Thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống rót, đóng nắp chai và dán nhãn tự động

Sau đó chai sẽ được đưa qua cơ cấu dán nhãn nhờ băng chuyền Hình 1.1 Dây chuyền sản xuất nước đỏng chai Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với n

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Người hướng dẫn: PGS.TS TRẦN XUÂN TÙY

Sinh viên thực hiện: NGUYỄN THANH BÌNH

NGUYỄN ĐĂNG KHOA

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Quá trình hình thành

Khi mà công nghệ chưa phát triển thì việc chiết rót chất lỏng, đóng nắp chai hay dán nhãn hoàn toàn phải làm thụ động bằng tay Việc này tốn rất nhiều thời gian, công sức của người lao động Ngoài ra việc chiết chất lỏng không cẩn thận có thể làm tràn

ra ngoài sẽ rất nguy hiểm, đặc biết với các hóa chất Ngày nay với sự phát triển của khoa học công nghệ, một số dây chuyền kết hợp giữa rót, chiết chất lỏng, vặn nắp chai

và dán nhãn ra đời nhằm đáp ứng nhu cầu càng cao của xã hội Các dây chuyền này có

ý nghĩa thực tiễn rất lớn, nó giúp giảm bớt sức lao động, nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm Đó là một trong những giải pháp hữu ích cho các doanh nghiệp sản xuất các mặt hàng nước giải khát, mỹ phẩm…

1.2 Nhu cầu sử dụng của hệ thống

Có thể thấy các sản phẩm tiêu dùng hiện nay phần lớn được chứa đựng trong các bao bì dạng chai lọ nhất là trong ngành thực phẩm như: bia, rượu, nước giải khát, hóa mỹ phẩm, v.v , Với nhiều ưu điểm nổi trội như giá thành hạ, cứng cáp, tính thẩm

mỹ cao, dễ sản xuất Cũng chính vì lý do này các hệ thống máy chiết rót, đóng chai tự động và dán nhãn được sữ dụng rất rộng rãi với nhiều chũng loại khác nhau

Mạch điều khiển phụ: Board mạch Arduno Uno

Khung sườn : Được làm bằng thép không gỉ

Chế độ điều khiển: Tự động

1.4 Nguyên lý hoạt động chung

Hệ thống hoạt động theo các bước sau đây:

Vỏ chai PET được đặt ữên băng chuyền trước khi vào hệ thống rót nước và đóng nắp

Nguồn nước tinh khiết từ bồn chứa có sẵn

Băng chuyền sẽ tự động vận chuyển chai PET vào hệ thống rót nước và đóng nắp Các chai di chuyển xoay vòng và vào đúng vị trí vòi nước, sau đó được rót đầy vào chai

Sau khi rót nước, chai PET sẽ qua cơ cấu cấp nắp Ở đây, chai sẽ tự động lấy

nắp từ cơ cấu cấp nắp

Sau khi lấy nắp, chai sẽ dừng lại ở vị trí vặn nắp Lúc này, xylanh đẩy cơ cấu

vặn nắp xuống nắp chai và tiến hành xoay tròn nhằm siết nắp cho chặt

Sau đó chai sẽ được đưa qua cơ cấu dán nhãn nhờ băng chuyền

Hình 1.1 Dây chuyền sản xuất nước đỏng chai

Thông thường động cơ điện một chiều chỉ chạy ở một tốc độ duy nhất khi nối với

nguồn điện, tuy nhiên vẫn có thể điều khiển tốc 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 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 một chiều được sử dụng ở những noi yêu càu moment mở máy lớn hoặc yêu cầu thay đổi tốc độ trong phạm vi rộng, ở đây ta chỉ nghiên cứu động cơ DC trong dân dụng chỉ hoạt động với điện áp 24V trở xuống

Hình 1.2 Một số loại động cơ trên thực tế

• Cấu tao:

Một động cơ DC có sáu phần cơ bản:

- Phần ứng hay Rotor (Armature)

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

Rotor ( còn gọi là phần ứng ) gồm các lá thép kỹ thuật điện ghép lại có rãnh để đặt các phèn tử của dây quấn phàn ứng Điện áp một chiều được đưa vào phần ứng qua

có cực từ âm, một nửa có cực từ dương)

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:

- D: Từ thông trên mỗi cực( Wb)

- Iu: dòng điện phần ứng (A)

đường sức từ trường Nghĩa là lực quay của động cơ bằng 0 khỉ cuộn dây lệch 90° so với phương ban đầu của nó, khi đó rotor sẽ quay theo quán tính Tương tác giữa dòng điện phần ứng và từ thông kích thích tạo thành momen điện từ Do đó phần ứng sẽ được quay quanh trục

Hình 1.4 Nguyên lý hoạt động của động cơ DC

1.6.2 Băng tải

1 Cách lắp đặt vận hành băng chuyền tải

- Đặt hệ thống băng tải vào đúng vị trí cần lắp đặt

- Dùng thước thủy để căn theo chiều ngang dây tải

- Siết chặt các buloong nền vàbuloong chân

- Điều chỉnh sơ bộ các bass căng dây ở vị trí căng dây tương đối

- Khởi động động cơ băng tải chạy thử

- Điều chỉnh cho dây băng tải cân chỉnh giữa

- Siết ốc kỹ, tỳ ren điều chỉnh lại đúng vị trí

- Cho hệ thống chạy trong 1 giờ rồi kiểm fra, nếu thấy dây bị sàng thì điều chỉnh lại

2 Nguyên tắc kỉểm tra băng tải tốt xấu

- Đăng tải đen bóng, cứng mềm không quan trọng

- Cắt một băng vải nhỏ dài chừng 5 cm, kéo dãn đến khỉ đứt, băng càng tốt kéo dãn càng nhiều

- Ngửi băng tải thấy có mùi thơm, nếu băng tải có mùi thơm khó chịu thì bỏ ngay

- Lấy mũi nhọn đâm thử, bằng tải mà kém ứiì thủng ngay một lỗ, loại tốt thì khó thủng và có đàn hồi

