Báo cáo bài tập lớn Thiết kế hệ thống cơ điện tử

Hiện nay ngành công nghiệp ngày càng phát triển các công ty xí nghiệp đã áp dụng tự động hóa vào sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền và sản phẩm của toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu, tiết kiệm được nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng. Để đáp ứng yêu cầu đó, nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công mô hình “hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc”.Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng cảm biến màu để xác định màu sắc của sản phẩm, sau đó sẽ phân loại sản phẩm có màu sắc khác nhau đến các kho hàng định trước.

PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHÓM

I Thông tin chung

2 Tên nhóm: Nhóm 16

Họ và tên thành viên:

II Nội dung học tập

1 Tên chủ đề: Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.

2 Hoạt động của sinh viên

Nội dung 1: Phân tích nhiệm vụ thiết kế

- Thiết lập danh sách yêu cầu

Nội dung 2: Thiết kế sơ bộ

- Xác định các vấn đề cơ bản

- Thiết lập cấu trúc chức năng

- Phát triển cấu trúc làm việc

Nội dung 3: Thiết kế cụ thể

- Xây dựng các bước thiết kế cụ thể

- Tích hợp hệ thống

- Phác thảo sản phẩm bằng phần mềm CAD và/hoặc bằng bản vẽ phác Ápdụng các công cụ hỗ trợ: Mô hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sảnphẩm

3 Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch bài tập lớn.

IV Học liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án

1 Tài liệu học tập: Bài giảng môn học thiết kế hệ thống cơ điện tử và cáctài liệu tham khảo

2 Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án(nếu có): Máy tính

MỤC LỤC

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH 6

DANH MỤC BẢNG 7

LỜI CẢM ƠN 8

GIỚI THIỆU CHUNG 9

PHẦN 1 DANH SÁCH YÊU CẦU 10

PHẦN 2 TÓM TẮT ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN 12

PHẦN 3 CẤU TRÚC CHỨC NĂNG 13

PHẦN 4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC LÀM VIỆC 17

PHẦN 5 KẾT HỢP CÁC NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ LỰA CHỌN BIẾN THỂ PHÙ HỢP 19

PHẦN 6 THIẾT KẾ CỤ THỂ 20

6.1 Biến áp – Máy biến áp 3 pha 20

6.2 Bảo vệ hệ thống điện 20

6.2.1 Chống ngắn mạch và chống đảo pha 20

6.2.2 Contactor chống đảo pha 22

6.3 An toàn cho dây chuyền 22

6.3.1 Xác định vị trí sản phẩm 22

6.3.2 Cảnh báo 23

6.3.3 Dừng khẩn cấp 24

6.4 Di chuyển sản phẩm 25

6.4.1 Chuyển đổi điện – cơ 25

6.4.2 Dẫn động 27

6.5 Xử lý và điều khiển tín hiệu 29

6.6 Nhận biết màu sắc sản phẩm 31

6.7 Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại 32

6.8 Đưa sản phẩm vào nơi yêu cầu 33

6.9 Bộ chuyển đổi 34

PHẦN 7 PHÁC THẢO SẢN PHẨM 3D VÀ TÍCH HỢP HỆ THỐNG 35

7.1 Phác thảo hệ thống 3D 35

7.1.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 35

7.1.2 Bản vẽ lắp 35

7.2 Tích hợp hệ thống 36

KẾT LUẬN 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 39

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 9

Hình 3.1 Sơ đồ cấu trúc chức năng hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.13 Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc.14 Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện 15

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng an toàn cho dây chuyền 15

