Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng tải động

Hệ thống sẽ xác định được khối lượng vật liệu trên băng tải chuyển động một cách liên tục.. Hệ thống cảm biến, điều khiển • Thiết bị cảm biến lực loadcell cân băng định lượng Cảm biến t

.`

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ – ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG

CÂN BĂNG TẢI ĐỘNG

Người hướng dẫn: TS VÕ NHƯ THÀNH Sinh viên thực hiện: HUỲNH XUÂN HOÀNG

Số thẻ sinh viên: 101150166 Sinh viên thực hiện: PHAN MINH QUANG

Số thẻ sinh viên: 101150181

Lớp: 15CDT1

Đà Nẵng, 6/2020

TÓM TẮT

Tên đề tài: “Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng tải động”

1.Nhu cầu thực tế của đề tài

Trong quá trình sản xuất ở các nhà máy như: nhà máy xi măng, chế biến thực phẩm, ngành phân bón, khoáng sản thì việc vận chuyển vật liệu từ nơi khai thác đến bãi tập kết hoặc kho chứa nguyên vật liệu là quá trình thường xuyên và liên tục Quá trình đó ngoài đòi hỏi phải liền mạch thì việc cân đo và pha trộn nguyên liệu cần phải chính xác Do đó cần phải theo dõi và cân được khối lượng nguyên vật liệu theo yêu cầu của hệ thống Để giải quyết những vấn đề này hệ thống cân băng tải động sẽ giúp cho hoạt động của những nhà máy diễn

ra liên tục không bị ngắt quãng.Từ những yêu cầu đó nhóm quyết định tiến hành lên ý tưởng và tiến hành thực hiện đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng tải động” Hệ thống sẽ xác định được khối lượng vật liệu trên băng tải chuyển động một cách liên tục

2 Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp

Trong đề tài này, nhóm thiết kế cơ cấu cho máy, tìm hiểu các phương pháp cân để đưa ra phương án tối ưu nhất, nghiên cứu tính thiết thực của sản phẩm và đưa ra giải pháp phù hợp để năng suất chất lượng sản phẩm được đảm bảo, từ đó:

- Tính toán thiết kế các hệ truyền động chính

- Thiết kế và thi công hệ thống cấp vật liệu và hệ thống cân

3 Yêu cầu trình bày

- Số trang thuyết minh: 70 - 80 trang

- Số bản vẽ: 4 - 6 A0

- Mô hình: 1 hệ thống cân băng tải

4 Nội dung chi tiết thực hiện

- Nghiên cứu tính thiết thực và lý do lựa chọn đề tài

- Đưa ra các phương án thiết kế và lựa chọn phương án tối ưu nhất

- Tính toán các cơ cấu và lựa chọn động cơ và hệ dẫn động

- Thực hiện lập trình và điều khiển hệ thống đúng yêu cầu

- Sử dụng phần mềm Visual Studio để giao tiếp máy tính

- Sai số cho phép: < 10%

Họ tên sinh viên: Huỳnh Xuân Hoàng Số thẻ sinh viên: 101150166

Họ tên sinh viên: Phan Minh Quang Số thẻ sinh viên: 101150181 Lớp: 15CDT1 Khoa: Cơ khí Ngành: Kỹ thuật Cơ - Điện tử

1 Tên đề tài đồ án:

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO HỆ THỐNG CÂN BĂNG TẢI ĐỘNG

2 Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực

hiện

3 Các số liệu và dữ liệu ban đầu:

+ Vật liệu được cân: Cát

+ Khối lượng cát tối đa trên băng tải: 20 (kg)

+ Sai số cho phép: <10%

4 Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:

a) Phần chung:

1 Huỳnh Xuân Hoàng

- Tìm hiểu một số loại cơ cấu ngoài thực tế để đưa ra

1 Phan Minh Quang - Thiết kế hệ thống bằng Solidworks, hoàn thành

thuyết minh, slide thuyết trình

2 Huỳnh Xuân Hoàng - Thiết kế giao diện trên Visual Studio, tìm hiểu code

điều khiển

5 Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):

a) Phần chung:

1 Huỳnh Xuân Hoàng

- Bản vẽ tổng thể: 1A0

b) Phần riêng:

1 Phan Minh Quang

- Bản vẽ chi tiết: 1A0

- Bản vẽ sơ đồ động: 1A0

2 Huỳnh Xuân Hoàng

- Bản vẽ lưu đồ thuật toán: 1A0

- Bản vẽ sơ đồ mạch điện: 1A0

6 Họ tên người hướng dẫn: TS Võ Như Thành

7 Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 11/02/2020

LỜI NÓI ĐẦU

Ngày nay nay với những ứng dụng của khoa học kỹ thuật tiên tiến, thế giới

của chúng ta đã và đang một ngày thay đổi, văn minh và hiện đại hơn Cùng với

đó là quá trình “Công nghiệp hóa- Hiện đại hóa” đất nước, các hệ thống dây

chuyền sản xuất tự động có năng suất và chất lượng sản phẩm ngày càng cao,

công nhân ngày càng dễ dàng thực hiện những công đoạn sản xuất hơn, các

quản lí cũng dễ dàng trong việc kiểm soát và đánh giá sản phẩm Tuy nhiên

việc tiếp cận các hệ thống dây chuyền như vậy còn hạn chế ở nước ta, chủ yếu

phải nhập từ nước ngoài

Với mục tiêu đóng góp một phần nhỏ vào nghành công nghiệp của đất nước,

trên cơ sở những kiến thức đã học về cơ khí, điện tử, điều khiển tự động, lập

trình nhóm quyết định thực hiện đề tài:“Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng

tải động” Đề tài này giúp nhóm chúng em tìm hiểu thêm về các thiết bị điện tử,

các dây chuyền công nghệ,cách lập trình… và các kinh nghiệm thực tế rất có

ích cho công việc sau này của nhóm

Nhóm xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn, chỉ bảo nhiệt tình, tận tâm của

thầy TS Võ Như Thành đã giúp đỡ nhóm rất nhiều trong quá trình tìm hiểu

thiết kế và hoàn thành đề tài đồ án này Cùng với sự cố gắng và nỗ lực nhóm

chúng em đã hoàn thành xong đồ án của mình, tuy nhiên trong thời gian ngắn

thực hiện đề tài cộng với kiến thức còn nhiều hạn chế, nên trong tập đồ án này

không tránh khỏi thiếu sót, nhóm thực hiện rất mong được sự đóng góp ý kiến

của các thầy và các bạn sinh viên

Đà Nẵng ,ngày 30 tháng 6 năm 2020 Sinh viên thực hiện

Huỳnh Xuân Hoàng Phan Minh Quang

LỜI CAM ĐOAN

Chúng tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được sử dụng để bảo vệ một học vị nào bên ngoài nhà trường Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện luận văn này đã được cảm ơn và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã được chỉ rõ nguồn gốc rõ ràng và được phép công bố

Sinh viên thực hiện

Huỳnh Xuân Hoàng Phan Minh Quang

MỤC LỤC

TÓM TẮT

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

LỜI NÓI ĐẦU i

LỜI CAM ĐOAN ii

MỤC LỤC iii

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ vi

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN 1

1.1 Giới thiệu đề tài 1

1.1.1 Khái niệm cân băng tải động 1

1.1.2 Cấu tạo của cân băng tải động 1

1.1.2.1 Hệ thống khung cơ khí 1

1.1.2.2 Hệ thống cảm biến, điều khiển 1

1.1.2.3 Hệ thống điều khiển tự động hóa 2

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân băng tải động 2

1.1.3.1 Bộ phận cơ khí (Phễu chứa, cửa cấp liệu, băng tải, con lăn lớn và con lăn nhỏ) 4

1.1.3.2 Bộ phận cảm biến (Loadcell cảm biến trọng lượng, encoder cảm biến tốc độ) 5

1.1.3.3 Bộ phận điều khiển (Đầu cân hiển thị điều khiển, tủ điện điều khiển cân băng, phần mềm cân băng) 6

1.2 Các ứng dụng trong thực tế 6

1.2.1 Cân băng tải định lượng liên tục – băng tải điều khiển phối trộn 6

1.2.2 Cân nguyên liệu bằng băng tải động 8

1.3 Giới thiệu các khối cơ bản của hệ thống 9

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống 9

1.3.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống 10

1.4 Lý do chọn đề tài 10

1.5 Cấu trúc của đồ án 10

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ 11

2.1 Giới thiệu về phần cứng của hệ thống 11

2.1.1.Băng tải 11

2.1.1.1 Giới thiệu về băng tải 11

2.1.1.2 Giới thiệu băng tải sử dụng trong mô hình 12

2.1.2 Động cơ điện 13

2.1.2.1 Giới thiệu về động cơ điện 13

2.1.2.2 Động cơ điện trong hệ thống 14

2.1.3 Tính chọn bộ truyền 14

2.1.3.1 Bộ truyền đai 15

2.1.3.2 Bộ truyền xích 15

2.1.3.3 Tính chọn bộ truyền xích 16

2.2 Thiết kế phần khung của hệ thống 16

2.2.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D Solidworks 16

2.2.2 Thiết kế phần khung hệ thống sơ bộ trên phần mềm Solidworks 17

2.2.2.1 Phễu 17

2.2.2.2 Máng đổ cát 17

2.2.2.3 Khung hệ thống 17

2.2.2.4 Băng tải 20

2.2.2.5 Bộ truyền xích 21

2.2.2.6 Cụm chi tiết gá Loadcell 22

2.2.2.7 Mô hình mô phỏng đầy đủ của hệ thống 22

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN 23

3.1 Giới thiệu vi điều khiển Arduino 23

3.1.1 Giới thiệu về Arduino 23

3.1.2 Arduino Uno 24

3.1.3 Phần mềm Arduino IDE 25

3.2 Giới thiệu phần mềm Visual Studio 26

3.3 Cảm biến lực (Loadcell) 26

3.3.1 Khái niệm 26

3.3.2 Cấu tạo Loadcell 27

3.3.3 Nguyên lí hoạt động của Loadcell 28

3.3.4 Phân loại 29

3.3.5 Loadcell 10kg YZC 133 sử dụng trong mô hình 30

3.3.6 Một số thiết bị chuyển đổi tín hiệu loadcell trong công nghiệp 32

3.4 Encoder 34

3.4.1 Giới thiệu về encoder xoay 35

3.4.2 Thông số kỹ thuật 35

3.4.3 Các chân tín hiệu 35

3.5 Module điều khiển tốc độ động cơ DC L298 35

3.5.1 Giới thiệu về module L298 35

3.5.2 Thông số kỹ thuật 36

3.6 Thiết kế hệ thống điều khiển 36

3.6.1 Sơ đồ nguyên lí mạch điều khiển của hệ thống 36

3.6.2.Nguyên lí hoạt động của mạch và sơ đồ thuật toán 39

3.7 Lập trình điều khiển cho hệ thống 42

3.7.1 Lập trình cho Arduino 43

3.7.2 Lập trình giao diện trên Visual Studio 43

Chương 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ĐỀ TÀI 44

4.1 Bảng kê thông số các lần chạy thử 45

4.2 Kết quả đạt được của đề tài 45

4.3 Hướng phát triển 45

TÀI LIỆU THAM KHẢO 46

PHỤ LỤC 47

DANH SÁCH CÁC BẢNG, HÌNH VẼ

Hình 1.1: Cấu tạo cân băng tải động [12]

