ĐỒ ÁN PHÂN LOẠI SẢN PHẨM THEO CHIỀU CAO

Thiết kế hệ thống điện tử
GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG
ĐỒ ÁN MÔN HỌC: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ
Mã HP: ME4336
Thời gian thực hiện: 15 tuần;
Ngày giao nhiệm vụ: …/…/20…;

Mã đề: VCK06-01
Ngày hoàn thành: …/…/20..

Họ và tên sv:…………….………………… MSSV: ………… Mã lớp: ………… Chữ ký sv:
……….
Ngày …/…/20…

Ngày …/…/20…

Ngày …/…/20…

ĐƠN VỊ CHUYÊN MÔN

NGƯỜI RA ĐỀ

CB Hướng dẫn

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

(ký, ghi rõ họ tên)

I.

Nhiệm vụ thiết kế: HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM

II.

Số liệu cho trước:

1.
2.
3.
4.
5.

Hệ thống cấp phôi tự động
Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: Khí nén
Nguồn lực quay băng tải: Động cơ điện
Chiều dài băng tải : L= 52 cm
Thông số hình học phôi :
 Hình trụ : h1=10cm, h2=05cm, h3=03cm;
d1=06cm, d2=06cm, d2=06cm
 Hình lập phương : h1=5cm, h2=5cm,

h3=10cm
6. Trọng lượng phôi: Pmin = 0,3Kg; Pmax = 5.5Kg
7. Năng suất làm việc : N = 18sp/ph
III. Nội dung thực hiện:
1. Tổng quan về hệ thống tự động phân loại sản phẩm.
2. Tính toán thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm.
3. Tính toán hệ thống dẫn động và và truyền động điện.
4. Tính toán điều khiển và sơ đồ thuật toán.

5. Bản vẽ sơ đồ điện
6. Bản vẽ sơ đồ điều khiển và sơ đồ thuật toán

MỤC LỤC
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58


Thiết kế hệ thống điện tử

2. Bảng phân công đầu ra: 36

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

LỜI NÓI ĐẦU
Xã hội ngày càng phát triển, nhu cầu vật chất và tinh thần của con người ngày
càng cao, vì thế bài toán về cung – cầu đang được các nhà sản xuất tìm cách giải
quyết. Tự động hóa trong dây chuyền sản xuất là một phương án tối ưu, nó đòi hỏi sự
nhanh chóng, chính xác và giảm thiểu được nhân công lao động. Quá trình sản xuất
càng được tự động hóa cao càng nâng cao năng suất sản xuất giảm chi phí tăng tính
cạnh tranh cho các doanh nghiệp.
Xét điều kiện cụ thể ở nước ta trong công cuộc công nghiệp hóa hiện đại hóa sử
dụng ngày càng nhiều thiết bị hiện đại để điều khiển tự động các quá trình sản xuất,
gia công, chế biến sản phẩm…Điều này dẫn tới việc hình thành các hệ thống sản xuất

linh hoạt, cho phép tự động hóa ở mức độ cao đối với sản xuất hàng loạt nhỏ và loạt
vừa trên cơ sở sử dụng các máy CNC, robot công nghiệp. Trong đó có một khâu quan
trọng ảnh hưởng đến chất lượng hàng hóa bán ra là hệ thống phận loại sản phẩm.
Đồ án “ Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm tự động” được nghiên cứu nhằm
củng cố kiến thức cho sinh viên, đồng thời giúp cho học sinh sinh viên thấy được mối
liên hệ giữa những kiến thức đã học ở trường với những ứng dụng bên ngoài thực tế.
Đề tài có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như vận chuyển sản phẩm,
đếm sản phẩm và phân loại sản phẩm. Với hệ thống tự động hóa này chúng ta có thể
giảm thiểu nhân công đi kèm với giảm chi phí sản xuất.
Với một khối lượng kiến thức tổng hợp lớn, và có nhiều phần em chưa nắm
vững, dù đã tham khảo nhiều tài liệu. Khi thực hiện đồ án “THIẾT KẾ HỆ THỐNG
CƠ ĐIỆN TỬ”, trong tính toán không thể tránh được những thiếu sót hạn chế. Kính
mong được sự chỉ bảo góp ý giúp đỡ của các quý thầy cô và các bạn.
Em xin chân thành cảm ơn tới các thầy cô giáo trong Bộ Môn Cơ sở thiết kế máy
và robot và đặc biệt thầy TS. Nguyễn Chí Hưng đã hướng dẫn tận tình, tạo điều kiện
thuận lợi và cho em nhiều kiến thức quý báu cho việc hoàn thành đồ án môn học này.
Em xin chân thành cảm ơn!
Sinh viên thực hiện