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng di chuyển sản phẩm 16

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động 16

Hình 6.1 Ổn áp Litanda 10KVA 3 pha 20

Hình 6.2 EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider 21

Hình 6.3 CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380 22

Hình 6.4 Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 23

Hình 6.5 Còi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3 24

Hình 6.6 Emergency Stop 25

Hình 6.7 Động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp 27

Hình 6.8 Hộp số giảm tốc ZQ 28

Hình 6.9 Truyền động đai 29

Hình 6.10 Hệ thống con lăn và băng tải dẹt 29

Hình 6.11 Arduino Uno R3 30

Hình 6.12 Cảm biến màu sắc TCS3200 31

Hình 6.13 Sơ đồ nguyên lý cảm biến màu sắc TCS3200 31

Hình 6.14 Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 32

Hình 6.15 Động cơ Digital RC Servo LD-27MG - 79C6 33

Hình 6.16 Bộ chuyển đổi AC 220V sang DC 0-48V 10A 34

Hình 7.1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 35

Hình 7.2 Bản vẽ lắp của hệ thống 35

Hình 7.3 Hệ thống điện và nhận dạng sản phẩm 36

Hình 7.4 Lưu đồ thuật toán 37

DANH MỤC BẢNG

Bảng 6.1.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng hệ thống phân loại sản

phẩm 18

Bảng 6.1.1 Thông số kỹ thuật ổn áp Litanda 10KVA 3 pha 20

Bảng 6.2.1 Thông số kỹ thuật EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider 21

Bảng 6.2.2 Thông số kỹ thuật CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380 22

Bảng 6.3.1 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 23

Bảng 6.3.2 Thông số kỹ thuật còi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3 24

Bảng 6.3.3 Thông số kỹ thuật Emergency Stop 25

Bảng 6.4.1 Thông số kỹ thuật động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp 27

Bảng 6.4.2 Thông số kỹ thuật hộp số giảm tốc ZQ 28

Bảng 6.5.1 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 30

Bảng 6.7.1 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 33

Bảng 6.8.1 Thông số kỹ thuật động cơ Digital RC Servo LD-27MG - 79C6 34

Bảng 6.9.1 Thông số kỹ thuật bộ chuyển AC sang DC 34

Xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nhữ Quý Thơ đã hướng dẫn, động viêngiúp đỡ chúng em trong quá trình nghiên cứu và viết báo cáo Những nhận xét,đánh giá của thầy, đặc biệt là những gợi ý về hướng giải quyết vấn đề trong suốtquá trình viết báo cáo, thực sự là những bài học vô cùng quý giá đối với chúng

em không chỉ trong quá trình viết báo cáo mà cả trong hoạt động nghiên cứuchuyên môn sau này Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn đến gia đìnhnhững người thân yêu đã hỗ trợ cho chúng em rất nhiều trong quá trình học tập,nghiên cứu và thực hiện bài báo cáo một cách hoàn chỉnh

Chúng em xin trân thành cảm ơn!

Những người thực hiện

GIỚI THIỆU CHUNG

Hiện nay ngành công nghiệp ngày càng phát triển các công ty xí nghiệp

đã áp dụng tự động hóa vào sản xuất để tiện ích cho việc quản lý dây chuyền vàsản phẩm của toàn bộ hệ thống một cách hợp lý là yêu cầu thiết yếu, tiết kiệmđược nhiều thời gian cũng như quản lý một cách dễ dàng Để đáp ứng yêu cầu

đó, nhóm chúng em đã tiến hành nghiên cứu tài liệu, thiết kế và thi công môhình “hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc”

Hệ thống phân loại sản phẩm hoạt động trên nguyên lý dùng cảm biếnmàu để xác định màu sắc của sản phẩm, sau đó sẽ phân loại sản phẩm có màusắc khác nhau đến các kho hàng định trước

Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rấtlớn, cụ thể như:

 Giảm sức lao động, tránh được sự nhàm chán trong công việc, cải thiện được điều kiện làm việc của con người, tạo cho con người tiếp cận với sự tiến bộ của khoa học kỹ thuật và được làm việc trong môi trường ngày càng văn minh hơn.

 Nâng cao năng suất lao động, tạo tiền đề cho việc giảm giá thành sản phẩm, cũng như thay đổi mẫu mã một cách nhanh chóng.

 Giúp cho việc quản lý và giám sát trở nên rất đơn giản, bởi vì nó không những thay đổi điều kiện làm việc của công nhân mà còn có thể giảm số lượng công nhân đến mức tối đa.