Hình 1.2: Mô tả cách xác định khối lượng[12]

Hình 1.3: Hệ thống cân băng tải động[13]

Hình 1.4: Các loại cảm biến lực (Loadcell) [9]

Hình 1.5: Encoder[8]

Hình 1.6: Hệ thống cân băng tải điều khiển phối trộn[12]

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống[12]

Hình 1.8: Hệ thống cân băng tải cát[12]

Hình 1.9: Hệ thống cân băng tải trong khai thác khoáng sản[13]

Hình 1.10: Các khối cơ bản của hệ thống

Hình 2.1: Một hệ thống vận chuyển sử dụng băng tải[13]

Hình 2.2: Băng tải vận chuyển cát[13]

Hình 2.3: Cấu tạo chung băng tải[12]

Hình 2.4: Động cơ điện[10]

Hình 2.5: Động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều[10]

Hình 2.6: Động cơ điện một chiều[10]

Hình 2.7: Cấu tạo của bộ truyền đai[11]

Hình 2.8: Cấu tạo của bộ truyền xích[11]

Hình 2.14: Khung hệ thống thiết kế sơ bộ trên Solidworks

Hình 2.15: Kích thước băng tải

Hình 2.16: Băng tải thiết kế sơ bộ trên Solidworks

Hình 2.17: Bộ truyền xích thiết kế sơ bộ trên Solidworks

Hình 2.18: Cụm chi tiết gá đặt loadcell

Hình 2.19: Mô hình hệ thống

Hình 3.1: Các loại Arduino [7]

Hình 3.2: Arduino Uno[7]

Hình 3.3: Giao diện phầm mềm Arduino IDE

Hình 3.4 Giao diện lập trình của phần mềm Visual Studio

Hình 3.5: Loadcell ngoài thực tế[9]

Hình 3.6: Cấu tạo loadcell[9]

Hình 3.7: Cấu tạo các điện trở bên trong loadcell[9]

Hình 3.8: Mô tả thay đổi loadcell khi có lực tác dụng[9]

Hình 3.9: Sơ đồ điện trở Loadcell[9]

Hình 3.10: Một số loại Loadcell thông dụng[9]

Hình 3.11: Loadcell 10kg YZC-133[9]

Bảng 3.1: Thông số kĩ thuật loadcell YZC-133[9]

Hình 3.12: Kích thước loadcell 10kg YZC-133[9]

Hình 3.13: Bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell KELI KM02A[8]

Hình 3.14: Bộ chuyển đổi tín hiệu loadcell DS 7200[8]

Hình 3.23: Chương trình con xử lí tín hiệu

Hình 3.24: Giao diện điều khiển

Chương 1: GIỚI THIỆU TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu đề tài

1.1.1 Khái niệm cân băng tải động

Cân băng tải động là một hệ thống băng tải kết hợp với cân điện tử Nó có thể cân định lượng khối lượng nguyên liệu cho quá trình sản xuất sản phẩm ngay trên hệ thống băng truyền cấp liệu Điều này giúp cho quá trình hoạt sản xuất của doanh nghiệp được diễn ra liên tục, đảm bảo được khối lượng thành phần nguyên liệu cho sản phẩm là đạt chuẩn Từ đó giúp cho chất lượng sản phẩm đầu ra tốt nhất, đạt tiêu chuẩn cao và mang lại nhiều giá trị hơn

1.1.2 Cấu tạo của cân băng tải động

Cân băng tải động gồm có những thành phần cấu tạo chính sau đây:

Hình 1.1: Cấu tạo cân băng tải động[12]

1.1.2.1 Hệ thống khung cơ khí

Khung cơ khí phần giá đỡ toàn bộ hệ thống

• Phễu chứa và cấp liệu

• Hệ thống con lăn băng tải

• Băng tải vân chuyển nguyên liệu

• Một số linh kiện, phụ kiện hỗ trợ như: cảm biến hồng ngoại, cảm biến tốc

độ, động cơ …

1.1.2.2 Hệ thống cảm biến, điều khiển

• Thiết bị cảm biến lực (loadcell cân băng định lượng)

Cảm biến tốc độ

• Bộ điều khiển

• Bộ điều khiển tốc độ động cơ

• Động cơ truyền động

1.1.2.3 Hệ thống điều khiển

• Hệ thống tủ điện điều khiển trung tâm

• Phần mềm điều khiển cân băng tải động

Tương ứng với mỗi hệ thống cân băng tải động sẽ có thông số kỹ thuật riêng của nó để phù hợp cho loại nguyên liệu, sản phẩm và dây truyền của doanh nghiệp Hiện nay cân băng tải động đang được sử dụng rất phổ biến trong các dây chuyền sản xuất cần định lượng như: Nhà máy sản xuất thạch cao (cân băng định lượng trong nhà máy thạch cao), nhà máy xi măng, nhà máy phân bón, nhà máy gạch, đóng gói bột, bánh kẹo, sữa, Bên cạnh đó, cân băng tải còn được sử dụng nhiều trong các công ty chế biến, khai thác khoáng sản, nhiệt điện

Dựa vào nhu cầu của doanh nghiệp sẽ lựa chọn cho mình một hệ thống cân băng tải động phù hợp Về mặt kỹ thuật cân băng tải định lượng sẽ khác nhau, còn về mặt nguyên lý hoạt động thì tương tự nhau

1.1.3 Nguyên lý hoạt động của hệ thống cân băng tải động

Về cơ bản, quá trình hoạt động của hệ thống cân băng tải động sẽ qua các giai đoạn sau:

*Cách xác định khối lượng nguyên liệu qua băng tải :