Hoàng Trọng Tú

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

1


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG PHÂN LOẠI SẢN PHẨM
1. Tìm hiểu chung về hệ thống phân loại sản phẩm
1.1. Đặt vấn đề
Ngày nay, việc tập trung hóa- tự động hóa công tác quản lí, giám sát và điều
khiển các hệ thống tự động nhằm năng cao hiệu quả của quá trình sản xuất, tránh rủi ro
tiết kiệm được chi phí. Và hạn chế là một hướng tất yếu của quả trình sản xuất nào
cũng không thể tránh khỏi, do thời gian cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ
như hiện nay. Cùng với sự phát triển vượt bậc của kĩ thuật vi điện tử , kĩ thuật truyền
thông và công nghệ phần mềm trong thời gian qua. Và lĩnh vực điều khiển tự động đã
ra đời, phát triển càng ngày đa đạng đáp ứng được các yêu cầu trong cuộc sống, đòi
hỏi quá trình tự động trong các lĩnh vực công nghiệp. Chính vì vậy phải lựa chọn quá
trình điều khiển nào cho phù hợp với yêu cầu thực tế đặt ra cho ngành. Đảm bảo điều
kiện cơ sở vật chất cho phép, tiết kiệm chi phí vận hành, nâng cao hiệu quả sản xuất,
dễ dàng bảo trì và sửa chữa hệ thống khi có sự cố.
Thực tiễn đó đã đặt ra làm sao để quản lí các nhà máy sản xuất một cách linh
hoạt ổn định và phù hợp nhất, tiết kiệm nhất và phải an toàn. Trước thời cơ và thách
thức của thời đại, do đó sự nhận biết nắm bắt và vận dụng các thành tựu một cách có
hiệu quả nền khoa học kĩ thuật thế giới nói chung và kĩ thuật điều khiển tự động nói
riêng. Sự áp dụng kĩ thuật điều khiển tự động đã được ứng dụng rộng rãi ở các nghành
sản xuất lớn, doanh nghiệp lớn một cách nhanh chóng bên cạnh đó những doanh
nghiệp vừa và nhỏ quy mô sản xuất thì ngược lại hoàn toàn chưa được áp dụng đặc
biệt ở khâu cân sản phẩm và đóng gói bao bì, vẫn còn sử dụng sức người, chính vì
vậy cho năng suất chưa hiệu quả. Trên cơ sở thực tế khách quan, yêu cầu của xã hội
của thế giới cũng như trong nước, đề tài này có nhiều tiềm năng nghiên cứu ứng
dụng và khai thác một cách khả thi nhất tốt nhất có thể. Việc ứng dụng kĩ thuật điều
khiển vào “quá trình phân loại sản phẩm” là một trong những thành tựu đáng kể
làm thay đổi một nền sản xuất cũ mang nhiều hạn chế. Làm thay đổi cục diện của
nền công nghiệp mạnh mẽ. Chính vì vậy nó trở thành một vấn đề hứng thú đầy tiềm
năng cho chúng em tìm hiểu xây dụng thiết kế cải tiến góp phần vào sự hoàn thiện

và phát triển sâu, rộng của nó hơn nữa trong đời sống sản xuất của con người.
1.2. Khái niệm hệ thống phân loại sản phẩm:
Hệ thống phân loại sản phẩm là hệ thống điều khiển tự động hoặc bán tự động
nhằm chia sản phẩm ra các nhóm có cùng thuộc tính với nhau để thực hiện đóng gói
hay loại bỏ sản phẩm hỏng.
- Có nhiều cách phân loại hệ thống phân loại sản phẩm.
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

2


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

- Ví dụ :
• Dựa trên phương thức điều khiển chia ra hệ thống tự động hay bán tự động, có
sự tham gia của con người hay không mức độ đến đâu, điều khiển bằng PLC, vi xử lí.
• Theo màu sắc: màu sắc sẽ được cảm biến màu nhận biết chuyển sang tín hiệu
điện rồi qua bộ chuyển đổi ADC về bộ xử lí.
• Theo trọng lượng, hình dáng kích thước bên ngoài.
Ngoài ra còn nhiều cách phân loại khác tùy vào yêu cầu và sự khác biệt của phôi
với nhau.
1.3 Ý nghĩa của hệ thống phân loại sản phẩm đối với con người
Hệ thống phân loại sản ra đời hình thành và phát triển trong giai đoạn kinh tế của
thế giới nói chung và của đất nước như hiện nay đã đánh dấu thêm những bước ngoặt
quan trọng cho sự tiến bộ của khoa học- công nghệ kĩ thuật thực tế đã ứng dụng một
cách tốt nhất cho những mục đích cao, khó của con người. Có một tầm quan trọng ảnh
hưởng lớn đến nền công nghiệp đặc biệt là đối với tình hình nước Việt Nam ta hiện
nay làm tăng nhiều mặt tốt phục vụ cho lại đáng kể cho cuộc sống cũng như sự phát

