Luận Văn Thiết Kế Mô Hình Mô Phỏng Tay Máy 3 Bậc Tự Do Sử Dụng Trong Dây Chuyền Phân Loại Sản Phẩm

Thiết kế mô hình tay máy 3 bậc tự do là một trong những ứng dụng quan trọng trong dây chuyền phân loại… 63 trang · Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng · 2017.

• Tác giả: Vũ Bá Đạt
• Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Đức Minh
• Trường học: Trường Đại Học Dân Lập Hải Phòng
• Chuyên ngành: Điện Tự Động Công Nghiệp
• Đề tài: Thiết Kế Mô Hình Tay Máy 3 Bậc Tự Do Trong Dây Chuyền Phân Loại Sản Phẩm
• Loại tài liệu: Đồ Án Tốt Nghiệp
• Năm xuất bản: 2017
• Địa điểm: Hải Phòng

Mục lục chi tiết

• LỜI NÓI ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG VÀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO
• 1.1. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG SẢN XUẤT TỰ ĐỘNG
• 1.1.1. Giới thiệu chung
• 1.1.2. Đặt vấn đề
• 1.2. Dây Chuyền Sản Xuất Tự Động Hóa
• 1.2.1. Khái niệm
• 1.2.2. Các hệ thống sản xuất tự động và phân loại sản phẩm hiện nay
• 1.2.2.1. Một số ví dụ về sản xuất tự động hiện nay
• 1.2.2.2. Một số ví dụ về mô hình phân loại sản phẩm hiện nay
• 1.3. GIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO
• 1.3.1. Đặt vấn đề
• 1.3.2. Mục tiêu thiết kế hệ thống
• 1.3.2.1. Mục tiêu kinh tế
• 1.3.2.2. Mục tiêu kỹ thuật
• 1.3.3. Yêu cầu của hệ thống
• 1.3.4. Phạm vi và nội dung thiết kế hệ thống
• 1.3.4.1. Phạm vi thiết kế
• 1.3.4.2. Nội dung thiết kế
• 2. CHƯƠNG 2: PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 2.1. Ý TƯỞNG THIẾT KẾ
• 2.2. PHÂN TÍCH VÀ CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ
• 2.2.1. Hệ thống băng tải
• 2.2.1.1. Giới thiệu về băng tải
• 2.2.1.2. Ưu nhược điểm về băng tải
• 2.2.1.3. Cấu tạo chung về băng tải
• 2.2.1.4. Các loại băng tải và phương án lựa chọn
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tóm tắt

I. Tổng quan về thiết kế mô hình tay máy 3 bậc tự do

Thiết kế mô hình tay máy 3 bậc tự do là một trong những ứng dụng quan trọng trong dây chuyền phân loại sản phẩm. Mô hình này không chỉ giúp nâng cao hiệu suất làm việc mà còn giảm thiểu chi phí sản xuất. Việc áp dụng công nghệ tự động hóa vào sản xuất hiện nay đang trở thành xu hướng tất yếu, đặc biệt trong các ngành công nghiệp chế biến và sản xuất hàng hóa.

1.1. Giới thiệu về mô hình tay máy 3 bậc tự do

Mô hình tay máy 3 bậc tự do cho phép thực hiện các chuyển động linh hoạt, giúp gắp và phân loại sản phẩm một cách chính xác. Các bậc tự do này bao gồm các chuyển động xoay và dịch chuyển, tạo điều kiện thuận lợi cho việc thao tác trong không gian ba chiều.

1.2. Lợi ích của việc sử dụng tay máy trong dây chuyền sản xuất

Việc sử dụng tay máy trong dây chuyền sản xuất giúp tăng năng suất lao động, giảm thiểu sai sót và tiết kiệm thời gian. Hệ thống này còn giúp cải thiện điều kiện làm việc cho công nhân, giảm bớt sức lao động nặng nhọc.

II. Vấn đề và thách thức trong thiết kế mô hình tay máy

Mặc dù có nhiều lợi ích, việc thiết kế mô hình tay máy 3 bậc tự do cũng gặp phải nhiều thách thức. Các vấn đề như độ chính xác trong việc gắp sản phẩm, khả năng tương tác với các cảm biến và hệ thống điều khiển là những yếu tố cần được xem xét kỹ lưỡng.

2.1. Độ chính xác trong gắp sản phẩm

Độ chính xác là yếu tố quan trọng trong việc gắp sản phẩm. Mô hình tay máy cần được thiết kế sao cho có thể thực hiện các thao tác gắp một cách chính xác, tránh làm hỏng sản phẩm.

2.2. Tương tác với hệ thống cảm biến

Hệ thống cảm biến đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện sản phẩm. Việc tích hợp cảm biến vào mô hình tay máy cần được thực hiện một cách đồng bộ để đảm bảo hiệu quả hoạt động.

III. Phương pháp thiết kế mô hình tay máy 3 bậc tự do

Để thiết kế mô hình tay máy 3 bậc tự do, cần áp dụng các phương pháp khoa học và công nghệ hiện đại. Việc lựa chọn vật liệu, cấu trúc và hệ thống điều khiển là những yếu tố quyết định đến hiệu quả của mô hình.

3.1. Lựa chọn vật liệu cho tay máy

Vật liệu được chọn cần đảm bảo độ bền và nhẹ, giúp tay máy hoạt động hiệu quả. Các vật liệu như nhôm hoặc composite thường được ưa chuộng trong thiết kế tay máy.