Vật liệu được dẫn đến một khung gá cảm biến lực(sàn cân) được đặt sẵn dưới băng tải và giới hạn bởi 2 đầu con lăn thông qua 1 hoặc nhiều con lăn cân, trọng lượng vật liệu cân sẽ tác động một lực lên cảm biến lực và dây băng tải

Điều khiển định mức chuẩn

Phân tích thông

số thô Xác định khối lượng chuẩn

Hình 1.2: Mô tả cách xác định khối lượng[12]

Tín hiệu đầu ra của cảm biến lực tỉ lệ với tải nền, tín hiệu điện áp này được khuếch đại và chuyển đến đầu cân có các vi xử lý chuyển đổi tín hiệu tương tự sang tín hiệu số

Tam giác màu trắng trong Hình 1.2 thể hiện sự phân bố của tải trọng trên giường cân chỉ có 1 con lăn cân (con lăn chứa cảm biến lực) cho thấy chỉ một nửa trọng lượng của vật liệu tác động lên con lăn cân

Leff Lg

2

=

Leff : Chiều dài hiệu dụng trên tải trọng nền (m)

Lg : Chiều dài tải trọng nền (m)

Đối với giường cân của hệ thống có nhiều con lăn cân (con lăn có gắn loadcell) p, hệ số là khác 1/2

*Tải trọng băng tải tính bằng kg/m :

*Tốc độ băng tải: Một phép đo tiếp theo cần thiết để tính năng suất cấp liệu

Để đo được tốc độ băng tải ta thường dùng 1 cảm biến để đo trực tiếp tốc độ băng tải hoặc là đo tốc độ động cơ sau đó tính ra tốc độ băng tải

Nếu tải trọng trên băng không đổi thì đo tốc độ có thể không cần thiết

Leff: Chiều dài hiệu dụng trên tải trọng nền (m)

Lg: Chiều dài tải trọng nền (m)

I=  Q v 3600 (kg/h)

1.1.3.1 Bộ phận cơ khí (Phễu chứa, cửa cấp liệu, băng tải, con lăn lớn và con lăn nhỏ)

Nơi cấp liệu đầu vào, bao gồm phễu chứa và cấp liệu Tại đây,vật liệu được

đổ vào phễu chứa và bắt đầu quy trình của cân băng tải động Liệu qua cửa cấp liệu (Vít tải hoặc cửa xả) chảy xuống băng tải Toàn bộ băng tải chảy liệu được

gá trên khung cân băng, trên các con lăn trong đó con lăn lớn làm nhiệm vụ tải băng, con lăn nhỏ dùng gá đỡ cho băng tải chạy Trong số băng tải nhỏ sẽ có bộ bận được cảm biện trọng lượng (loadcell) để kiểm tra, đong đếm khối lượng chảy trên băng tải

Hình 1.3: Hệ thống cân băng tải động[13]

1.1.3.2 Bộ phận cảm biến (Loadcell cảm biến lực, encoder cảm biến tốc độ)

Cảm biến lực được gá trên những con lăn nhỏ, tại nơi đây sẽ xuất hiện những trọng lực tác dụng trực tiếp lên con lăn và thông số đó sẽ được gửi về bộ phận điều khiển Cảm biến tốc độ encoder sẽ có nhiệm vụ, kiểm tra tốc tộ chạy của băng tải, từ đó sẽ đưa ra được thông số tốc độ của băng tải Kết hợp 2 thông

số này lại sẽ có được thông số khối lượng trên giờ để điều chỉnh được chính xác nhất

Hình 1.4: Các loại cảm biến lực (Loadcell) [9]

Hình 1.5: Encoder[8]

1.1.3.3 Bộ phận điều khiển (Đầu cân hiển thị điều khiển, tủ điện điều khiển cân băng, phần mềm cân băng)

Từ những thông số kỹ thuật truyền về từ cảm biến tốc độ và cảm biến lực, qua đầu cân điều khiển xử lý thông tin sau đó sẽ được gửi về phần mềm điều khiển trên máy tính Từ đây những thông số thô sẽ được xử lý và phản hồi ngược lại tủ điện Tại tủ điện điều khiển trung tâm sẽ có được những quyết định, thông số thời gian chạy trên băng tải và từ đó kiểm soát được đúng định mức khối lượng / thời gian cần thiết

1.2 Các ứng dụng trong thực tế

1.2.1 Cân băng tải định lượng liên tục – băng tải điều khiển phối trộn

Cân băng tải điều khiển phối trộn rất phổ biến trong các nhà máy phối trộn sản xuất phân bón, xi măng và phối trộn bê tông

Hình 1.6: Hệ thống cân băng tải điều khiển phối trộn[12]

Máy hoạt động theo phương pháp cân liên tục cùng lúc trên hệ thống băng tải cân, mỗi băng tải cân 1 loại nguyên liệu khác nhau theo tỉ lệ khác nhau, sau

đó các băng tải cân sẽ đổ liệu liên tục và rải đều lên băng tải dẫn tới hệ thống máy trộn Đảm bảo tỷ lệ phối theo đơn phối liệu để sản phẩm được sản xuất ra đạt chất lượng theo yêu cầu, chất lượng sản phẩm được ổn định, tiết kiệm chi phí sản xuất kinh doanh

Điều chỉnh tốc độ động cơ

Tín hiệu vào Thiết lập tốc độ băng tải

Hệ thống bao gồm khung đỡ và dây băng tải chạy liên tục, module gá cảm biến lực được bố trí bên dưới băng tải (gần đầu tháo liệu băng tải) Tín hiệu đưa

về đầu phân giải cân (indicator) Tùy theo giá trị cài đặt trên đầu cân mà ta đã chọn và nhập thì đầu cân sẽ tính tổng lưu lượng nguyên liệu chạy liên tục qua băng tải (tổng giá trị) hoặc đưa tín hiệu anolog ra biến tần điều khiển vận tốc dòng chảy cố định theo khối lượng/giờ