triển kinh tế của con người hứa hẹn một sự phát triển vững mạnh và ổn định lâu dài.
Đồng thời cũng là nền tảng cho sự phát triển các tập đoàn kinh tế trên thế giới. Một lần
nữa khẳng định nó có vai trò rất quan trọng cho hoạt động phát triển cung cấp phân
phối sản phẩm tới con người một cách tốt nhất, giúp đời sống con người được nâng
cao hơn. Vấn đề số lượng và chất lượng sản phẩm thay đổi đáng kể có thể nhận thấy rõ
sự phân hóa và đa dạng về mẫu mã chủng loại của sản phẩm và cũng thấy rõ chất
lượng ngày càng được nâng cao và đáp ứng nhu cầu sức khỏe con người một cách
hoàn hảo nhất. Từ đây sự thay thế của máy móc của các thiết bị hiện đại, đã giảm thiểu
lớn thời gian lao động sức tiếp cho quá trình sản xuất cũng như trong các qua trình
khác để tạo ra sản phẩm. Nhận thấy một thế mạnh nữa rằng những công việc khó khăn
phức tạp đã được thay thế bằng máy móc tự động rất nhiều, khi đó con người chỉ cần
điều khiển hệ thống, máy móc, thiết bị… tại một buồng điều khiển riêng biệt. Nhờ vậy
mà sức khỏe và đời sống vật chất tinh thần ngày càng nâng cao và cải thiện một cách
rõ rệt.
Không những vậy kể từ khi ra đời thì các vấn đề về sinh thái, sự ô nhiễm môi
trường sống đang ở mức báo động, hay những biến đổi khí hậu của thiên nhiên đã có
sự hình thành nhanh chóng gây ra những hậu quả vô cùng nguy hiểm. Lâu dài nó sẽ
làm cho sự tồn tại của con người không được bền lâu. Bởi vậy, hệ thống phân loại sản
phẩm nói riêng trong nhiều hệ thống tự động khác có ý nghĩa hơn vào thế kỉ này. Do
con người không thể tác động trực tiếp những tác hại và hậu quả gây ra và giải pháp
tối ưu cho các hệ thống tự động cho những công việc khó khăn phức tạp nhiều nguy
hiểm tiềm tàng.
1.4 Các hệ thống phân loại sản phẩm trên thực tế
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

3


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Hệ thống phân loại gạo theo màu sắc: Hệ thống phân loại gạo bằng màu sắc do
Viện IMI phát triển và vấn đề tự động nhận dạng, xử lý phân loại trong chế biến gạo
phục vụ xuất khẩu, khả năng ứng dụng công nghệ quang-cơ điện tử (opto-mechatronic
technology) trong ứng dụng cụ thể của “hệ máy nhìn” là đề tài được đánh giá cao tại
VICA 6.
Những năm gần đây, công nghệ quang học gắn kết với các hệ thống cơ điện tử
rất nhanh, tạo ra số lượng lớn sản phẩm cơ điện tử - các máy móc, hệ thống với những
bộ phận quang học “thông minh”. Như biểu diễn ở hình 1, sự hiện diện của công nghệ
quang học ngày càng rõ nét, cho phép nâng cao giá trị và hiệu năng của hệ thống, bởi
các phần tử quang học kết hợp với các phần tử cơ điện tử nhúng trong hệ thống đã
đem lại giải pháp cho nhiều vấn đề kỹ thuật hóc búa. Dưới đây phân tích một số kết
quả nghiên cứu ứng dụng kỹ thuật quang-cơ điện tử trong máy phân loại gạo theo màu
sắc của Viện IMI.

Hình 1. Các công nghệ then chốt đóng góp vào sự phát triển hệ thống

Hình 2. Sơ đồ nguyên lý - cấu trúc hệ thống phân loại gạo theo màu sắc

Các hệ thống phân loại hạt theo màu sắc nói chung, phân loại gạo theo màu sắc
nói riêng có sơ đồ nguyên lý, cấu trúc như hình 2. Vật liệu (gạo) được cấp bằng bộ cấp
liệu rung xuống máng dẫn, ổn định quỹ đạo trên máng rồi chuyển động qua vùng nhận
dạng của camera (CCD hoặc CMOS). Màu sắc của đối tượng dịch chuyển (hạt gạo)
được nhận biết tức thời (xử lý thời gian thực) và máy tính công nghiệp (IPC) ra quyết
định về khả năng chấp nhận hạt đã nhận dạng, phát tín hiệu cho súng phun khí nén bắn
hạt đó ra khỏi quỹ đạo dịch chuyển nếu không đạt yêu cầu về chất lượng (trong trường
hợp này thông qua màu sắc), và ngược lại thì không phát tín hiệu. Qua khỏi vùng nhận
dạng, gạo chính phẩm và phế phẩm sẽ được phân tách và chứa trong hai khoang chứa
tách biệt. Từ đây có thể vào kho hoặc qua máy đóng bao. Việc xử lý và ra quyết định

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

4


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

chỉ được phép diễn ra dưới 0,13 mili giây. Bài toán xử lý thời gian thực ở đây đóng vai
trò vô cùng quan trọng. Nó đòi hỏi hệ thống chiếu sáng phù hợp, kết cấu buồng nhận
dạng chuẩn xác, cho phép phân tách các ngưỡng màu tốt; hệ thống camera ghi nhận
hình ảnh gần như tức thời và tốc độ chuyển đổi tín hiệu, tốc độ tính toán rất cao. Độ
chính xác của kết cấu cơ khí cũng đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định dòng
liệu, giúp cho phần xử lý chỉ phải bù các sai số hệ thống. Bài toán ở đây là tổng hợp
của nhiều nhiệm vụ phải giải quyết về cơ khí chính xác, kỹ thuật quang điện, hệ thống
điện tử điều khiển, phần mềm xử lý, điện động lực, các cơ cấu tác động nhanh,... Các
hệ thống cơ khí được gia công trên máy CNC với độ chính xác đến 10-3mm. Nguồn
sáng sử dụng là đèn fluorescence tần số cao (100 kHz). Camera CCD quét dòng được
tính toán chọn phù hợp về tốc độ, độ phân giải, độ nhạy. Các van điện khí chuyên
dụng có đặc tính trễ dưới 0,7 mili giây. Phần điều khiển điện tử được Viện IMI thiết kế
chế tạo trong nước. Dưới đây đi sâu phân tích cơ sở ánh sáng và giới thiệu phần mềm
nhận dạng thời gian thực sử dụng trong máy phân loại gạo ROPSOTEC 3.01A của
Viện IMI - một số cơ sở chính đảm bảo điều kiện nhận dạng.
Cơ sở ánh sáng và vấn đề nhận dạng, phân loại hạt (nông sản) theo màu sắc