3.2. Thiết kế hệ thống điều khiển

Hệ thống điều khiển cần được lập trình một cách chính xác để điều khiển các chuyển động của tay máy. Việc sử dụng PLC (Programmable Logic Controller) là một giải pháp hiệu quả cho hệ thống này.

IV. Ứng dụng thực tiễn của mô hình tay máy trong dây chuyền phân loại sản phẩm

Mô hình tay máy 3 bậc tự do đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều dây chuyền sản xuất. Từ việc phân loại sản phẩm theo kích thước đến việc gắp sản phẩm vào bao bì, mô hình này đã chứng minh được tính hiệu quả và độ tin cậy.

4.1. Phân loại sản phẩm theo kích thước

Mô hình tay máy có khả năng phân loại sản phẩm theo kích thước, giúp tăng tốc độ sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình phân loại.

4.2. Gắp sản phẩm vào bao bì

Việc gắp sản phẩm vào bao bì được thực hiện một cách tự động, giúp tiết kiệm thời gian và công sức cho công nhân. Điều này cũng góp phần nâng cao hiệu quả sản xuất.

V. Kết luận và tương lai của mô hình tay máy 3 bậc tự do

Mô hình tay máy 3 bậc tự do không chỉ mang lại hiệu quả cao trong sản xuất mà còn mở ra nhiều cơ hội mới cho ngành công nghiệp. Tương lai của mô hình này hứa hẹn sẽ còn phát triển mạnh mẽ hơn nữa với sự tiến bộ của công nghệ.

5.1. Tiềm năng phát triển của công nghệ tay máy

Công nghệ tay máy đang ngày càng được cải tiến, với nhiều tính năng mới được tích hợp. Điều này sẽ giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm chi phí.

5.2. Hướng đi tương lai cho ngành công nghiệp

Ngành công nghiệp sẽ tiếp tục hướng tới việc tự động hóa và ứng dụng công nghệ cao, trong đó mô hình tay máy 3 bậc tự do sẽ đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm.

Nội dung chính

Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Trong tiến trình hiện đại hóa và công nghiệp hóa, tự động hóa đóng vai trò nòng cốt nhằm nâng cao năng suất, chuẩn hóa chất lượng và tối ưu hóa chi phí sản xuất. Tại các dây chuyền chế tạo và chế biến hiện đại, khâu vận chuyển, phân loại và đóng gói sản phẩm là mắt xích quan trọng quyết định tốc độ lưu thông của thành phẩm. Tuy nhiên, theo ghi nhận thực tế của tác giả trong đồ án tốt nghiệp ngành Điện Tự động công nghiệp, phần lớn các doanh nghiệp vừa và nhỏ tại Việt Nam vẫn thực hiện công đoạn phân loại và đóng gói bằng phương pháp thủ công hoặc bán tự động. Việc sử dụng sức lao động cơ bắp trực tiếp ở những khâu này dẫn đến năng suất lao động thấp, mức độ đồng đều không cao, dễ phát sinh sai sót do sự thiếu ổn định về thể lực và thời gian làm việc của công nhân.

Xuất phát từ thực trạng đó, đề tài "Thiết kế mô hình mô phỏng tay máy 3 bậc tự do sử dụng trong dây truyền phân loại sản phẩm" được tác giả Vũ Bá Đạt thực hiện dưới sự hướng dẫn của ThS. Nguyễn Đức Minh tại Trường Đại học Dân lập Hải Phòng. Mục tiêu của đồ án là thiết kế, tính toán cơ cấu cơ khí và lập trình hệ thống điều khiển tự động nhằm cơ giới hóa quá trình phân loại phôi/sản phẩm theo thông số kích thước hình học, thay thế nhân công trong các thao tác nặng nhọc và lặp chu kỳ.

Mục tiêu nghiên cứu của đồ án được phân định cụ thể theo hai khía cạnh:

1. Mục tiêu kinh tế: Thiết kế hệ thống tự động phân loại sản phẩm dựa trên chiều cao thành 3 nhóm (Cao, Trung bình, Thấp), từ đó nâng cao hiệu suất làm việc, tối ưu chi phí vận hành và hướng đến khả năng ứng dụng thực tiễn trong các xí nghiệp quy mô vừa và nhỏ.
2. Mục tiêu kỹ thuật: Xây dựng hệ thống vận hành ổn định, đồng bộ giữa phần truyền động cơ khí, hệ thống chấp hành khí nén và mạch điều khiển điện tử; đảm bảo độ chính xác trong định vị và phân loại; hệ thống vận hành tin cậy, có độ bền cơ học cao, đáp ứng an toàn cho người và thiết bị, đồng thời có khả năng mở rộng, nâng cấp công nghệ.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu của đồ án bao gồm:

• Đối tượng nghiên cứu: Mô hình dây chuyền băng tải vận chuyển phôi và cơ cấu tay máy robot 3 bậc tự do tích hợp cơ cấu gắp đặt sử dụng cơ cấu chấp hành khí nén; hệ thống cảm biến nhận diện chiều cao và bộ điều khiển khả trình PLC (Programmable Logic Controller).
• Phạm vi nghiên cứu:
  • Về mặt không gian và chức năng: Giới hạn trong mô hình phân loại sản phẩm dạng khối rời theo 3 cấp độ chiều cao xác định trước (Cao, Trung bình, Thấp) trên một nhánh băng chuyền dẫn động độc lập.
  • Về mặt lý thuyết chuyên ngành: Áp dụng kiến thức chuyên ngành Điện tự động công nghiệp gồm Khí cụ điện, Máy điện, Truyền động điện, và Điều khiển logic khả trình PLC (dòng Siemens S7-200).
  • Về mặt thời gian: Đề tài được hoàn thành và bảo vệ trong năm 2017.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng tích hợp liên ngành giữa cơ học truyền động, khí động lực học và kỹ thuật điều khiển tự động công nghiệp.