Hình 1.7: Sơ đồ nguyên lý hệ thống[12]

Đối với cân định lượng loại băng tải có mức độ chính xác từ

0, 25% 3%

  ) tùy theo loại cân và yêu cầu của đơn vị sản xuất

Thành phần chính của hệ thống cân định lượng bao gồm đầu cân, cảm biến lực, biến tần điều khiển tốc độ động cơ, cảm biến giám sát tốc độ, cảm biến giám sát lệch băng, động cơ, kết cấu băng tải

Với một khối lượng cài đặt ban đầu (set point) hệ thống cân sẽ so sánh kết quả cân (actual value) với giá trị cài đặt, nếu khối lượng thực tế nhỏ hơn khối lượng cài đặt, hệ thống sẽ tăng tốc độ động cơ cho đến khi nào đạt được giá trị cài đặt Nếu kết quả lớn hơn thì ngược lại

Do yêu cầu độ chính xác cao nên cân định lượng thường có cấu tạo bao gồm

2 cảm biến lực đặt ở hai bên

Khối lượng vật liệu

Tốc độ băng tải

Khối lượng trên băng tải

Bộ biến tần

Lưu lượng trên băng tải

Cảm biến lực

Động cơ

Tốc độ mới

Chuyển đổi

dữ liệu

PC/PLC

Encoder

1.2.2 Cân nguyên liệu bằng băng tải động

Trong thực tế hệ thống được áp dụng nhiều trong việc xác định khối lượng của nguyên vật liệu ở trong các nhà máy sản xuất Các nguyên liệu đó phổ biến như cát, dăm gỗ, than đá, khoáng sản… Dưới đây là một vài hình ảnh trong sản xuất thực tế

Hình 1.8: Hệ thống cân băng tải cát[12]

Hình 1.9: Hệ thống cân băng tải trong khai thác khoáng sản[13]

1.3 Giới thiệu các khối cơ bản của hệ thống

Hệ thống được thiết kế bao gồm những khối cơ bản được thể hiện ở hình 1.10 bên dưới:

Hình 1.10: Các khối cơ bản của hệ thống

- Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống sử dụng điện

- Khối cảm biến là 2 cảm biến lực và 1 encoder dùng để đo khối lượng cát và tốc độ băng tải sau đó truyền giữ liệu về cho khối khuếch đại

- Khối khuếch đại có nhiệm vụ nhận giữ liệu từ khối cảm biến, khuếch đại tín hiệu lên để vi điều khiển có thể nhận được và xử lí

- Khối hiển thị và điều khiển có nhiệm vụ nhận tín hiệu từ vi điều khiển và hiển thị lên màn hình cũng như gửi tín hiệu điều khiển về cho vi điều khiển

- Vi điều khiển nhận tính hiệu điều khiển và điều khiển khối công suất và thực hiện các yêu cầu của hệ thống

1.3.1 Nguyên lý hoạt động của hệ thống

Sau khi nhấn nút bắt đầu trên tủ điện và nhấn nút bắt đầu cân trên trên giao diện điều khiển thì hệ thống sẽ bắt đầu hoạt động Khi phễu được cấp cát thì khi băng tải chuyển động sẽ cát sẽ chảy ra theo chiều quay của băng tải, cùng lúc đó 2 cảm biến lực sẽ có nhiệm vụ đo lượng cát ở trên bàn cân và đưa về tín hiệu vi điều khiển Vi điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến lực sau đó xử lí và hiển thị khối lượng liên tục lên màn hình và kiểm tra xem đã đạt đủ khối lượng mong muốn chưa, nếu đã đủ khối lượng mong muốn, vi điều khiển sẽ đưa tín

Khối khuếch đại

Khối vi điều khiển

Khối cảm biến

Khối công suất Khối nguồn thị và điểu Khối hiển

khiển

hiệu điều khiển qua khối công suất để điều khiển động cơ dừng lại, cát sẽ không chảy ra nữa và dừng quá trình cân lại

1.3.2 Yêu cầu công nghệ của hệ thống

Hệ thống phải đảm bảo hoạt động chính xác, phân cứng phải đảm bảo được yêu cầu kĩ thuật, sai số khối lượng phải nằm trong giới hạn cho phép

Hệ thống băng tải phải hoạt động ổn định, không bị mắt kẹt

Hệ thống được thiết kế chắc chắn , nhỏ gọn

1.4 Lý do chọn đề tài

Trong các nhà máy phối trộn việc vận chuyển và cân vật liệu một cách liên tục và chính xác là rất quan trọng giúp đảm bảo chất lượng sản phẩm cũng như hiệu quả sản xuất Khâu định lượng giúp xác định chính xác khối lượng nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm trong sản xuất Các thiết bị định lượng

có mặt trong hầu hết các khâu trong hệ thống, công đoạn sản xuất: cung ứng tồn trữ nguyên vật liệu, cấp liệu cho từng giai đoạn, cân và đóng gói sản phẩm… Nhận thấy rằng với nhu cầu cân lưu lượng liên tục lớn như vậy, nhóm quyết định chọn đề tài “ Thiết kế và chế tạo hệ thống cân băng tải động” Đây

là đề tài có tính thực tiễn cao và nếu hoàn thiện sẽ giúp ích rất nhiều cho các doanh nghiệp sản xuất

1.5 Cấu trúc của đồ án

Đồ án gồm có 4 phần chính với các nội dung như sau:

➢ Giới thiệu tổng quan : Trong phần này sẽ giới thiệu tổng quát về hệ thống Trình bày tính cấp thiết và các ứng dụng về đề tài đã lựa chọn Từ đó, kết luận lý do lựa chọn đề tài

