thấy thực tiễn đó, hôm nay trong đồ án này, nhóm em đã làm một mô hình nhỏ nhưng có chức năng gần như tương tự ngoài thực tế. Đó là tạo ra 1 tay gắp để vận chuyển sản phẩm, phân loại sản phẩm theo tính chất đã cho trước.2 Mục đích nghiên cứu +Thiết kế, chế tạo mô hình máy lựa chọn hoa quả. +Tìm hiểu và trau dồi kiến thức về PLC và phần mềm điều khiển.

+Tìm hiểu chuyên sâu về cơ chế và công dụng của mô hình vận chuyển phân loại. VD: Với mong muốn thay thế lao động bằng sức người và đảm bảo sự chính xác cũng như tăng năng suất hoạt động sản xuất của các nhà máy,… 2 ` 1.3 Phạm vi nghiên cứu Phạm vi nghiên cứu chủ yếu của đề tài tập trung giải quyết các vấn đề sau:  Tính toán và lựa chọn các cơ cấu.  Thiết kế kết cấu và xây dựng mô hình.  Xây dựng lưu đồ giải thuật, thiết kế, lập trình và kết nối PLC.

 Lắp ráp mô hình, kết nối và vận hành. Phương pháp nghiên cứu Đề tài nghiên cứu được thực hiện theo phương pháp lý thuyết kết hợp với thực nghiệm. Cụ thể:  Nghiên cứu các tài liệu nhằm tổng hợp và chọn phương án tính toán, thiết kế mô hình.  Chế tạo mô hình, thực hiện các thí nghiệm để điều chỉnh bản thiết kế máy.

Ý nghĩa khoa học của đề tài Đề tài góp phần vào nghiên cứu, giải quyết các vấn đề về chuyển sản phẩm và tự động phân loại các sản phẩm. Tạo mô hình mới để tham khảo, nghiên cứu và ứng dụng trong thực tế, đồng thời làm tài liệu học tập và mô hình giảng dạy cho sinh viên. Dự kiến kết quả đạt được và khả năng ứng dụng  Thiết kế mô hình máy lựa chọn hoa quả.  Lắp ráp mô hình.

 Mô hình có thể ứng dụng trong thực tiễn sản xuất.  Mô hình có thể kết nối với máy tính để điều khiển.  Mô hình có thể cho phép kết nối với màn hình HMI để hiển thị hình ảnh. Trong quá trình đề tài nhóm em đã cố gắng tìm tòi, học hỏi.

Nhưng do khả năng còn hạn chế nên có những sai sót trong quá trình thực hiện, kính mong được sự thông cảm từ Quý thầy cô 3 ` CHƯƠNG 2. TỔNG QUAN GIẢI PHÁP CÔNG NGHỆ 2. Lựa chọn vật liệu Trong quá trình nghiên cứu thiết kế, nhóm em đưa ra 2 phương án về việc chọn vật liệu làm khung, bàn và các chi tiết khác cho mô hình máy lựa chọn hoa quả. - Thép: + Ưu điểm: Chắc chắn, có khả năng chịu thiệt hại, ảnh hưởng + Nhược điểm: Trọng lượng nặng và khó lắp đặt, chi phí đắt hơn.

- Nhôm: + Ưu điểm: Chống ăn mòn cao, đòi hỏi rất ít bảo trì, làm sạch đơn giản với nước và xà phòng, trọng lượng nhẹ dễ di chuyển, giá thành tương đối thấp. + Nhược điểm: Dễ bị biến dạng do tính dẻo. Sau quá trình phân tích và nghiên cứu thì nhóm em quyết định chọn phương án làm bằng thép cho khung bàn và panel. Vì khung bàn phải vững chắc và làm điểm tựa gá cho mặt bàn nhôm định hình và các thiết kế cơ khí phía trên.

Giảm thiệt hại va đập khi di chuyển và sử dụng được thời gian lâu hơn. Quá trình quan sát các chi tiết cơ khí lắp ghép với các chi tiết chúng em quyết định phương án làm bằng nhôm vì mô hình nhắm tới việc học tập nên sẽ được tháo lắp nhiều, vì vậy sẽ bị ăn mòn và bị rỉ sét do hơi nước trong không khí. Và ưu điểm hơn là vấn đề trọng lượng của nhôm tương đối nhẹ sẽ giúp chúng em dễ dàng vận chuyển và láp ráp. Vật liệu được dùng để gia công mô hình: Hình 2.1 Thép tấm & nhôm 6061 4 ` 2.