Hình 3. Yêu cầu phân loại theo màu sắc

Hình 3 là ảnh chụp hạt gạo đầu vào, đầu ra. Gạo đầu vào (đã qua các công đoạn
khác của dây chuyền xử lý như xay xát, sàng sảy, đánh bóng,…) được nhận dạng và

xử lý loại bỏ các hạt ngoại lai (hạt đỏ, vàng, bạc bụng, tạp chất). Muốn phân loại tốt,
phải nhận dạng chính xác, ra quyết định đúng và kịp thời để xử lý loại bỏ hạt ngoại lai
vốn được phân định theo màu sắc (hình 4). Hình 5 là quan hệ xác định bằng thực
nghiệm, qua đó cho phép phân định các hạt ngoại lai trên cơ sở lựa chọn nguồn sáng
phù hợp. Không chỉ cần nguồn sáng phù hợp, quan trọng và khó khăn hơn nhiều là
phải đảm bảo camera nhận được màu sắc chuẩn xác - đây chính là mấu chốt để đảm
bảo chất lượng nhận dạng.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

5


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Dưới đây phân tích cơ sở ánh sáng và đánh giá.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

6


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

CHƯƠNG 2
THÀNH PHẦN CƠ BẢN CỦA HỆ THỐNG

1. Hệ thống cấp phôi
Hiện nay, các quá trình sản xuất các sản phẩm trong các ngành công nghiệp nói
chung đều phát triển theo xu hướng tự động hóa ngày càng cao. Để đảm bảo được quá
trình sản xuất ổn định và nhanh chóng thì cần thiết phải có quá trình cung cấp phôi
chính xác về vị trí trong không gian theo đúng nhịp ( cấp đúng lúc ) và liên tục theo
chu trình hoạt động của dây chuyền một cách tin cậy.
Vì vậy, quá trình cấp phôi là một trong những yêu cầu cần thiết cần phải được
nghiên cứu và giải quyết trong các hệ thống sản xuất tự động nhằm nâng cao năng suất
lao động và chất lượng sản phẩm. Hệ thống cấp phôi tự động phải cung cấp phôi một
cách kịp thời, chính xác, số lượng.
Là một cơ cấu cấp phôi, sản phẩm vào cho băng tải, sản phẩm xuất ra được chia
đều,từng sản phẩm 1 và các sản phẩm đi ra cách nhau 1 khoảng thời gian nhất định sao
cho phù hợp với năng suất và vận tốc băng tải. Đóng vài trò quan trọng cho quá trình
bắt đầu của hệ thống.
Căn cứ vào hình dạng phôi người ta chia làm các loại:
- Loại cấp phôi dạng cuộn.
- Loại cấp phôi dạng thanh hoặc dạng tấm.
- Loại cấp phôi dạng rời từng chiếc.
Nhận xét: Mỗi kiểu cấp phôi trên mang tính đặc thù riêng và bản thân trong mỗi
kiểu cũng đã bao hàm nhiều dạng khác nhau. Tùy theo công nghệ sản xuất mà người ta
bố trí cấp phôi liên tục hay dán đoạn theo chu kì hoặc cấp phôi theo lệnh.
Trong đồ án này em dùng hệ thống cấp phôi gián đoạn theo chu kì.

Mô hình thiết

bị cấp phôi

2. Băng tải
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

7


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Đây là thành phần không thể thiếu của hệ thống phân loại sản phẩm. Nó có
nhiệm vụ vận chuyển phôi tới vị trí thao tác, bên dưới có trang bị hệ thống con lăn.
Nguồn động lực chính của băng tải chính là đông cơ điện: động cơ một chiều, động cơ
3 pha lồng sóc hay servo… tùy vào yêu cầu hệ thống. Để tạo ra momen đủ lớn cho
băng tải cần nối trục động cơ với hộp giảm tốc rồi mới ra tải. Hai đầu băng tải có puli
băng tải là vòng kín quấn quanh puli này. Băng tải làm từ vật liệu nhiều lớp, thường là
hai có thể là caosu. Lớp dưới là thành phần chịu kéo và tạo hình cho băng tải, lớp trên
là lớp phủ.
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.
Các loại băng tải trên thị trường hiện nay
Khi thiết kế hệ thống băng tải vận chuyển sản phẩm đến vị trí phân loại có thể
lựa chọn một số loại băng tải sau:

Bảng 1.1: Danh sách các loại băng tải

Các loại băng tải xích, băng tải con lăn có ưu điểm là độ ổn định cao khi vận
chuyển.Tuy nhiên chúng đòi hỏi kết cấu cơ khí phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, giá
thành khá đắt.