➢ Thiết kế hệ thống cơ khí: Phần này sẽ đưa ra các phương án thiết kế, phân tích ưu nhược điểm của từng phương án Từ đó, chọn phương án phù hợp để tiến hành thực hiện tính toán cơ cấu và chế tạo phần cơ khí cho hệ thống

➢ Thiết kế hệ thống điều khiển: Lựa chọn phương án điều hiển phù hợp đáp ứng tính chính xác và hiệu quả cao Thiết kế mạch, lựa chọn linh kiện và lập trình

➢ Kết luận và hướng phát triển đề tài

Chương 2: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ KHÍ

2.1 Giới thiệu về phần cứng của hệ thống

2.1.1.Băng tải

2.1.1.1 Giới thiệu về băng tải

Hình 2.1: Một hệ thống vận chuyển sử dụng băng tải[13]

Băng tải thường được sử dụng để di chuyển các vật liệu đơn giản và vật liệu rời theo phương ngang và phương nghiêng Trong các dây chuyền sản xuất, băng tải được sử dụng rộng rãi để vận chuyển sản phẩm, trong các xưởng luyện kim băng tải dùng để vận chuyển quặng, than đá, các loại xỉ lò trên các trạm thủy điện thì băng tải thường được dùng để vận chuyển nhiên liệu

Hình 2.2: Băng tải vận chuyển cát[13]

• Ưu điểm của băng tải:

Cấu tạo đơn giản, bền, có khả năng vận chuyển rời và đơn chiếc theo các hướng nằm ngang, nằm nghiêng hoặc kết hợp giữa nằm ngang với nằm nghiêng

Vốn đầu tư không lớn lắm, có thể tự động được, vận hành đơn giản, bảo dưỡng dễ dàng, làm việc tin cậy, năng suất cao và tiêu hao năng lượng so với máy vận chuyển khác không lớn lắm

• Cấu tạo chung của băng tải:

Hình 2.3: Cấu tạo chung băng tải[12]

1 Bộ phận kéo cùng các yếu tố làm việc trực tiếp mang vật

2 Trạm dẫn động, truyền chuyển động cho bộ phận kéo

3 Bộ phận căng, tạo và giữ lực căng cần thiết cho bộ phận kéo

4 Hệ thống đỡ (con lăn, giá đỡ ) làm phần trượt cho bộ phận kéo và các yếu

tố làm việc

L: chiều dài băng tải; L1:chiều dài nghiêng; L2:chiều dài nằm ngang

2.1.1.2 Giới thiệu băng tải sử dụng trong mô hình

Tùy theo từng loại nguyên vật liệu hay sản phẩm mà có nhiều loại băng tải khác nhau: băng tải xích, băng tải con lăn, băng tải xoắn ốc, băng tải dây đai, băng tải đứng…

Do băng tải dùng trong mô hình làm nhiệm vụ vận chuyển cát nên nhóm đã lựa chọn loại băng tải dây đai cao su truyền động bằng xích với những lý do sau đây:

+Tải trọng băng tải không quá lớn

+Kết cấu cơ khí không quá phức tạp

+Dễ dàng thiết kế chế tạo

+Có thể dễ dàng hiệu chỉnh băng tải

Tuy nhiên loại băng tải này cũng có 1 vài nhược điểm như độ chính xác khi vận chuyển không cao, đôi lúc băng tải hoạt động không ổn định do nhiều yếu tố: nhiệt độ môi trường ảnh hưởng tới băng tải, độ ma sát và độ co dãn của dây đai giảm qua thời gian

• Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của động cơ điện:

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 stator 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 rotor quanh trục hay momen

• Phân loại động cơ điện:

Có thể phân loại động cơ điện làm 2 loại chính: động cơ điện 1 chiều và động cơ điện xoay chiều Trong động cơ điện xoay chiều có thể phân loại động

cơ đồng bộ và động cơ không đồng bộ, động cơ xoay chiều 1 pha và 3 pha

Hình 2.5: Động cơ điện một chiều và động cơ điện xoay chiều[10]

2.1.2.2 Động cơ điện trong hệ thống

Hình 2.6: Động cơ điện một chiều[10]

* Tính chọn động cơ:

+ Khối lượng tải tối đa: m = 50 (Kg)

+ Tốc độ băng tải: v = 0.05 (m/s)

→ Công suất động cơ: P=m g v =50.10.0,05=25 (W)

* Thông số động cơ được chọn: Động cơ có hộp giảm tốc DC 25W

+ Động cơ một chiều giảm tốc

+ Điện áp làm việc 12-14VDC + Công suất động cơ 25W

2.1.3 Tính chọn bộ truyền

Ở đây bộ truyền được sử dụng để truyền chuyển động từ động cơ sang trục tang là 2 trục song song và cách xa nhau nên ta sử dụng bộ truyền đai hoặc bộ truyền xích

Hình 2.7: Cấu tạo của bộ truyền đai[11]

- Ưu điểm: Bộ truyền đai kết cấu đơn giản, làm việc êm, giữ an toàn cho các chi

tiết máy khi quá tải đột ngột

- Nhược điểm: Bộ truyền đai có sự trượt giữa dây đai và bánh đai nên tỷ số

truyền không ổn định và phải có lực căng đai ban đầu F

2.1.3.2 Bộ truyền xích

Hình 2.8: Cấu tạo của bộ truyền xích[11]

1: Bánh xích lớn 2: Bánh xích nhỏ 3: Dây xích

- Ưu điểm: Bộ truyền xích có kích thước nhỏ gọn hơn, khi làm việc không

trượt, hiệu suất truyền động khá cao, lực tác dụng lên trục nhỏ

- Nhược điểm: Chế tạo lắp ráp phức tạp, thường xuyên bôi trơn và giá thành

tương đối cao

Dựa vào ưu nhược điểm của băng tải sử dụng bộ truyền đai và bộ truyền xích, cộng với yêu cầu của băng tải của mô hình, nhóm chọn bộ truyền xích