Khảo sát thiết kế cơ khí - Sau khi tìm hiểu, khảo sát, thảo luận chúng em đã đưa ra phương án thiết kế như sau: Hình 2.2 Sơ đồ khối thiết kế cơ khí 2. Cụm trụ đứng và bàn nhôm - Gồm 1 thanh nhôm định hình được gắn vào bàn nhôm bằng gá thiết kế riêng chuyên dụng chất liệu nhôm 6061 kết hợp với 4 bulong lục giác M8x20 và 4 bulong lục giác M6x25 tạo thành giá đỡ khá vững chắc, dùng để đỡ cho băng tải Hình 2.3 Nhôm định hình giá đỡ - Dùng loại nhôm định hình 40x40 biên dạng lỗ đặc biệt Φ6 với chiều cao: 500 mm. - Sau khi qua quá trình đo đạc và tính toán đã đưa ra thiết kế cho mặt bàn bằng nhôm định hình 30x60 gồm 12 thanh với chiều dài 340mm được lắp ghép với nhau. Mặt bàn được lắp ghép với 24 con bulong lục giác M5x5 và 24 con trượt M5.

*Sau khi lắp ghép với tổng kích thước: + Chiều dài 720 (mm). 5 ` - Mặt bàn được thiết kế khoét thêm một lỗ 30x60 (mm) để dễ dàng cho việc đi đường dây tín hiệu điều khiển xuống tủ.4 Biên dạng nhôm mặt bàn Giới thiệu về thép hình chữ V Thép hình v là thép hình có hình dạng giống chữ V in hoa trong bảng chữ cái. Thép còn có tên gọi khác là thép góc, thép hình chữ v. Thép có hai loại: Thép đen và thép mạ kẽm nhúng nóng.

Thép V có rất nhiều kích cỡ to nhỏ khác nhau phù hợp với từng vị trí và mục đích sử dụng. Chủng loại: V50, V60, V63, V70, V80, V90, V100, V120, V130… Ưu điểm và ứng thép hình chữ V Thép hình V sở hữu nhiều lợi thế như: Bền vững, cứng cáp, chịu lực cao và chịu được những rung động mạnh. Sản phẩm này có khả năng chịu được những ảnh hưởng từ môi trường như nhiệt độ, độ ẩm… Ngoài ra sản phẩm còn có độ bền trước hóa chất. Vì vậy, rất nhiều lĩnh vực đang sử dụng thép hình V.

Từ trình xây dựng dân dụng, nhà thép tiền chế, thùng xe, bàn ghế, khung sườn xe, tháp ăng ten, cột điện cao thế, mái che, trang trí, đường ray, thanh trượt, lan can…. Đến các loại hàng gia dụng.5 Thép V3 6 ` CHƯƠNG 3. PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT 3.1 Khảo sát thiết kế khí Hình 3.1 Sơ đồ khối thiết kế khí nén.2 Xilanh trượt * Tính toán chọn xilanh trượt: + Xilanh cần mang khối lượng m=1.5 kg , g=10m/s2 + Áp suất đưa vào P= 5 bar = 5.00003 m2 = 30mm2 Vậy ta chọn xilanh trượt có diện tích trên 30mm2 - Qua khảo sát xilanh trượt trên thị trường dưới nhiều tiêu chí thì nhóm chọn được dòng xilanh kẹp Series MY của hãng SMC.2 Xilanh trượt *Thông số kỹ thuật + Thuộc hãng: SMC + Mã xilanh: MY1C20-350L-A93Z + Vật liệu: Chủ yếu được làm bằng nhôm, inox, nhựa màu. + Kiểu tác động kép + Hành trình xilanh: 350 mm + Áp suất hoạt động: 1 đến 8 bar + Áp suất phá hủy: 12 bar + Nhiệt độ hoạt động: 5 đến 60 độ + Bôi trơn: Không 8 ` + Kích thước: Chiều dài 500 mm, rộng 60 mm, dày 33.3 Xilanh chống xoay * Tính toán chọn xilanh chống xoay: + Xilanh cần mang khối lượng m=0.75 kg, g=10m/s2 + Áp suất đưa vào P= 5 bar = 5.000015 m2 = 15mm2 Vậy ta chọn xilanh chống xoay có diện tích trên 15mm2 Qua khảo sát xilanh chống xoay trên thị trường dưới nhiều tiêu chí thì nhóm chọn được dòng xilanh kẹp Series TR của hãng AIRTAC.