- Băng tốt thì bề mặt ít lồi lõm và không bị vá, sữa chữa

- Đừng tin vào những chữ in trên mặt băng tải

3 Các loại băng tải

cao su mặt trên + lởp bố + cao su mặt duỗi Lóp bố của băng tải loại này duy trì sức căng cũng như tạo độ bền cho kết cấu băng tải, chịu lực nén và kéo tải, chịu nhiệt 100°c tới 600°c

• Đặc điểm:

Cường lực chịu tải lớn: chịu lực gấp 5 lần sợi Cotton

Chịu lực va đập lớn: sợi Nylon là loại sợi tổng hợp chịu sự va đập rất tốt nên các tác động ngoại lực hầu như không ảnh hưởng đến chất luợng bố

Chịu axit, chịu nước và một số loại hóa chất khác

Chống được lão hóa do gấp khúc, uốn lượn nhiều trong sử dụng

Tăng cường sự bám dính giữa sợi và cao su, đồng thời giảm thiểu việc tách tầng giữa các lớp bố

Rất bền nếu phải hoạt động trong môi trường nhiệt độ thấp

Độ dai cực lởn,nhẹ và làm tăng lên sức kéo của motor dẫn đến giảm tiêu

thụ điện

• Ứng dụng

Băng tải NN có đặc tính mềm dẻo, dai và hiện được coi là loại bố chịu lực phổ thông và có nhiều TIU điểm vượt trội

Thường dùng để tải than, sỏi, đá (các cỡ), cát, quặng sắt, xi măng, ứian, gỗ

Không dùng để tải các vật liệu chịu nhiệt trên 600°c hoặc các bề mặt có chất dầu

Băng tải bố NN chiếm từ 60-70% trên thị trường hiện nay do tính kinh tế

- Băng tải con lăn

Hình 1.6 Băng tải con lăn Băng tải có thể nâng lên hạ xuống đễ làm đổi hướng vận chuyền

Dùng đề vận chuyển các sản phẩm đã đóng thùng, có trọng lượng lốn

- Băng tải cáp thép

• Cấu tạo

Đăng tải lõi thép gồm nhiều lõi cảp thép được sắp xếp theo chiều dọc ở những khoảng cách từ 10 đến 15mm, lóp cấp thép này là phần chịu lực tải chỉnh giữ cho băng tải luồn chạy đúng hưởng bao quanh nó là lớp phủ cao su mặt trên và mặt dưới

Hình 1.7 Kết cấu thép

Lớp cáp thép sẽ được liên kết với nhau bằng một phương pháp đặt biệt, sự liên kết này giúp cho băng tải không có bất kỳ sự cố nào xảy ra trong suốt quá trình sử dụng, cao

su mặt và cao su bao phủ cáp fhép được chế tạo theo những tính chất riêng

Băng tải cáp thép chủ yếu sử dụng tại các hệ thống truyền tải có chiều dài lớn trên 300m, do có thể chịu được cường lực rất cao

Ký hiệu thông thường các loại băng tải cáp thép: ST-500,ST-630,ST- 800 và cao nhất tới ST-7000, độ dày có thể lên tới SQmm Băng tải cáp thép thường rất nặng như loại ST-1000, khổ 1 mét có íhể lên tới 25Kg/m Vỉ vậy thường chỉ dài

150m/cuộn

• Đặc điểm

Hình 1.8 Băng tải cáp thép Các sợi cáp thép được bố trí song song đều nhau theo chiều dọc băng tải và rải đều trên toàn mặt băng tải

Băng tải cáp thép có tỷ lệ dãn dư cực thấp dưới 1 % kể cả trong điều kiện

Kết cấu thép cho ST500-ST2000

Kết cấu cáp thép cho ST2000-ST7000

toàn tải

Băng tải cáp thép có độ bền tuyệt hảo nhất trong các loại băng tải

Toàn bộ cáp thép trước khỉ ỉưu hóa phải được xử lý tráng ngoài tạo bám dính với lợp cao su bao quanh và đây là yếu tố quang trọng nhất khỉ chọn băng tải Lớp cao su mặt được chế tạo đặc biệt để chống lại các lực xé rách từ mọi hướng

Có những băng tải thép có tuổi thọ tới 15- 20 năm trong điều kiện vận

hành liên tục hiệu quả kinh tế là rất lởn

- Băng tải bố EP

• Cấu tạo và đặc điểm

EP ký hiệu là băng tải có vải bố chịu lực bằng sợi tổng hợp Polyester làm

sợi dọc và sợi Nylon làm sợi ngang

Độ dãn băng tải rất nhỏ lầm cho hành trình khởi động ngắn hơn do vậy

tiết kiệm điện hơn Băng chuyền khởi động êm, đặc biệt là đối với băng chuyền

có độ dài lớn

Chịu ẩm tốt hơn các loại bố khác, vì sợi Polyester có đặc điểm chịu ẩm,

nước rất tốt do đó tuổi thọ băng kéo dầi hơn đặc biệt khi gặp ẩm cao, chịu nhiệt

rất tốt khi dưới Ỉ50°c , chịu hóa chất cực tốt

• Ưu điểm

Độ dãn rất thấp nhỏ hơn 4%, vì vậy bề mặt cao su không bị rạng nứt

tránh được hiện tượng thẩm thấu - tác nhân gây lão hóa tới các lớp bố

4 Tỷ lệ truyền của băng tải

Ta có: 2 1

N N

N : là số vòng quay của puli băng tải

1: là đường kính của puli băng tải

2

 : là đường kính của puli động cơ

a Tính động học

Sơ đồ tính toán băng tải di chai:

Hình 1.9 Sơ đồ tính toán băng tải di chuyển chai

Vì đường kính hộp là 60 mm nên chọn bề rộng băng tải có kích thước B =

60 mm

Chọn đường kích trục tang D = 30 mm

Chọn chiều dài băng tải 700mm Mỗi chai có khối lượng cả nước là

m=330g Mỗi lần băng tải chạy tối đa được 3 chai.Do vậy, tổng khối lượng 3 lon trên băng tải là m = 990g

Chọn vận tốc di chuyển của chai trên băng tải v = 0,2 m/s

 Tốc độ góc của tang:

Ω = 2V/D = 2.0,2/0,03 = 13,3 (rad/s)

 Tốc độ vòng của trục tang:

nt = 60.Ω/2π = 60x13,3/(2x3,14) = 127,32 (vòng/phút)

Chọn sơ bộ số vòng quay của động cơ ndc = 4400 vòng/phút

 Tỉ số truyền từ trục động cơ đến trục tang là:

Hình 2.10 Lực kéo băng tải Fu

Lực kéo băng tải được tính theo công thức:

FU = 9,81.(Fn + Ft )= 9,81.f.(m + mB + mR) +9,81 ft m (N)

Trong đó:

m: Khối lượng tổng của sản phẩm [kg]

mB: Khối lượng băng tải trên các trục lăn [kg]

mR: Khối lượng các trục quay [kg]

f: Hệ số ma sát lăn trên các ổ

Như tính toán ở trên, khối lượng vật tối đa trên băng tải m = 0,99kg

Bỏ qua khối lượng băng tải, vậy mB =0 kg

Vì trọng lượng tải nhỏ và chiều dài băng tải nhỏ nên không có con lăn đỡ băng tải, vậy mR=0 kg

Hệ số ma sát lăn trên các ổ f  0,03, hệ số ma sát trượt giữa băng tải và máng đỡ ft  0,01

Như vậy, lực kéo băng tải là:

Nđc = Nbt/ = 0,252/0,8 = 0,315 (W) Như vậy, ta chọn động cơ hộp giảm tốc tốc độ trục quay 150vòng/phút, tỉ số truyền 20:1, Nđc= 15 W

1.6.3 Các phần tử khí nén

1 Máy nén khí

Máy nén khí là thiết bị tạo ra áp suất khí, ở đó năng lượng cơ học của động

cơ điện hoặc động cơ đốt trong được chuyển đổi thành năng lượng khí nén và nhiệt năng

Phân làm 2 loai :

- Phân loại theo áp suất

+Máy nén khí áp suất thấp p <= 15 bar

+ Máy nén khí áp suất cao p>= 15 bar

+ Máy nén khí áp suất rất cao p>= 300 bar

- Phân loại theo nguyên lý hoạt động

+Máy nén khí theo nguyên lý trao đổi thể tích: Máy nén khí kiểu pittong, máy nén khí kiểu cách gạt, máy nén khí kiểu root, máy nén khí kiểu trục vít

+ Máy nén khí tuabin: Máy nén khi ly tâm và máy nén khí theo chiều trục

2 Bình trích chứa khí nén

Khí nén sau khi ra khỏi máy nén khí và được xử lý thì cần phải có một bộ phận lưu trữ để sử dụng Bình trích chứa khí nén có nhiệm vụ cân bằng áp suất khí nén

từ máy nén khí chuyển đến trích chứa, ngưng tụ và tách nước

Kích thước bình trích chứa phụ thuộc vào công suất của máy nén khí và công suất tiêu thụ của các thiết bị sử dụng, ngoài ra kích thước này còn phụ thuộc vào phương pháp sử dụng: ví dụ sử dụng liên tục hay gián đoạn

3 Mạng đường ống dẫn khí nén

Mạng đường ống dẫn khí nén là thiết bị truyền dẫn khí nén từ máy nén khí đến bình trích chứa rồi đến các phần tử trong hệ thống điều khiển và cơ cấu chấp hành

Mạng đường ống dẫn khí nén có thể phân thành 2 loại:

- Mạng đường ống được lắp ráp cố định (mạng đường ống trong nhà máy)

- Mạng đường ống được lắp ráp di động (mạng đường ống trong dây chuyền hoặc trong máy móc thiết bị)

4 Van đảo chiều

Van đảo chiều có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng mở hay thay đồi vị trí các cửa van để thay đổi hướng của dòng khỉ nén

a) Khi chưa có tín hiệu tác động b) Khi có tín hiệu tác động

Hình 1.11 Trạng thái khi ON và OFF của van đảo chiều

* Ký hiệu của van đảo chiều

Vị trí của nòng van được ký hiệu bằng các ô vuông liền nhau với các chữ cải o,a ,b ,c hay các chữ số 0,1,2,

Vị trí ‘không’ là vị trí mà khi van chưa có tác động của tín hiệu bên ngoài vào Đối với van có 3 vị trí, thì vị trí ở giữa, ký hiệu ‘o’ là vị trí ‘không’ Đối với van có 2

vị trí thì vị trí ‘không’ có thể là ‘a’ hoặc ‘b’ thông thường vị trí bên phải ‘b’ là vị trí

1 0 R

P Y

Hình 1.13: Ký hiệu và tên gọi của van đảo chiều Hình trên là ký hiệu van đảo chiều 5/2:

Trong đó:

5: Chỉ số cửa

2: Chỉ số vị trí

Van đảo chiều có vị trí ‘không’ là loại van tác động bằng cơ - lò xo và ký hiệu

lò xo nằm ngay vị trí bên cạnh ô vuông phía bên phải của ký hiệu van Tác động lên phía đối diện nòng van là tín hiệu tác động bằng cơ, khí nén hay bằng điện Khi chưa

có tín hiệu tác động, vị trí của các cửa nối được biểu diễn trong ô vuông phía bên phải đối với van đảo chiều 2 vị trí Còn đối với van đảo chiều 3 vị trí thì vị trí ‘không’ nằm

ở giữa

Ví dụ : Van đảo chiều 2/2 tác động bằng nam châm điện:

Van có 2 cửa p và R, 2 vị trí 0 và 1 Tại vị trí 0, cửa p và R bị chặn Khi cuộn Y

có điện, từ vị trí 0 van chuyển sang vị trí 1, cửa p nối với cửa R Khi cuộn Y mất điện,

do tác động của lò xo phía đối diện, van sẽ quay trở về vị trí ban đầu

5 Van tiết lưu

Van tiết lưu có nhiệm vụ thay đổi lưu lượng dòng khí nén, có nghĩa là thay đổi tốc độ của cơ cấu chấp hành

• Phân loại van tiết lưu:

Hình 1.14 Chiều tác động ngược lại do ngoại lực a) và do lo xo b)

- Phân loại theo chế độ chảy: van tiết lưu chảy tầng, van tiết lưu chảy rối

- Phân loại theo khả năng điều chỉnh: van tiết lưu điều chỉnh được và van tiết lưu không điều chỉnh được

- Phân loại theo quan hệ giữa độ tụt áp suất và lưu lượng qua van: van tiết lưu tuyến tính Δp=f(Q) và van tiệt lưu phi tuyến ( chính xác là tỷ lệ bình

phương) Δp=f(Q2)

Tên thiết bị Ký hiệu

Van tiết lưu có tiết diện không đổi:

Khe hở của van có tiết diện không thay đổi do

đó lưu lượng dòng khí chảy qua cũng không

thay đổi

Van tiết lưu có tiết diện thay đổi:

Lưu lượng dòng khí nén chảy qua van thay đổi

nhờ một vít điều chỉnh làm thay đổi tiết diện

Áp lực khí nén chỉ tác động vào một phía của xilanh, phía còn lại do ngoại lực hay lò xo tác động

• Xilanh tác động 2 chiều (xỉlanh tác động kép)

Khí nén được đưa vào 2 phía của xilanh, do yêu càu điều khiển mà xilanh đi vào hay đi ra sẽ tuỳ thuộc vào việc đưa khí nén vào phía nào của xilanh

Hình 1.16 Xylanh tác động quay

3 Ưu nhược điểm của khỉ nén:

• Ưu điểm:

- Không gây ô nhiễm môi trường

- Có khả năng truyền tải năng lượng đi xa do độ nhớt động học của khí nén nhò, tổn thất trên dọc đường thấp

- Hệ thống phòng ngừa quá áp suất giới hạn được đảm bảo

• Nhược điểm:

- Khi tải trọng thay đổi, vận tốc truyền cũng thay đổi

- Dòng khí nén thoát ra gây tiếng ồn lớn

- Bình khí nén có kích thước lớn, cồng kềnh

1.6.5 Động cơ bước

Động cơ bước có thể xem là thiết bị điện cơ dùng biến đổi các xung điện áp thành các chuyển động cơ học liên tục

1 Các đặc tính cơ bản

Trục của động cơ quay theo từng bước liên tục khi có các xung điệu điều khiển được cung cấp theo một chuổi tuần tự thích hợp Trạng thái quay của trục động cơ quan hệ trực tiếp với chuổi xung cung cấp

Tốc độ của trục quay phụ thuộc trực tiếp giá trị tần số của các xung nhập điều khiển và bề dài của chuyển động quay phụ thuộc số xung điều khiển

2 Ưu điểm của động cơ bước

Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển

Động cơ đạt được momen toàn phần (full torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng)

Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin cậy, điều khiển vị trí chính xác Với những động cơ bước có cấp chính xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia tăng ở bước điều khiển kế tiếp

Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo

Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của Góc quay của động cơ tỉ lệ thuận với số xung điều khiển

Động cơ đạt được momen toàn phần (Ml torque) tại lúc đứng yên (khi dây quấn động cơ còn được cung cấp năng lượng)

Chuyển động có khả năng lập lại các trạng thái một cách ổn định tin

cậy, điều khiển vị trí chính xác Với những động cơ bước có cấp chính

xác cao có sai số từ 3% đến 5% trong mỗi bước và sai số này không gia

tăng ở bước điều khiển kế tiếp

Các đáp ứng khởi động, dừng và đảo chiều tối hảo

Có độ tin cậy cao vì động cơ không sử dụng chổi than ; như vậy tuổi thọ của

động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động cơ khí : bạc đạn

Các động cơ bước đáp ứng với các tín hiệu xung điều khiển cung cấp từ bộ điều khiển vòng hở, do đó đễ dàng điều khiển động cơ và giá thành điều khiển thấp

Động cơ có khả năng quay với tốc độ đồng bộ có giá trị rất thấp khi mang tải trực tiếp trên trục

Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển động cơ chỉ phụ thuộc vào tuổi thọ của phần truyền động

trực tiếp trên trục

Động cơ có thể đạt được một phạm vi rộng giá trị tốc độ quay tỉ lệ với giá trị tần số của xung điều khiển

3 Nhược điểm của động cơ bước

Có thể xãy ra trạng thái cộng hưởng nếu không được điều khiển thích

hợp

Không điều khiển dễ dàng để động cơ hoạt động tại các giá trị tốc độ rất cao

4 Phân loại động cơ bước

Theo các tài liệu kỹ-thuật hiện nay, chúng ta có 3 loại động cơ bước:

Động cơ bước với rotor là nam châm vĩnh cửu (PM stepper motor - Permanent Magnet Stepper Motor )

Động cơ bước từ dẫn thay đổi (VR stepper motor - Variable Reluctance Stepper Motor)

Động cơ buớc đa hợp (Hybrid Stepper motor)

Hình 1.17 Các loại động cơ bước

5 Cấu tạo chung của động cơ bước

Gồm một thanh nam châm vĩnh cửu; đường sức từ trường (từ phổ) do thanh nam châm tạo ra tạo ứiành hệ thống đường sức kin có hướng đi ra từ cực bắc và đi vào