Khung lý thuyết và khái niệm chuyên ngành

1. Cơ sở lý thuyết máy điện và truyền động cơ khí: Vận dụng lý thuyết động cơ điện một chiều (DC Motor), phương trình điện áp phần ứng $U = E_ư + R_ư \cdot I_ư$, kết hợp các định luật cơ học ứng dụng để tính toán bộ truyền đai dẹt, lực kéo băng tải, lực ma sát ($F_{ms} = k \cdot N$) và công cản chuyển động nhằm xác định công suất động cơ phù hợp.
2. Lý thuyết hệ thống truyền động khí nén: Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng $P \cdot V = \frac{m}{\mu} \cdot R \cdot T$ (với hằng số khí của không khí $R = 287\text{ J/kg}\cdot\text{K}$) để xác định vận tốc dòng khí, thể tích công tác của xilanh khí nén và lực đẩy sinh ra bởi áp suất tác động kép: $F = p \cdot S$.
3. Lý thuyết điều khiển logic khả trình (PLC): Ứng dụng kiến thức về kiến trúc phần cứng, chu kỳ quét (scan cycle), tập lệnh Boole và phương pháp biểu diễn giải thuật điều khiển tuần tự bằng lưu đồ trạng thái Grafcet trên dòng vi điều khiển công nghiệp Siemens S7-200 CPU 224.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả áp dụng các phương pháp kỹ thuật thực nghiệm và tính toán thiết kế điển hình của ngành kỹ thuật tự động hóa:

• Phương pháp phân tích - lựa chọn phương án tối ưu: So sánh định tính và định lượng giữa các phương án cơ cấu công nghệ (băng tải đai so với băng tải lá, xích, con lăn; động cơ DC giảm tốc so với động cơ bước; xilanh khí nén so với cơ cấu cam/động cơ servo; cảm biến quang học phản xạ so với cảm biến tiệm cận điện cảm/điện dung).
• Phương pháp tính toán thiết kế kỹ thuật: Tính toán chi tiết các thông số hình học, động học và động lực học của bộ truyền đai, trục con lăn băng tải, dung tích và vận tốc xilanh khí nén 4 trục chuyển động của tay máy.
• Phương pháp mô hình hóa và thiết kế logic: Xây dựng sơ đồ phân công tín hiệu I/O, thiết lập sơ đồ nguyên lý đấu nối phần cứng mạch điều khiển và lập trình thuật toán điều khiển tuần tự trên nền tảng phần mềm của S7-200.

Nguồn dữ liệu nghiên cứu

• Thông số kỹ thuật từ nhà sản xuất cho các linh kiện thương mại: Động cơ DC KM-3448A, cảm biến quang điện E3F-DS10C4, rơle trung gian OMRON 8 chân 24VDC, van khí nén đảo chiều 5/2, bộ điều khiển PLC Siemens S7-200 CPU 224.
• Số liệu tính toán thực tế từ kích thước hình học, tải trọng phôi giả định ($m = 0{,}05\text{ kg}$, $B_{sp} = 21\text{ mm}$) và các hằng số vật lý tiêu chuẩn.

Thiết kế và triển khai hệ thống kỹ thuật

Hệ thống được thiết kế theo cấu trúc hệ thống Cơ điện tử (Mechatronics) khép kín, bao gồm phân hệ cơ khí chấp hành, phân hệ khí nén và phân hệ điều khiển điện - điện tử.

Kiến trúc tổng thể và nguyên lý hoạt động

Hệ thống bao gồm một băng chuyền cấp phôi liên tục. Khi phôi di chuyển trên băng tải, hệ thống cảm biến quang học đặt tại các cao độ khác nhau sẽ quét và xác định kích thước chiều cao của vật thể. Tín hiệu số từ cảm biến được đưa vào đầu vào số (Digital Input) của PLC S7-200. Khối xử lý trung tâm giải mã trạng thái logic theo lưu đồ Grafcet để điều khiển các rơle trung gian kích hoạt cuộn hút của van điện từ khí nén 5/2 và đóng cắt nguồn động cơ DC, từ đó điều khiển tay máy 3 bậc tự do thực hiện chu trình: xoay góc, tịnh tiến ngang, hạ cánh tay, kẹp phôi và vận chuyển phôi về đúng thùng chứa quy định cho từng mức chiều cao.