- Băng tải dạng cào: sử dụng để thu dọn phoi vụn. Năng suất của băng tải loại
này có thể đạt 1,5 tấn/h và tốc độ chuyển động là 0,2m/s. Chiều dài của băng tải là
không hạn chế trong phạm vi kéo là 10kN.
- Băng tải xoắn vít : có 2 kiểu cấu tạo :
+ Băng tải 1 buồng xoắn: Băng tải 1 buồng xoắn được dùng để thu dọn phoi vụn.
Năng suất băng tải loại này đạt 4 tấn/h với chiều dài 80cm.
+ Băng tải 2 buồng xoắn: có 2 buồng xoắn song song với nhau, 1 có chiều xoắn
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

8


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

phải, 1 có chiều xoắn trái. Chuyển động xoay vào nhau của các buồng xoắn được thực
hiện nhờ 1 tốc độ phân phối chuyển động.
Cả 2 loại băng tải buồng xoắn đều được đặt dưới máng bằng thép hoặc bằng xi măng.
Giới thiệu băng tải dùng trong đề tài. Do băng tải dùng trong hệ thống làm
nhiệm vụ vận chuyển sản phẩm nên trong đề tài tôi đã lựa chọn loại băng tải dây đai
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.
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 con lăn, độ ma sát của dây đai giảm qua
3. Thiết bị dẫn động
Là động cơ:

•
•
•
•

Động cơ điện một chiều.
Động cơ điện xoay chiều
Động cơ bước.
Động cơ servo.

Động cơ chọn trong hệ thống: Động cơ điện một chiều. Vì: kết cấu đơn giản, giá
thành tương đối hạ, dễ bảo quản.
3.1 Khái niệm máy điện một chiều
Động cơ điện nói chung và động cơ điện một chiều nói riêng là thiết điện từ
quay, làm việc theo nguyên lý điện từ, khi đặt vào trong từ trường một dây dẫn và cho
dòng điện chạy qua dây dẫn làm cuộn dây chuyển động. Động cơ điện biến đổi điện
năng thành cơ năng.
3.2 Nguyên lý làm việc
Stator của động cơ điện 1 chiều thường là 1 hay nhiều cặp nam châm vĩnh cửu,
hay nam châm điện, rotor có các cuộn dây quấn và được nối với nguồn điện một chiều,
1 phần quan trọng khác của động cơ điện 1 chiều là bộ phận chỉnh lưu, nó có nhiệm vụ
là đổi chiều dòng điện trong khi chuyển động quay của rotor là liên tục. Thông thường
bộ phận này gồm có một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

9


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Pha 1: Từ trường của
Pha 2: Rotor tiếp tục
Pha 3: Bộ phận chỉnh
rotor cùng cực với stator,
quay
điện sẽ đổi cực sao cho sẽ
đẩy nhau tạo ra
từ trường giữa stator và
chuyển động quay của
rotor cùng dấu, trở lại
rotor
pha 1
Nếu trục của một động cơ điện một chiều được kéo bằng 1 lực ngoài, động cơ sẽ
hoạt động như một máy phát điện một chiều, và tạo ra một sức điện động cảm ứng
Electromotive force (EMF). Khi vận hành bình thường, rotor khi quay sẽ phát ra một
điện áp gọi là sức phản điện động counter-EMF (CEMF) hoặc sức điện độngđối
kháng, vì nó đối kháng lại điện áp bên ngoài đặt vào động cơ. Sức điện động này
tương tự như sức điện động phát ra khi động cơ được sử dụng như một máy phát điện
(như lúc ta nối một điện trở tải vào đầu ra của động cơ, và kéo trục động cơ bằng một
ngẫu lực bên ngoài). Như vậy điện áp đặt trên động cơ bao gồm 2 thành phần: sức
phản điện động, và điện áp giáng tạo ra do điện trở nội của các cuộn dây phần ứng.
Dòng điện chạy qua động cơ được tính theo biều thức sau:
Công suất cơ mà động cơ đưa ra được, được tính bằng:

Phương trình cơ bản của động cơ 1 chiều:
E= K.Ω
(1)

V= E+Rư.Iư
M= K Φ Iư

(2)
(3)

Với:
- Φ: Từ thông trên mỗi cực (Wb)
- Iư: dòng điện phản ứng (A)
- V: Điện áp phản ứng (V)
- Rư: Điện trở phản ứng (Ohm)
- Ω: tốc độ động cơ (rad/s)
- M: moment động cơ (Nm)
- K: hằng số, phụ thuộc cấu trúc động cơ

4. Cảm biến
Đây chính là hệ thống thu nhận thông tin từ phôi cho bộ điều khiển. Các loại cảm
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

10


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

biến thường được sử dụng là cảm biến màu, cảm biến quang, cảm biến tiệm cận. Cảm
biến thực hiện chức năng biến đổi các đại lượng không điện (các đại lượng vật lí, hóa
học…) thành các đại lượng điện. Ví dụ áp suất nhiệt đô lưu lượng vận tốc…thành tín
hiệu điện (mV, mA…)