ở cực nam

Tính chất lưởng cực của thanh nam châm vinh cửu có thề được cảm úng trong

từ trường tạo bởi dòng điện khi đi qua cuộn dây quấn Cực tính của từ trường tạo bởi dòng điện (khi đi qua dây quẫn) phụ thuộc vào hướng dòng điện đi vào dây quấn Tính chất của cục từ ứiay đổi khi đồi hướng dòng điện qua cuộn dây dẫn

Khi bố trí thanh nam châm vỉnh cửu có thề quay tự do như phần ứng của máy điện; phần úng nầy được đặt trong từ trường tạo bởi phần dẳy quấn phần cảm Stator

PM Steppe] Motor VR Stepper Moto Hybrid Stepper Motor

Hình trên cho ta thấy lực tương tác tạo thành momen quay kéo phần ứng về vị trí cân bằng ( tại vị trí trục từ trường của phần ứng và phần cảm thẳng hàng)

Momen quay được tính theo công thức sau :

M = 2R.Fn

Có thể xem động cơ bước hoạt động tương tự như động cơ đồng bộ, với từ trường quay tạo bởi hệ thống xung điện áp cấp tuần tự vào các dây quần trên các cặp cực lừ bố trí liên tiếp lân cận trên Stator

Hình 1.20 Xung điện áp câp cho cuộn dây stator

a Xung một cực b Xung hai cực

Khi cung cấp bởi xung một cực, điện áp sẽ biến đổi từ 0 đến +u> còn khí cung cấp bởi xung hai cực điện áp sẽ biến đổi từ +u đến -U

Chuyển mạch điện tử có thề cung cấp điện áp điều khiển cho cấc cuộn dây

stator theo từng cuộn riêng lẻ hay theo từng nhóm các cuộn dây Trị số và chiều của sức từ động tổng F của động cơ và do đó vị trí của rotor ừong không gian hoàn toàn phụ thuộc vào phương pháp cung cấp điện cho các cuộn dây Vỉ dụ : nếu các cuộn dây của động cơ trên hình cung cấp cho từng cuộn dây riêng lẻ theo trình tự 1,2,3 m bởi các xung một cực till rotor động cơ sẽ có m vị trí ổn định trùng với trục của các cuộn dây (hình (a))

Trong thực tế để tăng cường sức từ động tổng của stator do đó làm tầng từ thông và momen đồng bộ , người ta thường cung cấp đồng thời cho hai hoặc

nhiều cuộn dây Lúc đó rotor của động cơ bước sẽ có vị trí cân bằng trùng với vectơ sức từ động tổng F

Trên hình (b) sức từ động F khi cung cấp đồng thời cho một số chẵn cuộn dây (trường hợp này hai hay nhiều cuộn dây được cung cấp điện một cách đồng thời )

Trên hình (c) sức từ động tổng F khi cung cấp đồng thời cho ba cuộn dây (một số lẻ cuộn dây) Trong cả hai trường hợp (cung cấp cho một số chẵn cuộn dây và cung cấp cho một số lẻ cuộn dây ), rotor động cơ bước sẽ có m vị trí cân bằng

Góc xê dịch giữa hai vị trí liên tiếp của rotor được tính :

2/m

Nếu cung cấp theo thứ tự một số chẵn cuộn dây, rồi một số chẳn cuộn dây,

Ví dụ : 1 &2 - 2 - 2&3 - 3 - m thì số vị trí cân bằng của rotor sẽ tăng gấp đôi là 2m

Nếu số lượng cuộn dây được điều khiển luôn luôn không đổi (một số chẵn cuộn dây hay một số lẻ cuộn dây) được gọi là đối xứng

U

t 0

a)

U

t 0

b)

Nếu số lượng cuộn dây luôn luôn thay đổi (ví dụ : điều khiển theo trình tự chẵn - lẽ - chẵn ) được gọi là không đối xứng

Số bước trong khoảng từ 0 đến 360° là :

K = m nl n2 p

Trong đó : p : là số đôi cực của rotor

n1: là hệ số ( n1 = 1 ứng với điều khiển đối xứng ,

nl = 2 ứng với điều khiển không đối xứng) n2 : là hệ số ( n2 = 1 ứng với điều khiển bằng xung một cực n2 = 2 ứng với điều khiển bằng xung hai cực)

Với bước quay của rotor trong không gian thì : a =360°

1.6.6 Cảm Biến

1 Các khái nỉệm về cảm biến

Trong các hệ thống đo lường và điều khiển, mọi quá trình điều khiển đặc trưng bởi các biến trạng thái Các biến trạng thái này thường là các đại lượng không điện như: nhiệt độ , áp suất, lưu lượng, tốc độ

Để thực hiện quá trình đo lường và điều khiển càn phải thu thập thông tin, đo đạc, theo dõi sự biến thiên của các trạng thái của quá trình thực hiện chức năng trên là các thiết bị cảm biến Để hiểu rõ về cảm biến ta cần nắm được một số khái niệm và định nghĩa sau :

2 Cảm biến đo lường

Là phương tiện (thiết bị) đo thực hiện biến đổi ở đàu vào thành tín hiệu ra thuận lợi cho việc biến đổi tiếp theo hoặc truyền đạt, gia công bằng thiết bị tính hoặc lưu trữ

số liệu (nhưng không quan sát được)

Ngày nay với sự phát triển mạnh mẽ trong các lĩnh vực nghiên cứu khoa học và ứng dụng kỹ thuật đo lường, điều khiển, số lượng và chủng loại các cảm biến tăng nhanh và đa dạng Với mục dích nghiên cứu và ứng dụng có thể phâm loại cảm biến theo các phương pháp sau:

3 Phân bại cảm biến theo đại lượng vào và ra

Cảm biến điện _ điện : trong đó các đại lượng vào và ra là các thông số điện Cảm biến không điện _ điện: là cảm biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng không điện là áp suất, nhiệt độ , lưu lượng Thành các hông số như điện trở, điện cảm, điện dung, điện áp, dòng điện, sức điện động