Hình1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

PHẦN 1 DANH SÁCH YÊU CẦU

Loại bỏ cạnh sắc trên máy

Chiều dài: 2-3.5m Chiều rộng: 0.5-1.5m

D

Vật liệu:

Khung làm bằng thép chống gỉ, có đế cao su ởchân

D

Năng suất:

Phân loại được > 200 sản phẩm/phút

Phân loại:

Có thể vận hành bởi lao động phổ thông.

Hệ thống được thiết kế theo dạng module, cóthể tháo rời, di chuyển và lắp ráp lại (cho việc dichuyển nhà xưởng v v)

Tuổi thọ làm việc tối thiểu 10 năm trong điềukiện làm việc tiêu chuẩn của hệ thống, bảodưỡng định kì đúng hạn

Phụ tùng có thể thay thế và có thể mua ở ngoài(không cần mua của nhà sản xuất)

- Cảm biến xác định được ít nhất 2 màu sắc.

- Nguồn cấp vào 50Hz, 220V

- Vi điều khiển sử dụng nguồn DC và có bộ chuyển đổi nguồn AC220V thành DC

- Động cơ servo AC

- Băng chuyền sử dụng động cơ xoay chiều AC, vật liệu bám dínhcao

 Bước 3: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảmchúng thành các tuyên bố thiết yếu

- Cấu trúc khung chống rung

- Dùng cảm biến màu sắc

- Nguồn cung cấp

- Đo tín hiệu

- Dùng băng chuyền

 Bước 4: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước

- Cấu trúc khung chống rung

- Dùng cảm biến màu sắc

- Nguồn cung cấp

- Đo tín hiệu

- Dùng băng chuyền

 Bước 5: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp

- Thiết kế hệ thống sử dụng băng chuyền vận chuyển sản phẩm rồiphân loại sản phẩm theo màu sắc

Sản phẩm đã phân

loại Tín hiệu điện

Cơ năng

Xử lý và điều khiển tín hiệu

Bảo vệ hệ thống điện

Di chuyển sản phẩm

Nhận biết màu sắc sản phẩm

Đưa sản phẩm vào nơi yêu cầu

Sản phẩm

đã phân loại

An toàn cho dây chuyềnTín hiệu điều khiển

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Biến đổiđiệnBiến áp

 Chức năng con

- Chức năng bảo vệ hệ thống điện

- Chức năng an toàn cho dây chuyền

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện

Điện

Ngắt điện khiquá tải

Chống đảopha

Chống ngắnmạch

Xử lý và điều khiển tín hiệu

Xác định vịtrí sản phẩm

- Chức năng di chuyển sản phẩm

- Dẫn động

Điều khiển tốc độ

Cơ

năng

Xử lý và điều khiển tín hiệu

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng di chuyển sản phẩm

Dẫn động

Chuyển đổiđiện - cơ

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động

Cơ năngDẫn lực

Truyềnđộng

PHẦN 4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC LÀM VIỆC

Giải phápChức

Ngắt điện khi quá tải

Chống đảo pha

Mạch chống đảo pha Contactor

3

An toàn cho dây chuyền

Xác định vị trí sản phẩm

Cảm biến hồng ngoại Cảm biến quang

laser

Cảm biến siêu âm

Dừng khẩn cấp

Điều khiển bằng xung Hộp số bánh răng

răngDẫn lực Băng tải đai dẹt Băng tải xích Băng tải con lăn

7 Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại Cảm biến siêu âm Cảm biến hồng

ngoại

Encoder

bậc tự do

Bảng 6.1.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng hệ thống phân loại sản phẩm

PHẦN 5 KẾT HỢP CÁC NGUYÊN TẮC LÀM VIỆC VÀ LỰA

CHỌN BIẾN THỂ PHÙ HỢP

Các nguyên tắc làm việc được kết hợp thành các biến thể được biểu diễnnhư trong bảng ở trên Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽtạo thành một biến thể Theo bảng 4.1 ta có thể thấy có ba biến thể với ba màukhác nhau được chọn ra tương ứng màu xanh (biến thể 1), đỏ (biến thể 2) vàvàng (biến thể 3) Từ đây ta xét tới tính khả thi của các biến thể vừa được tạo ra

Sau khi kết hợp các nguyên tắc làm việc (biểu diễn trên bảng 4.1), ta được

ba biến thể tiêu biểu:

Biến thể 1: 1.2 – 2.1.2 – 2.2.2 – 2.3.2 – 3.1.1 – 3.2.2 – 3.3.1 – 4.1.1 –4.2.1.2 – 4.2.2.1 – 4.2.3.1 – 5.1 – 6.1 – 7.2 – 8.2

Biến thể 2: 1.1 – 2.1.2 – 2.2.2 – 2.3.2 – 3.1.1 – 3.2.2 – 3.3.1 – 4.1.2 –4.2.1.2 – 4.2.2.1 – 4.2.3.1 – 5.1 – 6.1 – 7.2 – 8.2

Biến thể 3: 1.1 – 2.1.1 – 2.2.1 – 2.3.2 – 3.1.2 – 3.2.1 – 3.3.1 – 4.1.2 –4.2.1.1 – 4.2.2.2 – 4.2.3.2 – 5.1 – 6.1 – 7.1 – 8.1

Có 3 biến thể, có thể thấy biến thể 1 có tính khả thi và có thể chọn để thiết

kế cụ thể

PHẦN 6 THIẾT KẾ CỤ THỂ

Để hệ thống hoạt động một cách ổn định mà không lo đến hiện tượng sụtđiện ảnh hưởng đến cả một dây chuyền thì cần cung cấp một dòng điện ổn địnhcho cả hệ thống chúng ta sẽ dùng máy ổn áp 3 pha

Tên sản phẩm: Ổn áp Litanda 10KVA 3 pha

Hình 6.8 Ổn áp Litanda 10KVA 3 pha

Thông số kỹ thuật:

Điện áp vào Gồm 2 dải điện áp : 160V~430V và

260V~430V

Độ bền cách điện Lớn hơn 3MΩ ở điện áp 1 chiều

trong quá trình đóng mở, có thể khôi phục trạng thái đóng cắt mà không mấtthời gian thay thế như cầu chì.

- Công suất: P=UIcos 

- Công suất tải: P=12KW

- Nguồn sử dụng: U=380V

- Hệ số công suất: Cos = 0.8

=> Dòng tối đa I= 3UCos P = 12.4A

Do đó chọn loại Aptomat 3 pha 15V

Tên sản phẩm: EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kASchneider

Hình 6.9 EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider

6.2.2 Contactor chống đảo pha

Để tránh tình trạng đảo pha khiến động cơ đột ngột đảo chiều gây nguyhiểm hệ thống di chuyển sản phẩm, người ta sử dụng module contactor chốngđảo pha làm thiết bị chống đảo pha cho động cơ kéo

Contactor chống đảo pha là một cụm đóng ngắt tự độngđược mắc vào nguồn ba pha để giám sát hoạt động của nguồn.Khi một pha bị mất hoặc xảy ra hiện tượng đảo pha thì tiếpđiểm mắc trên mạch nguồn sẽ mở để ngắt điện cho mạch độnglực.

Tên sản phẩm: CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380

Hình 6.10 CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380

Thông số kỹ thuật:

Bảng 6.2.4 Thông số kỹ thuật CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380

6.3.1 Xác định vị trí sản phẩm

Để xác định vị trí sản phẩm thì có rất nhiều cách để xác định nhưng đểđúng và chính xác thì ta có thể dùng cảm biến hồng ngoại

Tên sản phẩm: Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488

Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 có khả năng thích nghi với môitrường ánh sáng mạnh giúp giảm nhiễu bởi ánh sáng Sản phẩm được thiết kếnhỏ gọn dễ dàng tích hợp vào các board mạch, có một cặp truyền và nhận tiahồng ngoại Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướngtruyền có vật cản sẽ phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh đèn sẽ

sáng lên, đồng thời cho tín hiệu số ngõ ra Khoảng cách làm việc hiệu quả từ 30cm, điện áp làm việc từ 3.3-5V Độ nhạy và khoảng cách phát hiện củacảm biến được điều chỉnh bằng 2 chiết áp trên mạch.