Theo nguyên lí của cảm biến có:
- Cảm biến điện trở
- Cảm biến điện từ
- Cảm biến tĩnh điện
- Cảm biến hóa điện
- Cảm biến nhiệt điện
- Cảm biến điện tử và ion
-…
Theo tính chất nguồn điện:
- Cảm biến phát điện
- Cảm biến thông số
Theo phương pháp đo:
- Cảm biến biến đổi trực tiếp
- Cảm biến bù
Trên thị trường có rất nhiều loại cảm biến khác nhau nhưng trong đồ án này em
dùng cảm biến quang để phân loại sản phẩm. Sản phẩm chạy trên băng truyền, kích
hoạt cảm biến quang thứ nhất được phân loại là vật cao, kích hoạt cảm biến quang thứ
hai là vật được phân loại là vật trung bình, còn sản phẩm không kích hoạt cảm biến
nào thì là vật thấp. Cảm biến quang sử dụng ánh sáng hồng ngoại không nhìn thấy
bằng mắt thường. Nó gồm một nguồn phát quang và một bộ thu quang. Nguồn quang
sử dụng LED hoặc LASER phát ra ánh sáng thấy hoặc không thấy tùy theo bước sóng.
Ở đồ án này ta sử dụng nguồn LASER. Một bộ thu quang sử dụng diode hoặc transitor
quang. Ta đặt bộ thu và phát sao cho vật cần nhận biết có thể che chắn hoặc phản xạ
ánh sáng khi vật xuất hiện. Ánh sáng do LASER phát ra tác động đến transitor thu
quang. Nếu có vật che chắn thì chùm tia sẽ không tác động đến bộ thu được. Sóng dao
động dùng để bộ thu loại bỏ ảnh hưởng của ánh sáng trong phòng. Lựa chọn điện áp
cấp cho cảm biến phải phù hợp với điện áp của mạch điều khiển. Do cảm biến kết nối
với mạch điều khiển nên điện áp của cảm biến là 24 VDC.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

11


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Hình 2: Cảm biến quang
5. Cơ cấu chấp hành
Có thể sử dụng cơ cấu sinh lực bằng khí nén, bằng dầu ép, bằng lực ly tâm,..
Trong đồ án này ta chọn cơ cấu sinh lực bằng khí nén để tạo ra lực đẩy phôi.
Ta chọn cơ cấu xilanh khí nén vì nó có ưu điểm:
- Giá thành rẻ
- Lực kẹp đủ lớn, đều có thể kiểm tra, điều chỉnh dễ dàng trong quá trình làm
việc
- Sử dụng đơn giản với sinh viên
- Dễ tìm mua trên thị trường

Hình 3: Xilanh khí nén
6. Van điều khiển
Van điều khiển có nhiệm vụ điều khiển dòng năng lượng bằng cách đóng, mở
hay chuyển đổi vị trí để thay đổi hướng đi của dòng năng lượng.
Van điều khiển ta chọn van 5/2 tác động nam châm điện và lò xo. Chọn van 5/2
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

12


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

có ký hiệu như hình vẽ.Các thông số của van là:

Hình 4: Ký hiệu van khí nén 5/2
Áp suất làm việc: 0,15 – 0,7 MPa
Ta cấp khí vào cửa P(1) rồi lấy khí ra cửa A(4) và B(2) để đưa vào 2 đầu của
xilanh.
Ở đầu ra 3 và 5 của van ta sử dụng van tiết lưu một chiều để điều chỉnh lưu lượng
ra của xylanh, tức là điều chỉnh lực đẩy phôi ra khỏi băng tải.
7. PLC S7-200
PLC, viết tắt của programable logic controler là thiết bị điều khiển logic lập trình
được, hay thiết bị logic khả trình cho phép thực hiện linh hoạt các thuật toán điều
khiển logic thông qua một ngôn ngữ lập trình. Như vậy với chương trình điều
khiển trong PLC trở thành bộ điều khiển số nhỏ gọn có thể dễ dàng thay đổi thuật
toán điều khiển và trao đổi thông tin với môi trường bên ngoài ( PLC khác hoặc
máy tính ).
S7-200 là thiết bị điều khiển logic khả trình của hãng Siemens ( CHLB Đức ), có
cấu trúc kiểu module và có các module mở rộng. Các module này được sử dụng với
những mục đích khác nhau.
Toàn bộ nội dung chương trình được lưu trong bộ nhớ của PLC, trong trường
hợp dung lượng bộ nhớ không đủ ta có thể sử dụng bộ nhớ ngoài để lưu chương trình
và dữ liệu (Catridge ).
Cấu trúc phần cứng của S7-200
- Hình dạng và cấu trúc bên ngoài
• Các đầu vào/ra số:
Đầu vào (Ix.x ): kết nối với nút bấm, công tắc, sensor…với điện áp vào tiêu
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