Cảm biến khí nén _ điện : được ứng dụng nhiều trong các nhà máy Hóa chất, các hệ thống đo và điều khiển cần chống cháy nổ

4 Phẫn loại theo tính chất vật lý

- Cảm biến điện trở

- Cảm biến điện từ

- Cảm biến tĩnh điện

- Cảm biến nhiệt điện

- Cảm biến điện tử ion

- Cảm biến hóa điện

- Cảm biến y sinh

5 Phân bại theo tính chất nguồn điện

- Cảm biến phát điện (Active)

- Cảm biến thụ động (Passive)

6 Phân loại theo phương pháp đo

- Cảm biến biến đổi trực tiếp

Tính chất hạt của thể hiện qua sự tương tác của nó với vật chất Trong vật chất, các điện tử liên kết trong nguyên tử để trở thành điện tử tự do

Nói chung, loại điện tích được giải phóng do chiếu sáng phụ thuộc vào bản chất vật liệu chiếu sáng.Khi chiếu sáng vào chất điện môi và bán dẫn tinh thiết, các điện tích được giải phóng là cặp điện tử _ lỗ trống Với bán dẫn pha tạp khi bị chiếu sáng

nó sẽ giải phóng điện tử và lỗ trống tùy thộc vào chất pha tạp

Hiện tượng giải phóng các hạt dẫn dưới tác dụng của ánh sáng do hiệu ứng quang điện sẽ gây nên sự thay đổi tính chất điện của vật liệu Đó là nguyên lý cơ bản của các cảm biến quang

• Các đơn vị đo quang

Các đơn vị đo năng lượng:

+ Năng lượng bức xạ Q: Là năng lượng phát xạ , lan truyền hoặc hấp thu dưới dạng bức xạ được đo bằng Jun (J)

Hình 1.21 Đường cong độ nhạy tương đổi của mắt người

+ Quang thông : là công suất hấp thụ lan truyền hoặc hấp thụ, đo bằng oát

(W) là đại lượng đặc trưng cho nguồn sáng :

dQ

dt

 =

+ Cường độ sáng I: là nguồn năng lượng phát ra theo một hướng

cho trước dưới một đơn vị góc khối, có đơn vị là oát/steradian:

+ Độ chói năng lượng (L): là tỷ số giữa cường độ ánh sáng phát ra bởi một phần tử bề mặt dA theo một hướng xác dịnh và diện tích hình chiếu vuông góc với phàn tử bề mặt dAn; có đơn vị là oát/steradian.m2

+ Độ rọi năng lượng (E): là tỷ số giữa luồng năng lượng thu được bởi một phần tử bề mặt và diện tích của bề mặt đó Độ rọi năng lượng được đo bằng oát/m2

Đơn vị đo thị giác:

+ Mắt người cảm nhận ánh sáng có phổ từ 0,38um đến 0.76um với độ nhạy tương đối phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng

+ Độ nhạy của mắt cực đại ở bước song ^ = 0.555um và giảm về hai phía

• Nguồn sáng:

Quyết định mọi đặc tính của bức xạ Việc sử dụng các chuyển đổi quang chỉ

có hiệu quả khi nó phù hợp với bức xạ ánh sáng (phổ, quang thông , tần số)

- Nguồn sáng bao gồm:

+ Đèn sợi đốt: Đèn sợi đốt là một sợi wonữam đặt trong bóng thủy tinh hoặc thạch anh chứa khí trơ hoặc halogen để giảm bay hơi của sợi đốt Uu điểm của đèn sợi

đốt là dải phổ rộng nhưng hệ suất phát quang thấp, quán tính nhiệt lớn, tuổi thọ và dộ bền cơ học thấp

+ Diot phát quang: Diot phát quang LED là nguồn sáng bán dẫn trong đó năng lượng giải phóng do tái hợp tái hợp điện tử_lỗ trống gàn phàn chuyển tiếp N_p làm phát sinh ra các photo Đặc điểm của đèn LED là thời gian hồi đáp nhỏ cỡ ns Có khả năng điều biến đến tần số cao nhờ nguồn nuôi.Quang thông của LED nhỏ ( cỡ mW)

và nhạy với nhiệt độ , do đó hạn chế phạm vi sử dụng của đèn

+ Lazer: Laze là nguồn sáng đơn sắc có định hướng và đặc biệt là tính liên kết mạnh ( cùng phân cực, cùng pha) vì yậy khi chồng chéo lên nhau chúng tạo thành một sóng duy nhất và xác định Laze có bước sóng đơn sắc , thông lượng lớn độ định hướng cao và truyề đi xa với khoảng cách lớn

8 Cảm biến quang điện

Cảm biến quang điện thực chất là các linh kiện quang điện, chúng thay đổi tính chất khi có ánh sáng thích hợp chiếu vào bề mặt cùa chúng

• Tế bào quang dẫn ( quang điện trở)

Nguyên lý làm việc của quang điện trở là sự phụ thuộc của điện trở vào thông lượng bức xạ và phổ bức xạ đó

Tế bào quang dẫn là càm biến quang điện có độ nhạy cao Cơ sở vật lý của tế bào quang điện là hiện tượng quang dẫn do hiệu ứng quang điện trong Đó là hiện tượng giải phóng các hạt tải điện trong vật liệu dưới tác dụng của ánh sáng làm tăng độ dẫn điện của vật liệu

• Vật liệu chế tạo cảm biến quang điện

Cảm biến quang thường được chế tạo bằng các bán dẫn đa tinh thể đồng nhất hoặc đơn tinh thể, bán dẫn riêng hoặc bán dẫn pha tạp, thí dụ:

Đa tinh thể: CdS, CdSe, CdTe

PbS, PbSe, PbTe

Đơn tinh thể : Ge, Si tinh khiết hoặc pha tạp Au, Cu, Sb, In

Sbln, Asln, Pin, CdHgTe

9 Cảm biến phát xạ ( Tế bào quang điện)

• Nguyên lý hoạt động

Cảm biến phát xạ là bỉến hiệu quang thành tín hiệu đỉện nhờ hiện tượng phát xạ điện tử ở điện cực catot khỉ có thông lượng ánh sáng chiếu vào

Số lượng điện tử phát xạ tỷ lệ với số photon chiếu vào cực cactot

Cảm biến phát xạ được phân thành:

+ Tế bào quang điện chân không

+ Đèn ion khí

+ Bộ nhân quang điện

Cơ chế hoạt động cùa tế bào quang điện như sau:

Khỉ có thông lượng ánh sáng chiếu vào, Cãtot hấp thụ photon và giải phóng điện tử , các điện tử này dỉ chuyển lên bề mặt và thoát ra ngoài

Các vật liệu dùng làm photon cactot là:

+ AgOCs nhạy với vùng hồng ngoại

+ Cs2Sb, K2CsSb nhạy với vùng ánh sáng nhìn thấy và vùng tử

• Tế bào quang điện chân không

Tế bào quang điện chân không là một ống hình trụ được hút chân không tới áp suất 10" đến 10'8 mmHg Trong ống đặt một cactot khả năng phát xạ khi được chiếu sáng và một anot

Hình 1.22 Tế bào quang điện

• Tế bào quang điện có khí

Tế bào quang điện có khí cấu tạo tương tự như chân không , bên trong đèn được điền đầy khí trơ (argon), với áp suất cỡ 10'1 đến 10'2 mmHg

Các điện tử tới ( điện tử sơ cấp) được phát xạ từ một photo catot đặt trong chân

Hình 1.23 Sơ đồ thiết bị nhân quang

không bị chiếu sáng Chúng được tiêu thụ trên điện cực thứ nhất củã dãy các điện cực

Đề mặt các điện cực phủ vật liệu có khả năng phát xạ thứ cấp Các điện cực mắc nói tiếp nhau với điện thế tăng dần thông qua các điện trở sao cho các điện tử bị hút lien tiếp bởi các điện cực tiếp theo làm số điện tử thứ cấp tăng lên

• Cáp quang

Dạng cáp quang đơn giản bao gồm một lõi có chiết suất, bán kính và vò Vệt liệu chế tạo cáp quang là:

+ S1O2 tinh thiết hoặc pha tạp

+ Thủy tinh, thành phần của S1O2 và phụ gia Na2Ü3, B2O3

+ Polime

• Ứng dụng của cảm biến quang

Dùng tế bào quang dẫn để đỉều khiển rơle: Sơ đồ Hình 16a dùng điều khiển trực tiếp rơle , hình 16b điều khiển thông qua transitor khuếch đại Nguyên lý làm việc của hệ thống điều khiển là khi chưa có ánh sáng chiếu vào tế bào quang dẫn, dòng điện qua quang dẫn và rơle rất nhỏ chưa đủ để rơle tác động Khi bị chiếu sáng , điện trờ của quang dẫn giảm đi rất nhanh dòng điện qua quang dẫn tâng lên đủ lớn để rơle tác động

• Ứng dụng photodiot và transỉtor trong điều khiển

Tùy thuộc vào mục đích sử dụng photo diot và photo transitor ta có th ể thực hiện các đại ỉượng khác nhau hoặc điều khiển trong quá trình sản xuất như: quay tốc độ quay

cùa động cơ đếm số lượng vật, đo cường độ ánh sáng, điều khiển đóng mờ các rơle

ĩ

Hình 1.24 Dùng tê bào quang dân đê điêu khiên rơỉe

Hình 1.25 Ứng dụng transỉtor quang đóng mở các rơle

10 Cảm bỉến điện từ

• Khái niệm

Cảm biến điện từ là nhóm các cảm biến với nguyên lý hoạt động dựa theo qui luật điện từ Đại lượng cần đo làm thay đổi giá trị điện cảm, hỗ cảm, từ thông hoặc độ

từ thẩm cùa lối thép và cuộn dây

Cảm biến điện từ được phân thành: cảm biến điện cảm, cảm biến kiểu biến áp

- Cảm biến hỗ cảm (Biến áp):

Cảm biến hỗ cảm giống như cảm biến điện cảm về cấu tạo mạch từ và hình dạng, chỉ khác ở chỗ ngoài cuộn dây kích thích (sơ cấp) còn có cuộn dây đo( thứ cấp) Nguyên lý hoạt động của cảm biến dựa trên hiện tượng điện từ Khi có đại lượng vật lý tác động, làm cho lõi động di chuyển, khe hở không khí D thay đổi và từ trở Rm thay đổi do đó từ thông cp móc vòng qua cuộn dây thứ cấp tạo nên sức điện động hỗ cảm

Chương 2: THIẾT KẾ NGUYÊN LÝ HỆ THỐNG

2.1 Bộ phận chiết nước vào chai

Hiện nay có khá nhiều công nghệ chiết nước vào chai, tùy loại chất lỏng sẽ có cách chiết rót khác nhau như: Nước có gaz, nước không gaz, chất lỏng dạng cô đặc Định lượng sản phẩm lỏng là chiết một thể tích nhất định sản phẩm lỏng và rót vào trong chai, bình, lọ, v.v Định lượng sản phẩm lỏng bằng máy được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành sản xuất thực phẩm Khi định lượng bằng máy thì cải thiện được điều kiện vệ sinh, đảm bảo được năng suất cao và định lượng sản phẩm một cách chính xác

Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:

• Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai

• Định lượng bằng chiết tới mức cố định: chất lỏng được chiết tới mức cố định trong chai bằng cách chiết đầy, sau đó lấy khối thể tích bù trừ ra khỏi chai; khi đó mức lỏng ữong chai sẽ sụt xuống một khoảng như nhau bất kể thể tích của các chai có b ằng nhau hay không Ngoài ra còn sử dụng ống thông hơi, chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi sẽ dứng lại Phương pháp nầy có độ chính xác không cao, tuỳ thuộc độ đồng đều của chai