Bảng 6.3.5 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488

6.3.2 Cảnh báo

Để phát hiện khi gặp sự cố thì cách tốt nhất là tạo ra âm thanh cảnh báocùng với đèn nháy hai thứ đó đều được tích hợp trong còi báo Khi có sự cố sảnphẩm mắc kẹt gây ùn tắc hoặc rơi vào phần chạy băng tải gây kẹt băng tải thì bộphận xử lý tín hiệu sẽ gửi tín hiệu đến làm còi kêu liên tục để người công nhânbiết và có các cách xử lý riêng

Tên sản phẩm: Còi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3

Hình 6.12 Còi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3

Hình 6.13 Emergency Stop

Thông số kỹ thuật:

Bảng 6.3.7 Thông số kỹ thuật Emergency Stop

6.4.1 Chuyển đổi điện – cơ

Để dây chuyền hoạt động một cách ổn định và tiêu tốn năng lượng mộtcách hợp lý thì tính để chọn động cơ cũng rất quan trọng

Tính chọn động cơ:

Bước 1: Tính công suất cần thiết (P ct¿

- Trọng lượng tối đa băng tải là: 54kg

P ct=P lv

η =

1,47 0,89=1,65(kW )Trong đó : F : Lực kéo băng tảiV :Vậntốc băng tảiPlv : Công suất làm việc trên trục máy công tác

Pct : Công suất cần thiết

Hình 6.14 Động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp

Tên sản phẩm: Hộp số giảm tốc ZQ

Cấu tạo: Gồm hệ thống con lăn và băng tải dẹt

Nguyên lý hoạt động: Khi con lăn chủ động hoạt động tạo ra lực ma sáttác dụng vào đai từ đó lôi đai hoạt động và các con lăn khác lăn theo để giảm lựckéo phải chịu của con lăn chủ động, khi đó thì bang tải sẽ hoạt động theo yêucầu

Hình 6.17 Hệ thống con lăn và băng tải dẹt

Trong mỗi hệ thống thông minh thì ngoài bộ phận hoạt động cơ thì cũngcần đến một bộ não điều khiển tín hiệu, không ngoại lệ với hệ thống phân loạisản phẩm theo màu sắc Có thể sử dụng bộ điều khiển Arduino

Bộ điều khiển Adruino nhận, xử lí tín hiệu sau đó đưa ra tín hiệu điềukhiển cho các thiết bị trong hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc như còibáo động, servo gạt phôi Khi nhận được tín hiệu về màu sắc sản phẩm và vị trísản phẩm, Adruino sẽ xử lí tín hiệu và đưa ra tín hiệu điều khiển cho servo gạtphôi từ băng tải vào nơi yêu cầu

Tên sản phẩm: Arduino Uno R3

về mọi mặt.

Tên sản phẩm: Cảm biến màu sắc TCS3200

Cảm biến màu sắc TCS3200 được sử dụng để nhận biết màu sắc bằngcách đo phản xạ 3 màu sắc cơ bản từ vật thể là đỏ, xanh lá và xanh dương từ đó

xuất ra tần số xung tương ứng với 3 màu này qua các chân tín hiệu, đo 3 tần sốxung này và qua 1 vài bước chuyển đổi nhất định là ta sẽ có đươc thông tin củamàu sắc của vật thể cần đo.

6.7 Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại

Để xác định vị trí sản phẩm thì có rất nhiều cách để xác định nhưng đểđúng và chính xác thì ta có thể dùng cảm biến hồng ngoại

Tên sản phẩm: Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488

Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 có khả năng thích nghi với môitrường ánh sáng mạnh giúp giảm nhiễu bởi ánh sáng Sản phẩm được thiết kếnhỏ gọn dễ dàng tích hợp vào các board mạch, có một cặp truyền và nhận tiahồng ngoại Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướngtruyền có vật cản sẽ phản xạ vào đèn thu hồng ngoại, sau khi so sánh đèn sẽsáng lên, đồng thời cho tín hiệu số ngõ ra Khoảng cách làm việc hiệu quả từ 2-30cm, điện áp làm việc từ 3.3-5V Độ nhạy và khoảng cách phát hiện củacảm biến được điều chỉnh bằng 2 chiết áp trên mạch

Bảng 6.7.11 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488