13


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

chuẩn 24VDC.
Đầu ra (Qx.x): kết nối với thiết bị điều khiển với các điện áp 24VDC/220VAC
( tùy theo loại CPU ).
Đầu vào nguồn: 24VDC/220VAC ( tùy theo loại CPU ).
• Đèn trạng thái:
Đèn RUN (màu xanh): Chỉ báo PLC đang ở chế độ làm việc và thực hiện chương
trình đã được nạp vào bộ nhớ chương trình.
Đèn STOP (màu vàng): Chỉ báo PLC đang ở chế độ dừng và không thực hiện
chương trình, các đầu ra đều ở trạng thái “OFF”.
Đèn SF/DIAG: Chỉ báo hệ thống bị hỏng tức do lỗi phần cứng hoặc hệ
điều hành.
Đèn Ix.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu vào số(ON/OFF).
Đèn Qx.x(màu xanh): Chỉ báo trạng thái của đầu ra số(ON/OFF).
• Port truyền thông:
Port truyền thông nối tiếp RS485: Giao tiếp với PC, PG, TD200, OP, mạng biến
tần…
Port cho module mở rộng: Kết nối với module mở rộng.
• Công tắc chuyển chế độ:
RUN: Cho phép PLC thực hiện chương trình, khi chương trình lỗi hoặc gặp lệnh
STOP thì PLC tự động chuyển sang chế độ STOP mặc dù công tắc vẫn ở vị trí RUN
( quan sát đèn trạng thái ).
STOP: Dừng cưỡng bức chương trình đang chạy, các đầu ra chuyển về OFF.
TERM: Cho phép người dùng chọn một trong hai chế độ RUN/STOP từ xa,

ngoài ra còn được dùng để download chương trình người dùng.
• Vít chỉnh tương tự:
Mỗi PLC đều có từ một đến hai vít chỉnh tương tự có thể xoay được 270 độ để
thay đổi giá trị của vùng nhớ biến trong chương trình.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

14


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

- Cấu trúc phần cứng:
Cấu trúc phần cứng của một PLC gồm có các module sau:
+ Module nguồn.
+ Module đầu vào.
+ Module đầu ra.
+ Module đơn vị xử lý trung tâm (CPU).
+ Module bộ nhớ.
+ Module quản lý phối ghép vào ra.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

15


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Hình 5: Mô hình tổng quát của một PLC
• Đơn vị xử lý trung tâm (CPU Central Processing Unit):
CPU dùng để xử lý, thực hiện những chức năng điều khiển phức tạp quan trọng
của PLC. Mỗi PLC thường có từ một đến hai đơn vị xử lý trung tâm. CPU thường
được chia làm hai loại: đơn vị xử lý “một bit” và đơn vị xử lý “từ ngữ”:
+ Đơn vị xử lý “một bit”: Chỉ áp dụng cho những ứng dụng nhỏ, đơn giản, chỉ
đơn thuần xử lý ON/OFF nên kết cấu đơn giản, thời gian xử lý dài.
+ Đơn vị xử lý “từ ngữ”: Có khả năng xử lý nhanh các thông tin số, văn bản,
phép toán, đo lường, đánh giá, kiểm tra nên cấu trúc phần cứng phức tạp hơn nhiều tuy
nhiên thời gian xử lý được cải thiện nhanh hơn.
• Bộ nhớ:
Bao gồm các loại bộ nhớ RAM, ROM, EEFROM, là nơi lưu trữ các thông tin cần
xử lý trong chương trình của PLC.
Bộ nhớ được thiết kế thành dạng module để cho phép dễ dàng thích nghi với các
chức năng điều khiển với các kích cỡ khác nhau. Muốn mở rộng bộ nhớ chỉ cần cắm
thẻ nhớ vào rãnh cắm chờ sẵn trên module CPU.
Bộ nhớ có một tụ dùng để duy trì dữ liệu chương trình khi mất điện.
• Khối vào/ra:
Khối vào ra dùng để giao tiếp giữa mạch vi điện tử của PLC (điện áp 5/15VDC)
với mạch công suất bên ngoài (điện áp 24VDC/220VAC).
Khối ngõ vào thực hiện việc chuyển mức điện áp từ cao xuống mức tín hiệu tiêu
chuẩn để đưa vào bộ xử lý.
Khối ngõ ra thực hiện việc chuyển mức tín hiệu từ tiêu chuẩn sang tín hiệu ngõ
ra và cách ly quang.
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

16

Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

• Bộ nguồn:
Biến đổi từ nguồn cấp bên ngoài vào để cung cấp cho sự hoạt động của PLC.
• Khối quản lý ghép nối:
Dùng để phối ghép giữa PLC với các thiết bị bên ngoài như máy tính, thiết bị lập
trình, bảng vận hành, mạng truyền thông công nghiệp.

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

17


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

CHƯƠNG 3
TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ
1. Tính toán băng tải và chọn động cơ
Thông số đầu vào.
- Hệ thống cấp phôi tự động
- Nguồn lực cấp phôi và đẩy phôi: khí nén
- Nguồn lực quay băng tải: động cơ điện
- Chiều dài băng tải: L= 52 cm
-Thông số hình học phôi:
h1 = 10 cm, h2 = 5 cm, h3 = 3 cm.

d1 = 6 cm, d2 = 6 cm, d3 = 6 cm.
- Trọng lượng phôi: P min = 0,3 Kg; Pmax= 5,5 Kg
- Năng suất làm việc: N = 18 sp/phút

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

18


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Nếu gọi :
 n là số sản phẩm nằm trên băng tải tại một thời điểm
 v là vận tốc băng tải
 t là thời gian 1 sản phẩm chạy trên băng tải
 x là khoảng cách giữa các phôi
Thì x phụ thuộc vào n theo phương trình sau:
L = n×d + (n-1)×x
+Theo đề bài ta có chiều dài băng tải là 520 mm.
ta có:
60n + x(n-1) = 520
(x là hệ số)
+Lại có ; L = v x t
n=Nxt
n<

=

52
= 8,67 ; n > 1
6

Ta có bảng sau :
Bảng 1
n (sp)