• Định lượng bằng cách chiết theo thời gian: cho chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, có thể xem như thể tích chất lỏng chảy là không đổi phương pháp nầy chỉ áp dụng cho các sản phẩm có giá tri thấp, không yêu cầu độ chính xác định lượng

Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có :

• Phương pháp rót áp suất thường: chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh lệch

về độ cao thủy tĩnh Tốc độ chảy chậm nên chi thích hợp với các chất lỏng ít nhớt

• Phương pháp rót chân không: Nối chai với một hệ thống hút chân không, chất lỏng sẽ chảy vào trong chai do chênh áp giữa thùng chứa và áp suất trong chai Lượng chất lỏng chảy vào chai thông thường cũng được áp dụng phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai

• Phương pháp rót đẳng áp: Phương pháp này được áp dụng cho các sản phẩm có gas như bia, nước ngọt.Trong khi rót, áp suất trong chai lớn hon áp suất khí quyển nhằm tránh không cho ga (khí C02) thoát khỏi chất lỏng Với phương pháp rót đẳng áp

thông thường, người ta nạp khí C02 vào trong chai cho đến khi áp suất trong chai bằng

áp suất trong bình chứa, sau đó cho sản phẩm từ bình chứa chảy vào trong chai nhờ chênh lệch độ cao

• Máy định lượng-chiết rót sản phẩm lỏng gồm nhiều cơ cẩu rót, mỗi cơ cẩu rót được bố trí chiết cho 1 chai Các cơ cấu rót có thể được bố ừí thẳng hàng, làm việc cùng lúc (máy chiết có cơ cấu chiết thẳng) hoặc bố trí trên bàn quay, làm việc tuần tự (máy chiết bàn quay) như hình bên dưới:

Hình 2.1 Mảy chiết bàn quay

2.2 Bộ phận đóng nắp chai

Máy đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thức phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp Máy có tác dụng đóng bao kín các loại chai thủy tinh, nhựa, đảm bảo việc niêm phóng kín, không rò rỉ chất lỏng ra ngoài

Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn đồng thời được xếp đúng chiều, chai nước được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt động (hình 1.6) Sau khi dập nắp chai sẽ được đưa tới bộ phận vặn nắp để chắc chắn rằng tất

cả các nắp phải được đóng kín

Tại mỗi khâu chúng ta dùng cảm biến vị trí để xác định vị trí của sản phẩm Khi

gặp sản phẩm cảm biến sẽ có tín hiệu báo về bộ điều khiển để ra lệnh điều khiển Để

xác định vị trí và dịch chuyển của sản phẩm, ta dùng loại cảm biến quang điện

Hình 2.3 Cơ cấu vặn nắp thực tế

Hình 2.2 Máy chiết rót và đóng nắp kiểu bàn xoay

2.4 Bộ phận dán nhãn và băng tải ép nhãn

Trên thực tế hiện nay có nhiều kiểu máy dán nhãn: dùng băng ma sát, dùng con lăn di động, dùng máy kẹp thủy lực…

2.4.1 Máy dán nhãn dùng con lăn di động

Hình 2.6 Cơ cấu dán nhãn dùng con lăn di động

Cơ cấu này gồm :

+ Con lăn dẫn hướng 5

Ưu điểm: Cơ cấu đơn giản, năng suất cao

Nhược điểm: Khả năng dán chính xác thấp, dễ bung ra sau khi dán, yêu cầu nhãn dán phải có băng keo 2 mặt, điều này sẽ tăng giá thành

2.4.2 Dùng cơ cấu kẹp thủy lực

• Nguyên lý hoạt đông:

Nhờ cơ cấu kẹp bằng thủy lực được dẩn hướng bằng hai rảnh , hai xylanh thủy lực được điều kiển do tín hiệu phát ra từ cảm biến màu, khi chai cách nhãn khoảng cách nhất định , cảm biến màu nhận ra chai sẻ điều khiển hai thanh kẹp kẹp chai lại đồng thời dán nhãn lên chai

Ưu điểm : độ chính xác cao , năng suất lớn

Nhược điểm : máy móc phức tạp, khó chế tạo , yêu cầu băng keo hai mặt nên giá thành cao và giử vệ sinh khó khăn sau khi dán vào chai do bề mặt ngoài còn keo

sẻ bám bụi vào , hoặc phải thêm công đoạn dán lớp nilong vào mặt ngoài làm cho giá thành cao

2.4.3 Dùng cơ cấu băng ma sát

1 Loại 1

Hình 2.8 Cơ cấu dán nhãn dùng băng ma sát loại 1Hình 2.7 Cơ cấu dán nhãn dùng kẹp thủy lực

• Nguyên lý hoạt động :

Chai di chuyển trên băng tải đồng thời được quay tròn nhờ cơ cấu ma sát , trên băng ma sát được căng cuộn băng keo hai mặt , khi chai lăn không trượt sẻ cuốn theo

cả nhản chai , nhản chai được dán cứng nhờ được lăn ép trên băng ma sát

Ưu điểm : độ chính xác cao , ít phế phẩm

Nhược điểm : cũng như những máy ở trên cần phải sử dụng nhãn có keo hai mặt nên giá thành cao và vấn đề vệ sinh sau khi đã dán nhãn

Ưu điểm: Năng suất cao , cơ cấu đơn giản , đạt độ chính xác cao

Nhược điểm: Chi phí ban đầu cao do yêu cầu các cơ cấu chính xác

2.4.4 Kết luận

Qua những ưu, nhược điểm của các loại máy dán nhãn trên , ta chọn phương án máy dán nhãn chai dùng băng ma sát loại 2

Hình 2.10 Cơ cấu dán nhãn thực tế

Hình 2.11 Cơ cấu dán nhãn theo thiết kế