Băng tải quay chậm với tốc độ khoảng 0.05m/s

2.2 Thiết kế phần khung của hệ thống

2.2.1 Giới thiệu phần mềm thiết kế 3D Solidworks

Phần mềm Solidworks là một trong những phần mềm chuyên về thiết kế 3D do hãng Dassault System phát hành dành cho những xí nghiệp vừa và nhỏ, đáp ứng hầu hết các nhu cầu thiết kế cơ khí hiện nay Solidworks được biết đến

từ phiên bản Solidworks 1998 và được du nhập vào nước ta với phiên bản 2003

và cho đến nay với phiên bản 2012 và phần mềm này đã phát triển đồ sộ về thư viện cơ khí và phần mềm này không những dành cho những xí nghiệp cơ khí nữa mà còn dành cho các ngành khác như: đường ống, kiến trúc, trang trí nội thất, mỹ thuật …

Phần mềm Solidworks cung cấp cho người dùng những tính năng tuyệt vời nhất về thiết kế các chi tiết các khối 3D, lắp ráp các chi tiết đó để hình thành nên nhưng bộ phận của máy móc, xuất bản vẽ 2D các chi tiết đó là những tính năng rất phổ biến của phần mềm Solidworks, ngoài ra còn có những tính năng khác nữa như: Phân tích động học (motion), phân tích động lực học (simulation)

Bên cạnh đó phần mềm cong tích hợp modul Solidcam để phục vụ cho việc gia công trên CNC nhờ có phay Solidcam và tiện Solidcam hơn nữa chúng

ta cũng có thể gia công nhiều trục trên Solidcam, modul 3Dquickmold phục vụ cho việc thiết kế khuôn

2.2.2 Thiết kế phần khung hệ thống sơ bộ trên phần mềm Solidworks

Hệ thống sẽ gồm hệ một phễu cấp vật liệu và một hệ thống băng tải phía dưới để vận chuyển vật liệu Cơ cấu cân loadcell để cân khối lượng vật liệu đi qua bàn cân liên tục trên băng tải Hai loadcell được gắn một đầu cố định với khung, một đầu gắn với con lăn để cân khối lượng trên bàn cân Cuối băng tải

sẽ có máng để hứng vật liệu đã cân được

Yêu cầu phần cứng của hệ thống là băng tải và hệ thống cấp phôi phải hoạt động ổn định và cung cấp lưu lượng ổn định trên bàn cân của loadcell Phần bố trí loadcell và bàn cân phải ổn định đáp ứng yêu cầu tránh sai số trong quá trình cân

Dựa trên phần mềm thiết kế và mô phỏng 3D Solidworks thì nhóm đã thiết

kế được phần khung sơ bộ và các chi tiết của hệ thống như sau

2.2.2.1 Phễu

- Kích thước phễu:

Hình 2.9: Kích thước phễu

Hình 2.10: Chi tiết phễu thiết kế sơ bộ trên Solidworks

2.2.2.2 Máng đổ cát

- Kích thước máng:

Hình 2.11 : Kích thước máng đổ cát

Hình 2.12: Chi tiết máng đổ cát thiết kế sơ bộ trên Solidworks

2.2.2.3 Khung hệ thống

- Kích thước khung:

Hình 2.13: Kích thước khung

Hình 2.14: Khung hệ thống thiết kế sơ bộ trên Solidworks

2.2.2.4 Băng tải

- Kích thước băng tải:

Hình 2.15: Kích thước băng tải

Hình 2.16: Băng tải thiết kế sơ bộ trên Solidworks

2.2.2.5 Bộ truyền xích

- Kích thước:

• Đường kính đĩa xích: 60 (mm)

• Số răng đĩa xích: 30 (răng)

• Khoảng cách trục giữa hai bánh xích: 200 (mm)

Hình 2.17: Bộ truyền xích thiết kế sơ bộ trên Solidworks

2.2.2.6 Cụm chi tiết gá Loadcell

Hình 2.18: Cụm chi tiết gá đặt loadcell

2.2.2.7 Mô hình mô phỏng đầy đủ của hệ thống

Hình 2.19: Mô hình tổng thể của hệ thống

Chương 3: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN

3.1 Giới thiệu vi điều khiển Arduino

3.1.1 Giới thiệu về Arduino

Arduino thực sự đã gây sóng gió trên thị trường người dùng DIY (là những người tự chế ra sản phẩm của mình) trên toàn thế giới trong vài năm gần đây, gần giống với những gì Apple đã làm được trên thị trường thiết bị di động Số lượng người dùng cực lớn và đa dạng với trình độ trải rộng từ bậc phổ thông lên đến đại học đã làm cho ngay cả những người tạo ra chúng phải ngạc nhiên

về mức độ phổ biến

Hình 3.1: Các loại Arduino[7]

Arduino là một bo mạch vi xử lý được dùng để lập trình tương tác với các thiết bị phần cứng như cảm biến, động cơ, đèn hoặc các thiết bị khác Đặc điểm nổi bật của Arduino là môi trường phát triển ứng dụng cực kỳ dễ sử dụng, với một ngôn ngữ lập trình có thể học một cách nhanh chóng ngay cả với người ít

am hiểu về điện tử và lập trình Và điều làm nên hiện tượng Arduino chính là mức giá rất thấp và tính chất nguồn mở từ phần cứng tới phần mềm Chỉ với

khoảng $10, người dùng đã có thể sở hữu một board Arduino có 20 ngõ I/O có thể tương tác và điều khiển chừng ấy thiết bị

3.1.2 Arduino Uno

Arduino Uno là một bo mạch thiết kế với bộ xử lý trung tâm là vi điểu khiển AVR Atmega328 Cấu tạo chính của Arduino Uno bao gồm các phần sau:

Hình 3.2: Arduino Uno[7]

- Cổng USB: đây là loại cổng giao tiếp để ta upload code từ PC lên vi điều

khiển Đồng thời nó cũng là giao tiếp serial để truyền dữ liệu giữa vi điều khiển và máy tính

- Cấp nguồn: để chạy Arduino thỉ có thể lấy nguồn từ cổng USB ở trên, nhưng

không phải lúc nào cũng có thể cắm với máy tính được Lúc đó ta cần một nguồn từ 9V đến 12V

- Có 14 chân vào/ra số đánh số thứ tự từ 0 đến 13, ngoài ra có một chân nối

đất (GND) và một chân điện áp tham chiếu (AREF)

- Vi điều khiển AVR: đây là bộ xử lí trung tâm của toàn bo mạch Với mỗi

mẫu Arduino khác nhau thì con chip là khác nhau Ở con Arduino Uno này thì sử dụng ATMega328

- Các thông số chi tiết của Arduino Uno:

• Vi xử lý: Atmega328

• Điện áp hoạt động: 5V

• Điện áp đầu vào: 7-12V

• Điện áp đầu vào (Giới hạn): 6-20V

• Chân vào/ra (I/O) số:14 (6 chân có thểcho đầu ra PWM)

• Chân vào tương tự: 6

• Dòng điện trong mỗi chân I/O: 40mA

• Dòng điện chân nguồn 3.3V : 50mA

Arduino là một môi trường phát triển tích hợp đa nền tảng, làm việc cùng với một bộ điều khiển Arduino để viết, biên dịch và tải code lên bo mạch Phần mềm này cung cấp sự hỗ trợ cho một loạt các bo mạch Arduino như Arduino Uno, Nano, Mega, Esplora, Ethernet, Fio, Pro hay Pro Mini cũng như LilyPad Arduino

Các thiết kế có thể được kiểm tra, biên dịch với một bản ghi lỗi hiển thị ở phần dưới của giao diện người dùng, cho phép xem lại code Nếu quá trình gỡ lỗi trả về kết quả là không có lỗi thì có thể bắt đầu quá trình tải code lên bo mạch và thử nghiệm thêm

Hình 3.3: Giao diện phầm mềm Arduino IDE

3.2 Giới thiệu phần mềm Visual Studio

Visual Studio là một trong những công cụ hỗ trợ lập trình rất nổi tiếng hiện nay của Microsoft

Hình 3.4 Giao diện lập trình của phần mềm Visual Studio

Visual Studio hỗ trợ nhiều ngôn ngữ lập trình khác nhau bao gồm: C#, C++, Python, VB+,… Trong đồ án này, nhóm sử dụng ngôn ngữ C# để lập trình giao diện điều khiển

Visual Studio là một phần mềm lập trình hệ thống được sản xuất trực tiếp

từ Microsoft Từ khi ra đời đến nay, Visual Studio đã có rất nhiều các phiên bản

sử dụng khác nhau Điều đó, giúp cho người dùng có thể lựa chọn được phiên bản tương thích với dòng máy của mình cũng như cấu hình sử dụng phù hợp nhất Bên cạnh đó, Visual Studio còn cho phép người dùng có thể tự chọn lựa giao diện chính cho máy của mình tùy thuộc vào nhu cầu sử dụng

3.3 Cảm biến lực (Loadcell)

3.3.1 Khái niệm

Loadcell hay còn gọi là cảm biến lực Khi có lực được tác dụng lên một loadcell, nó sẽ chuyển đổi lực tác dụng thành tín hiệu điện

Hình 3.5: Loadcell Z ngoài thực tế[9]

1: Vị trí tác dụng lực

2: Các dây tín hiệu bao gồm dây nguồn, tín hiệu ra, dây chống nhiễu

Tín hiệu điện tử ngõ ra của loadcell có thể là một sự thay đổi điện áp, thay đổi tín hiệu dòng, tín hiệu số hoặc thay đổi tần số tùy thuộc vào loại loadcell và mạch sử dụng, phổ biến nhất là loại loadcell thay đổi điện áp

3.3.2 Cấu tạo Loadcell

Một loadcell thường bao gồm các strain gauges được dán vào bề mặt của thân loadcell

Thân loadcell là một khối kim loại có độ đàn hồi và tùy theo từng loại loadcell và mục đích sử dụng loadcell, thân loadcell được thiết kế với các hình dạng đặc biệt khác nhau và chế tạo bằng vật liệu kim loại khác nhau (thép không gỉ, nhôm hợp kim, thép hợp kim)

Hình 3.6: Cấu tạo loadcell[9]

Strain gauge là thành phần cấu tạo chính và quan trọng nhất của loadcell,

nó bao gồm một sợi dây kim loại mảnh đặt trên một tấm cách điện đàn hồi

Để tăng chiều dài của dây điện trở strain gauge, người ta đặt chúng theo hình ziczac, mục đích là để tăng độ biến dạng khi có lực tác dụng qua đó tăng

độ chính xác của thiết bị cảm biến sử dụng strain gauge

Hình 3.7: Cấu tạo các điện trở bên trong loadcell[9]

Điện trở thay đổi tỷ lệ với lực tác động

*Công thức tính điện trở: R =

Trong đó:

+  là điện trở suất (.m)

+ L là chiều dài dây dẫn (m)

+ S là tiết diện ngang (m2)

Hình 3.8: Mô tả thay đổi loadcell khi có lực tác dụng[9]

3.3.3 Nguyên lí hoạt động của Loadcell

Cấu tạo chính của loadcell gồm các điện trở strain gauges R1 , R2, R3, R4

kết nối thành 1 cầu điện trở Wheatstone như hình dưới và được dán vào bề mặt của thân loadcell