+-------------------------------------------------------------+
|                     SƠ ĐỒ KHỐI HỆ THỐNG                     |
|                                                             |
|  [Cảm biến quang E3F-DS10C4] ---> [Khối đầu vào Digital In]  |
|                                              |              |
|                                              v              |
|                             [PLC Siemens S7-200 CPU 224]    |
|                                              |              |
|                                              v              |
|  [Cơ cấu chấp hành khí nén] <--- [Khối rơle đệm / Van 5/2]  |
|  [Động cơ DC KM-3448A]      <--- [Mạch cấp nguồn 24VDC]     |
+-------------------------------------------------------------+

Thiết kế phân hệ cơ khí và khí nén

1. Băng chuyền dẫn động:
   • Sử dụng bộ truyền đai dẹt có bản rộng $B = 55\text{ mm}$, khoảng cách tâm 2 trục con lăn $a = 460\text{ mm}$, đường kính quả lô dẫn và bị dẫn $D_1 = D_2$.
   • Băng tải được kéo bởi động cơ DC thông qua bộ truyền đai phụ trợ có đường kính bánh dẫn $d_1 = 10\text{ mm}$, bánh bị dẫn $d_2 = 20\text{ mm}$, khoảng cách trục $a = 50\text{ mm}$, tỷ số truyền $i = 0{,}5$.
   • Vận tốc dài của băng chuyền đạt $V = 0{,}12\text{ m/s}$, số vòng quay trục dẫn động $n = 0{,}75 \cdot n_{đc} \cdot i$.
2. Cơ cấu tay máy và bộ kẹp khí nén:
   • Cơ cấu tay máy có kết cấu chịu lực bằng khung kim loại định hình kết hợp ray trượt bi dẫn hướng tịnh tiến, sử dụng 4 cụm xilanh tác động kép (Double Acting Cylinder):
     • Xilanh 1 (Xoay thân tay máy quanh trục): Hành trình $L = 100\text{ mm}$, áp suất làm việc $p = 1\text{ atm}$, vận tốc dòng khí $V = 0{,}87\text{ m/s}$.
     • Xilanh 2 (Nâng/hạ cánh tay theo phương thẳng đứng): Hành trình $L = 100\text{ mm}$, áp suất làm việc $p = 1\text{ atm}$, vận tốc dòng khí $V = 0{,}87\text{ m/s}$.
     • Xilanh 3 (Thò/thụt cánh tay theo phương ngang): Hành trình $L = 75\text{ mm}$, dung tích khoang khí $V = 26.138\text{ mm}^3$, áp suất $p = 1\text{ atm}$, vận tốc khí $V = 0{,}87\text{ m/s}$.
     • Xilanh 4 (Đóng/mở cơ cấu kẹp sản phẩm): Đường kính piston $d = 90\text{ mm}$, hành trình kẹp $L = 50\text{ mm}$, dung tích $V = 7.068\text{ mm}^3$, áp suất cấp $p = 0{,}5\text{ atm}$, vận tốc khí $V = 1{,}74\text{ m/s}$.

Thiết kế phân hệ điện và điều khiển logic

Toàn bộ hệ thống điều khiển vận hành ở cấp điện áp công nghiệp 24VDC nhằm đảm bảo tính tương thích và an toàn thiết bị.

Phân hệ / Thiết bị	Model / Thông số kỹ thuật	Vai trò chức năng trong hệ thống
Khối điều khiển trung tâm	Siemens S7-200 (CPU 224) - 14 Digital Input / 10 Digital Output - Bộ nhớ chương trình 4.096 words, dữ liệu 2.560 words - Tốc độ xử lý lệnh Boole 0,37 µs - Lưu trữ bộ nhớ không mất dữ liệu 190 giờ	Tiếp nhận tín hiệu từ cảm biến và nút nhấn, thực thi thuật toán điều khiển tuần tự Grafcet, phát lệnh điều khiển đầu ra.
Động cơ kéo băng tải	Động cơ điện một chiều KM-3448A - Điện áp 24VDC - Momen xoắn cực đại $M = 7\text{ kg}\cdot\text{cm}$ - Tỷ số truyền hộp số giảm tốc tích hợp 50:1 - Đường kính trục $D = 6\text{ mm}$	Dẫn động băng tải chuyển động ổn định với vận tốc thấp, sinh ngẫu lực kéo lớn chống kẹt tải.
Cảm biến nhận diện	Cảm biến quang phản xạ E3F-DS10C4 - Điện áp làm việc 10 - 30VDC - Đấu nối 3 dây (Nâu, Xanh, Đen) - Khoảng cách phát hiện phôi $L = 10\text{ cm}$	Phát hiện sự hiện diện của phôi và phân định 3 mức độ cao phôi trên băng tải mà không cần tiếp xúc vật lý.
Cơ cấu điều phối khí nén	Van đảo chiều khí nén 5/2 (5 cửa 2 vị trí) - Kèm van tiết lưu điều chỉnh lưu lượng khe hở	Đảo chiều luồng khí nén cấp cho 2 đầu buồng xilanh tác động kép, van tiết lưu tinh chỉnh vận tốc chấp hành.
Khối đóng cắt phụ trợ	- Rơle trung gian OMRON 8 chân (cuộn hút 24VDC) - Công tắc hành trình cơ khí - Hộp nút nhấn đơn thường mở	Cách ly quang và đệm công suất giữa ngõ ra PLC và cuộn hút van điện từ; xác định vị trí giới hạn của cơ cấu tay máy.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hệ thống sản xuất tự động và hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao

Chương mở đầu tập trung khái quát vai trò của kỹ thuật tự động hóa trong sản xuất công nghiệp hiện đại, chỉ ra rằng việc tự động hóa giúp hạ giá thành, tăng năng suất, loại bỏ lao động độc hại và cho phép tiêu chuẩn hóa sản phẩm phục vụ sản xuất hàng loạt. Tác giả tiến hành phân tích các mô hình phân loại sản phẩm điển hình trong thực tế sản xuất:

• Phân loại theo màu sắc (sử dụng cảm biến quang nhận diện bước sóng quang học, ứng dụng trong công nghiệp dược phẩm và đóng gói thuốc).
• Phân loại theo tính chất vật liệu (sử dụng cảm biến cảm ứng từ để tách biệt kim loại sắt, thép, đồng trong dây chuyền chế biến bao bì, gia vị).
• Khảo sát các ví dụ thực tế về dây chuyền chiết rót đóng lon bia tự động và robot hàn cắt kim loại.

Trên cơ sở đó, chương 1 đi sâu vào hệ thống phân loại sản phẩm theo chiều cao, thiết lập các mục tiêu kinh tế - kỹ thuật cần đạt được và xác định phạm vi thực hiện mô hình: thiết kế phân loại 3 cấp sản phẩm (Cao, Trung bình, Thấp) thông qua việc kết hợp cơ cấu băng tải, tay máy gắp đặt và điều khiển tự động logic.

Chương 2: Phân tích và chọn phương án thiết kế

Chương 2 trình bày toàn bộ quá trình biện luận, so sánh các giải pháp kỹ thuật để lựa chọn cấu hình thiết bị cho mô hình:

• Lựa chọn loại băng tải: Tác giả lập bảng so sánh 4 loại băng chuyền công nghiệp gồm băng tải dây đai ($< 50\text{ kg}$), băng tải lá ($25 - 125\text{ kg}$), băng tải thanh đẩy ($50 - 250\text{ kg}$) và băng tải con lăn ($30 - 500\text{ kg}$). Băng tải dây đai được chọn do tải trọng phôi nhỏ, kết cấu cơ khí gọn nhẹ, chi phí gia công chế tạo thấp.
• Lựa chọn động cơ dẫn động: So sánh giữa động cơ bước (Step Motor) và động cơ điện một chiều (DC Motor). Động cơ bước cho độ chính xác góc cao nhưng giá thành lớn và momen nhỏ. Ngược lại, động cơ DC KM-3448A tích hợp hộp giảm tốc 50:1 được lựa chọn nhờ ưu thế giá rẻ, momen xoắn lớn ($7\text{ kg}\cdot\text{cm}$), dễ khống chế tốc độ.
• Lựa chọn bộ truyền động: Bộ truyền đai được lựa chọn thay thế cho bộ truyền bánh răng, xích và trục vít nhờ khả năng làm việc êm dịu, không gây ồn, giảm chấn động do dao động tải trọng và đóng vai trò cơ cấu an toàn chống quá tải cho động cơ khi có sự cố trượt đai.
• Lựa chọn cơ cấu kẹp và chuyển động tay máy: So sánh động cơ điện và xilanh khí nén. Tác giả lựa chọn xilanh khí nén tác động kép (Double Acting Cylinder) do độ bền cao, khả năng chịu quá tải vượt trội, thao tác êm ái, kết cấu gọn gàng và dễ dàng đảo chiều chuyển động qua van điện từ.
• Lựa chọn cảm biến: Khảo sát các cảm biến tiệm cận điện cảm, điện dung và cảm biến quang học. Cảm biến quang phản xạ E3F-DS10C4 (phạm vi phát hiện $10\text{ cm}$, nguồn cấp $10 - 30\text{VDC}$) được chọn vì khoảng cách phát hiện xa, không tiếp xúc cơ học với sản phẩm và thời gian đáp ứng tín hiệu nhanh.
• Lựa chọn thiết bị điều khiển: Chọn bộ điều khiển khả trình PLC S7-200 CPU 224 của hãng Siemens thay vì mạch vi điều khiển rời hay mạch rơle cơ học, nhờ tính linh hoạt cao trong lập trình, khả năng chống nhiễu công nghiệp, tích hợp sẵn các bộ định thời (256 Timer), bộ đếm xung tốc độ cao (20 kHz) và bộ nhớ lưu trữ không mất dữ liệu lên đến 190 giờ.

Chương 3: Tính toán thiết kế hệ thống

Chương 3 trình bày các bước tính toán chi tiết và cụ thể hóa các bản vẽ kỹ thuật:

• Tính toán cơ khí bộ truyền đai và băng tải:
  • Tỷ số truyền $i = \frac{d_1}{d_2} = \frac{10}{20} = 0{,}5$. Tốc độ động cơ $n_{đc} = 220\text{ vòng/phút}$.
  • Kích thước băng tải: Khoảng cách trục $a = 460\text{ mm}$, bề rộng đai $B = 55\text{ mm}$. Với khối lượng sản phẩm trung bình $m = 0{,}05\text{ kg}$, trọng lượng phôi tính toán $P = 0{,}49\text{ N}$, lực ma sát $F_{ms} = k \cdot P$, từ đó tính ra lực kéo $F_{kéo} = 10^{-3}\text{ Nm}$ và vận tốc tuyến tính của băng tải đạt $V = 0{,}12\text{ m/s}$.
• Tính toán khí động học hệ thống cánh tay robot:
  • Thiết lập các thông số động học của 4 xilanh khí nén tác động kép kết hợp khung đỡ chịu lực và hệ thống thanh ray trượt bi tịnh tiến dẫn hướng hai trục (lên - xuống và vào - ra).
  • Áp dụng phương trình trạng thái khí lý tưởng tính toán vận tốc dòng khí trong xilanh 1, 2, 3 đạt $V = 0{,}87\text{ m/s}$ tại áp suất $1\text{ atm}$, riêng cụm xilanh kẹp sản phẩm đạt vận tốc $V = 1{,}74\text{ m/s}$ tại áp suất $0{,}5\text{ atm}$ với dung tích khoang khí $7.068\text{ mm}^3$.
• Thiết kế mạch điện và lập trình điều khiển:
  • Thiết lập sơ đồ khối kết nối tổng thể: Cảm biến quang $\rightarrow$ PLC S7-200 $\rightarrow$ Rơle trung gian OMRON $\rightarrow$ Van đảo chiều 5/2 $\rightarrow$ Xilanh khí nén; đồng thời cấp xung đóng ngắt động cơ DC.
  • Phân bổ bảng địa chỉ cổng vào/ra (I/O Mapping) cho PLC S7-200.
  • Xây dựng sơ đồ chức năng điều khiển Grafcet mô tả đầy đủ chu trình chuyển trạng thái tuần tự của hệ thống từ nút bấm khởi động, quét cảm biến, định vị sản phẩm đến phân loại và thu hồi tay máy về vị trí gốc.

Kết quả và đóng góp kỹ thuật

Kết quả kỹ thuật đạt được

1. Thiết kế hoàn chỉnh mô hình thực nghiệm cơ điện: Đã tính toán và lựa chọn đầy đủ thông số cho hệ thống phân loại phôi gồm băng chuyền đai dẹt ($B = 55\text{ mm}$, vận tốc truyền $0{,}12\text{ m/s}$) và cơ cấu tay máy 3 bậc tự do dẫn động bằng 4 cụm xilanh khí nén tác động kép kết hợp ray trượt dẫn hướng chính xác.
2. Xây dựng giải pháp điều khiển đồng bộ: Thiết lập sơ đồ nguyên lý đấu nối hoàn chỉnh sử dụng nguồn cung cấp chuẩn 24VDC, tích hợp thành công PLC Siemens S7-200 CPU 224, các cảm biến quang điện E3F-DS10C4, rơle OMRON và van khí nén đảo chiều 5/2.
3. Chuẩn hóa quy trình điều khiển: Hoàn thiện sơ đồ thuật toán trạng thái Grafcet và bảng phân công địa chỉ cổng vào/ra số cho PLC, tạo tiền đề để nạp chương trình điều khiển phân loại tự động 3 cấp chiều cao sản phẩm hoạt động nhịp nhàng, chính xác.

Giải pháp kỹ thuật tác giả đề xuất

• Đề xuất giải pháp phối hợp cơ cấu truyền động lai (Hybrid actuation): Kết hợp động cơ điện DC KM-3448A tích hợp hộp giảm tốc để duy trì chuyển động tịnh tiến liên tục của băng tải với hệ thống khí nén áp lực ($0{,}5 - 1\text{ atm}$) cho cơ cấu gắp đặt tay máy, nhằm tận dụng đặc tính đáp ứng nhanh, lực nâng lớn và kết cấu thanh thoát của xilanh.
• Giải pháp bố trí cảm biến quang học phản xạ dọi tia dán nhãn theo tầng cao độ phôi để loại trừ nhiễu kích thước ngang, nâng cao độ chính xác phát hiện vật thể dạng khối rời rạc.

Đóng góp của đề tài

Theo tự đánh giá của tác giả trong đồ án, nghiên cứu mang lại đóng góp thiết thực cho nhu cầu tự động hóa khâu đóng gói - phân loại tại các cơ sở chế tạo quy mô vừa và nhỏ:

• Đưa ra một mô hình cơ điện tự động hóa có chi phí chế tạo thấp, cấu tạo đơn giản, linh kiện phổ biến trên thị trường, giúp thay thế hiệu quả lao động thủ công nặng nhọc.
• Cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, giảm thiểu các khâu thao tác đơn điệu, lặp đi lặp lại, đồng thời nâng cao độ chính xác và tính ổn định trong quản lý chất lượng phân loại sản phẩm.

Hạn chế và hướng phát triển

Dựa trên nội dung thuyết minh và phạm vi nghiên cứu thực tế của văn bản, đồ án tồn tại một số hạn chế kỹ thuật và hướng mở rộng như sau:

Hạn chế kỹ thuật

• Quy mô mô hình mô phỏng: Hệ thống mới dừng lại ở mức độ thiết kế mô hình mô phỏng thực nghiệm thí nghiệm với thông số phôi mẫu tải trọng rất nhỏ ($m = 0{,}05\text{ kg}$, chiều rộng phôi $21\text{ mm}$), chưa trải qua các bài kiểm thử độ bền công nghiệp dưới điều kiện tải trọng lớn hoặc môi trường sản xuất có rung chấn, bụi bẩn.
• Tiêu chí phân loại đơn biến: Đề tài chỉ tập trung phân loại duy nhất theo một chiều đo hình học (chiều cao với 3 cấp độ: Cao, Trung bình, Thấp), chưa tích hợp đa cảm biến để phân loại đồng thời theo khối lượng, màu sắc hoặc vật liệu phôi.
• Nền tảng phần cứng điều khiển: Sử dụng dòng PLC Siemens S7-200, vốn là thế hệ thiết bị điều khiển kinh điển nhưng hiện đã ngừng sản xuất (discontinued) và được thay thế bởi dòng S7-1200 trên các dây chuyền công nghiệp hiện đại.