2

3

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

4

5

6

7

8

19


Thiết kế hệ thống điện tử

x (cm)

40
t (s)
6,67
v (cm/s) 7,8

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

17
10
5,2

9,33
13,33
3,9

5,5
16,67
3,32

3,2
20
2,6

1,67
23,33
2,23

0,57
26,67
1,95

Ta lại có:
 t1 là khoảng thời gian sản phẩm đi hết quãng đường bằng khoảng cách
giữa các sản phẩm
 t2 là khoảng thời gian hành trình của xi lanh(cả đi cả về)
 v1 là tốc độ của xi lanh

Y 2(W + M )
x + d 22
x + 6 22
>
⇔
>
⇔
>
= t2
v
v1
v
v1
v
v1

V1 là vận tốc xi lanh ta chọn theo hãng FESTO
Ta dựa vào catalog của hãng ta có đồ thị sau:

v1 = 0,3m/s = 30 cm/s
t2 = 22/30 = 0,73 s
Áp suất làm việc của xilanh: 0,15-0,7 MPa.
Ta chọn được xilanh loại : DSNU-20-50 của hãng Festo.

Theo đó ta chọn được:
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

20


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG



Số sản phẩm tối đa trên băng tải tại thời điểm tức thời n = 3



Khoảng cách giữa các sản phẩm x = 17 cm



Thời gian một sản phẩm đi hết băng tải t= 10 s

 Vận tốc băng tải v = 5,2 cm/s
Tính động cơ kéo băng tải
a.Tính momen động cơ.
Ta có:
- Tổng khối lượng phôi trên băng tải max là mmax:
mmax = n.Pmax = 3.5,5 = 16,5 kg
mmin = n.Pmin = 3.0,3 = 0,9 kg
Ta gọi:

- M là momen động cơ diện
- Mbd là momen bánh đai
- µ là hệ số hiệu suất : µ=2
M=µ×Mbd
Bỏ qua trọng lượng của băng tải
Ta gọi:
-

F : lực kéo của dây đai làm băng tải chạy đều
Fms: lực ma sát cuả sản phẩm lên băng tải
µms: hệ số ma sát ta khảo sát = 0.5
g: gia tốc trọng trường= 9,8 m/s2
r bán kính bánh đai chọn : r = 5cm

F = Fms= µms. mmax. g = 0,5×16,5×9,8 = 80,85 N
Mbd=r.Fms=0,05×80,85= 4,0425 N.m
Mô men của động cơ
=> M=µ×Mbd=2×4,0425= 8,085 N.m
b. Tính công suất động cơ.
Công suất làm việc:
Plv = F.v/1000 = 8,085 x 0,052 x 10-3=4,2042 .10 -3 kW
Công suất làm việc của động cơ đề phòng trường hợp quá tải:
Plvqt = Plv.kqt= 4, 2042 . 10 -3 x 2 = 8,4084. 10 -3 kW
Bộ truyền đai để hở: η=0,95-0,96. Chọn η=0,95
Hiệu suất hệ dẫn động
η= ηbr. ηol . ηđ= 0,96.0,99.0,95=0,90
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

21

Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Trong đó:
- ηđai hiệu suất của bánh đai =0,95
- ηổ lăn hiệu suất một cặp ổ lăn= 0,99
- ηbr hiệu suất một cặp bánh răng = 0,96
Công suất cần thiết trên trục động cơ:
Pđc= Plvqt/ η= 8,4084 . 10 -3 /0,90 = 9,34. 10 -3 kW
c. Tính số vòng quay của động cơ.
Số vòng quay trên trục công tác:
nct=vn/(π.Dw)=0,052.60/(π.0.05)=20 v/ph
Trong đó:
 V là vận tốc băng tải
 D là đường kính tang
Tỉ số truyền sơ bộ:
usb = uđ.uhs = 3.5 = 15
Số vòng quay sơ bộ:
nsb = nct.usb = 20.15 = 300 vòng/phút

SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

22


Thiết kế hệ thống điện tử

GVHD: TS. NGUYỄN CHÍ HƯNG

Tra mạng ta chọn được động cơ SC24-3204 và hộp giảm tốc IG22 của hãng
CITIZEN MICRO
2. Tính toán bộ truyền đai
- Chọn đai dẹt : được làm từ vật liệu vải cao su
- Công suất của động cơ là P=10 W
- n= 330 vòng/phút
- Tỉ số truyền u=3
2.1.Công suất thiết kế:
Pđ=Pt.Kđ
Chọn cơ cấu chấp hành chế độ làm việc ổn định, nguồn truyền động ổn
định => Kđ=1.
=>Pđ=Pt= 10 W
2.2. Đường kính bánh đai
- Đường kính bánh đai d1
d1= (5,2..6,4).

T1=9,55.

.

= (5,2..6,4).

=(5,2..6,4).6,61=(34,4...42,3)mm.

= 10.10-3.9,55.106/330= 289,39 Nm

 Chọn d1 theo tiêu chuẩn d1= 40 mm
-Đường kính bánh đai d2:
d2=u.d1=3.40 =120mm

 Chọn d2 theo tiêu chuẩn d2 = 125 mm
2.3 Chiều dài dây đai l và khoảng cách tâm a
SVTH: Hoàng Trọng Tú CN-CĐT 01 K58

23