Hướng phát triển tiếp theo

• Mở rộng số bậc tự do cho tay máy (tăng từ 3 bậc tự do lên 4 hoặc 5 bậc tự do) nhằm tăng không gian làm việc và độ linh hoạt khi gắp đặt sản phẩm phức tạp.
• Tích hợp thêm các khối cảm biến khác (cảm biến nhận diện màu sắc, cảm biến tiệm cận kim loại, cảm biến lực/loadcell) để hệ thống có khả năng phân loại đa chỉ tiêu.
• Nâng cấp bộ điều khiển trung tâm lên các dòng PLC thế hệ mới hỗ trợ mạng truyền thông công nghiệp (như PROFINET/Modbus) và thiết kế giao diện giám sát vận hành SCADA/HMI.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo có giá trị chuyên môn đối với sinh viên, giảng viên và kỹ sư thực hành trong các chuyên ngành:

• Kỹ thuật Điện - Tự động hóa: Cung cấp tài liệu mẫu về quy trình thiết kế hệ thống điều khiển khả trình PLC S7-200, từ khâu phân công địa chỉ cổng I/O, thiết lập sơ đồ đấu nối mạch động lực/điều khiển 24VDC đến kỹ thuật xây dựng lưu đồ Grafcet.
• Cơ điện tử và Chế tạo máy: Cung cấp phương pháp luận và các bước tính toán công thức thực tế cho bộ truyền đai dẹt, lựa chọn thông số xilanh khí nén, xác định dung tích buồng khí và tính toán cơ cấu thanh ray trượt bi tịnh tiến hai trục cho tay máy gắp đặt.
• Người thực hiện đồ án tốt nghiệp tương tự: Cung cấp cấu trúc báo cáo thuyết minh chuẩn mực theo tiêu chuẩn ISO 9001:2008 của trường đại học kỹ thuật, gồm đầy đủ 3 phần: tổng quan khảo sát, biện luận lựa chọn phương án công nghệ và tính toán thiết kế chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

1. Hệ thống trong đồ án thực hiện phân loại sản phẩm dựa trên tiêu chí nào và có bao nhiêu mức phân loại?
Hệ thống phân loại sản phẩm hoàn toàn dựa trên kích thước chiều cao của sản phẩm khi di chuyển qua vùng quét của cảm biến quang điện. Sản phẩm được phân loại cụ thể thành 3 nhóm: Cao, Trung bình và Thấp, sau đó tay máy sẽ gắp và đưa vào các ngăn chứa tương ứng.

2. Động cơ nào được lựa chọn để kéo băng chuyền và động cơ này có các thông số kỹ thuật chính là gì?
Động cơ được lựa chọn là động cơ điện một chiều DC model KM-3448A tích hợp sẵn bộ giảm tốc bên trong. Các thông số kỹ thuật chính bao gồm: nguồn cấp định mức 24VDC, momen xoắn cực đại $M = 7\text{ kg}\cdot\text{cm}$, đường kính trục $D = 6\text{ mm}$, và tỷ số truyền giảm tốc là 50:1.

3. Cơ cấu tay máy 3 bậc tự do và cơ cấu gắp sản phẩm sử dụng nguồn động lực gì?
Toàn bộ hệ thống nâng hạ, dịch chuyển và kẹp của tay máy đều sử dụng nguồn động lực khí nén với 4 cụm xilanh tác động kép (Double Acting Cylinder): xilanh 1 quay thân quanh trục (hành trình $100\text{ mm}$), xilanh 2 nâng hạ cánh tay thẳng đứng (hành trình $100\text{ mm}$), xilanh 3 tịnh tiến cánh tay ra vào theo phương ngang (hành trình $75\text{ mm}$), và xilanh 4 đóng vai trò cơ cấu kẹp sản phẩm (đường kính $90\text{ mm}$, hành trình $50\text{ mm}$).

4. Bộ điều khiển trung tâm được sử dụng trong hệ thống có thông số phần cứng như thế nào?
Hệ thống sử dụng bộ điều khiển lập trình PLC Siemens S7-200 CPU 224 với kích thước $120{,}5\text{ mm} \times 80\text{ mm} \times 62\text{ mm}$, trang bị sẵn 14 cổng vào số (Digital Input) và 10 cổng ra số (Digital Output). CPU có dung lượng bộ nhớ chương trình 4.096 words, bộ nhớ dữ liệu 2.560 words (EEPROM), tốc độ xử lý lệnh Boole đạt 0,37 µs, tích hợp 256 timer, 256 counter và duy trì dữ liệu không mất khi mất điện trong 190 giờ.

5. Cảm biến nhận diện sản phẩm trong mô hình là loại nào và có thông số làm việc ra sao?
Tác giả lựa chọn cảm biến quang học phản xạ model E3F-DS10C4. Cảm biến hoạt động ở dải điện áp $10 - 30\text{V}$, kết nối qua 3 dây tín hiệu (Nâu, Xanh, Đen) và có khoảng cách nhận biết sản phẩm tối đa là $L = 10\text{ cm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế mô hình mô phỏng tay máy 3 bậc tự do sử dụng trong dây truyền phân loại sản phẩm" của sinh viên Vũ Bá Đạt đã giải quyết trọn vẹn nhiệm vụ thiết kế một mô hình tự động hóa cơ điện phục vụ khâu phân loại phôi theo chiều cao. Nghiên cứu kết hợp hài hòa giữa các tính toán cơ khí - khí nén thực tế cho băng tải và cơ cấu chấp hành tay máy với phương pháp điều khiển logic tuần tự trên nền tảng PLC Siemens S7-200. Các kết quả tính toán động lực học, sơ đồ đấu nối điện và lưu đồ thuật toán Grafcet được xây dựng chi tiết, phản ánh đúng tính chất kỹ thuật thực hành của ngành Điện Tự động công nghiệp. Đây là tài liệu kỹ thuật có giá trị tham khảo rõ ràng cho sinh viên và kỹ sư trong việc nghiên cứu, mô phỏng và ứng dụng các hệ thống tay máy phân loại sản phẩm tự động trong công nghiệp.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề Ngày nay cùng với sự phát triển của các nghành khoa học kỹ thuật, trong đó điều khiển tự động đóng vai trò hết sức quan trọng trong mọi lĩnh vực khoa học kỹ thuật, quản lý, công nghiệp tự động hóa, cung cấp thông tin. Do đó chúng ta phải nắm bắt và vận dụng nó một cách có hiệu quả nhằm góp phần vào sự phát triển nền khoa học kỹ thuật thế giới nói chung và trong sự phát triển kỹ thuật điều khiển tự động nói riêng. Một trong những khâu tự động trong dây chuyền sản xuất tự động hóa đó là số lƣợng sản phẩm sản xuất ra đƣợc các băng tải vận chuyển và sử dụng hệ thống nâng gắp phân loại sản phẩm. Tuy nhiên đối với những doanh nghiệp vừa và nhỏ thì việc tự động hóa hoàn toàn chƣa đƣợc áp dụng trong những khâu phân loại, đóng bao bì mà vẫn còn sử dụng nhân công, chính vì vậy cho ra năng suất thấp chƣa đạt hiểu quả cao.

Từ những điều đã đƣợc nhìn thấy trong thực tế cuộc sống và những kiến thức mà em đã học đƣợc ở trƣờng muốn tạo ra hiệu suất lao động lên gấp nhiều lần, đồng thời vẫn đảm bảo đƣợc độ chính xác cao. Nên em quyết định thiết kế và thi công mô hình sử dụng băng chuyền để phân loại sản phẩm vì nó rất gần gũi với thực tế, vì trong thực tế có nhiều sản phẩm đƣợc sản xuất ra đòi hỏi phải có kích thƣớc tƣơng đối chính xác và nó thật sự có ý nghĩa đối với em, góp phần làm cho xã hội ngày càng phát triển mạnh hơn. Tự động hóa Tự động hóa là dùng để chỉ một công việc đƣợc thực hiện mà không có sự giúp đỡ của bất kỳ sự can thiệp trực tiếp của con ngƣời. Tự động hóa có 2 nghĩa là thực hiện một nhiệm vụ đặc biệt với sự giúp đỡ của mạch điện truyền động điện.

Tự động hóa đã luôn luôn chứng tỏ là một ý tƣởng có hiệu quả đối với hầu hết các nghành công nghiệp và các công ty, mà đối phó với sản xuất, vốn và hàng hóa tiêu dùng. Bất kỳ loại hình sản xuất sẵn sàng tạo ra điều kiện thuận lợi bằng cách tự động hóa. Hệ thống tự động hóa là một hệ thống có cả điện – điện tử và cơ khí. Ví dụ điều khiển băng tải phân loại sản phẩm thì có 2 phần đó là phần cơ khí và phần điện.

Phần cơ khí gồm có băng tải, cánh tay còn phần điện là toàn bộ hệ thống nhƣ cấp điện cho động cơ hoạt động, cấp điện cho role đóng mở các van khí. Nhƣ vậy, tự động hóa chính là quá trình thay thế tác động cơ bắp của con ngƣời khi thực hiện các quá trình công nghệ chính hoặc các chuyển động chính bằng máy. Vai trò của tự động hóa Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động. Trong mọi thời đại, các quá trình sản xuất luôn đƣợc điều khiển theo các qui luật kinh tế.

Có thể nói giá thành là một trong những yếu tố quan trọng xác định nhu cầu phát triển tự động hóa. Không một sản phẩm nào có thể cạnh tranh đƣợc nếu giá thành sản phẩm cao hơn các sản phẩm cùng loại, có tính năng tƣơng đƣơng với các hãng khác. Trong bối cảnh nền kinh tế đang phải đối phó với các hiện tƣợng nhƣ lạm phát, chi phí cho vật tƣ, lao động, quảng cáo và bán càng ngày càng tăng buộc công nghiệp chế tạo phải tìm kiếm các phƣơng pháp sản xuất tối ƣu để giảm giá thành sản phẩm. Mặt khác nhu cầu nâng cao chất lƣợng sản phẩm sẽ làm tăng mức độ phức tạp của quá trình gia công.