Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.85 MB, 70 trang )
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Tên đề tài:
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
SV thực hiện:
Nguyễn Đức Anh Khoa
MSSV: 101140146
Lớp: 14CDT1
Nguyễn Đăng Bình
MSSV: 101140131
Lớp: 14CDT1
GV hƣớng dẫn:
TS Đặng Phƣớc Vinh
GV duyệt:
TS Lê Hoài Nam
Nội dung đã làm đƣợc bao gồm các vấn đề sau:
1. Nhu cầu thực tế của đề tài:
Việt Nam chúng ta là một nƣớc nông nghiệp với rất nhiều sản phẩm nông
nghiệp đƣợc xuất khẩu ra thế giới với sản lƣợng hàng đầu thế giới nhƣ cà phê,
gạo,…và trong các nhà máy sản xuất các mặt hàng nông sản hiện nay thì khâu định
lƣợng vô cùng quan trọng. Khâu định lƣợng giúp xác định chính xác khối lƣợng
nguyên vật liệu, thành phẩm và bán thành phẩm trong sản xuất. Các thiết bị định lƣợng
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 sản lƣợng nông sản hàng năm lớn nhƣ vậy, và nhu cầu một
hệ thống có thể đo đƣợc khối lƣợng nông sản và đóng gói sản phẩm là rất lớn, bọn em
quyết định chọn đề tài thiết kế “Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự
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.
2. Phạm vi nghiên cứu của đề tài tốt nghiệp:
Nghiên cứu, thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động.
Nghiên cứu và ứng dụng lập trình vi điều khiển ứng dụng vào nông nghiệp.
Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm thiết kế cơ khí và điện ứng dụng vào
việc thiết kế và chế tạo mô hình thực tiễn.
Xây dựng hệ thống có thể cho phép lựa chọn các thông số theo yêu cầu thực
tiễn với độ chính xác cho phép.
Ứng dụng các kiến thức đã đƣợc học và tìm hiểu bên ngoài vào việc thiết kế và
chế tạo hệ thống.
Thiết kế và chế tạo các mạch điều khiển, mạch cách ly ứng dụng vào hệ thống.
3. Nội dung đề tài đã đƣợc thực hiện:
Số trang thuyết minh: 70 trang
Số bản vẽ: 5 bản vẽ A0
Mô hình: 1
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
i
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
4. Kết quả đạt đƣợc:
Phần lý thuyết
Nghiên cứu, ứng dụng lập trình để xử lý tín hiệu từ loadcell sau khi
khuếch đại.
Thiết kế hệ thống bằng phần mềm Solidwork, thiết kế hệ thống điều
khiển mạch điện bằng phần mềm Orcad, nghiên cứu và lập trình xử lí hệ
thống bằng phần mềm Arduino.
Lý thuyết về các loại cảm biến loadcell và tiểm hiểu về các mạch khuếch
đại tín hiệu điều khiển loadcell.
Nghiên cứu, tìm hiểu và điều khiển các cơ cấu xilanh khí nén.
Phần tính toán, thiết kế
Thiết kế và chế tạo phần cơ khí.
Thiết kế và chế tạo các mạch điền khiển
Đã chế tạo thành công mô hình hoạt động tƣơng đối ổn định.
Tính toán và thiết kế hệ thống cảm biến.
Thiết kế hệ thống hiển thị LCD.
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Sinh viên thực hiện
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
ii
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƢỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ
CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
TT
Họ tên sinh viên
Số thẻ SV
Lớp
Ngành
1
Nguyễn Đức Anh Khoa
101140146
14CDT1
CƠ ĐIỆN TỬ
2
Nguyễn Đăng Bình
101140131
14CDT1
CƠ ĐIỆN TỬ
1. Tên đề tài:
2.
3.
4.
a.
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Đề tài thuộc diện: ☐ Có ký kết thỏa thuận sở hữu trí tuệ đối với kết quả thực hiện
Các số liệu và dữ liệu ban đầu: Tham khảo thực tế
Nội dung các phần thuyết minh và tính toán:
Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
1
Nguyễn Đức Anh Khoa
2
Nguyễn Đăng Bình
b. Phần riêng
TT
Họ tên sinh viên
1
Nguyễn Đức Anh Khoa
2
Nguyễn Đăng Bình
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
Nội dung
- Tính toán, thiết kế và chế tạo hệ thống.
- Nghiên cứu tìm hiểu về cảm biến khối lƣợng và
điều khiển các cơ cấu của hệ thống.
-Lựa chọn và sử dụng các cơ cấu, các thiết bị cần
thiết cho hệ thống.
Nội dung
-Nghiên cứu và thiết kế và chế tạo hệ thống cân
và cơ cấu kẹp bao.
- Thiết kế hệ thống mạch điện điều khiển và cách
ly cho hệ thống.
- Lập trình, xử lý tín hiệu cảm biến và điều khiển
hệ thống.
- Nghiên cứu thiết kế và chế tạo hệ thống băng tải
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
iii
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
5. Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ):
a. Phần chung:
TT
Họ tên sinh viên
1
Nguyễn Đức Anh Khoa
2
Nguyễn Đăng Bình
Nội dung
Bản vẽ tổng thể hệ thống
Lƣu đồ thuật toán hệ thống điều khiển
1 A0
1 A0
b. Phần riêng:
TT
Họ tên sinh viên
Nội dung
1
Nguyễn Đức Anh Khoa
Bản vẽ sơ đồ mạch mạch điện
Bản vẽ các cụm chi tiết
1 A0
1 A0
2
Nguyễn Đăng Bình
Bản vẽ sơ đồ động
1 A0
6. Họ và tên người hướng dẫn: TS. Đặng Phước Vinh
7. Ngày giao nhiệm vụ đồ án: 1/2/2019
8. Ngày hoàn thành đồ án: 1/6/2019
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Trƣởng Bộ môn Cơ điện tử
Ngƣời hƣớng dẫn
TS. Đặng Phước Vinh
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
iv
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
LỜI NÓI ĐẦU
Ngày 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 cuộc
cách mạng công nghiệp 4.0 yêu cầu chúng ta phải cập nhật nhiều thay đổi về kỹ thuật
công nghệ cũng nhƣ về chất lƣợng. Để đạt đƣợc điều đó đòi hỏi ngƣời cán bộ kỹ thuật
ngoài trình độ chuyên môn của mình còn phải có một tƣ duy sáng tạo, đi sâu nghiên
cứu để tận dụng hết khả năng, nguồn lực của mình.
Qua thời gian học tại khoa Cơ khí – Trƣờng Đại học Bách khoa– Đại học Đà
Nẵng, dƣới sự tận tình hƣớng dẫn, giúp đỡ của các thầy, cô giáo cũng nhƣ sự nỗ lực
của bản thân, chúng em đã tích luỹ một số kiến thức nhƣ là hành trang để trở thành
những kỹ sƣ tƣơng lai. Vận dụng những kiến thức đã đƣợc học và tìm hiểu bên ngoài
chúng em đã áp dụng vào đồ án tốt nghiệp của mình.
Công việc thực hiện đồ án tốt nghiệp gặp rất nhiều khó khăn, nhiều vấn đề nan
giải. Tuy nhiên đƣợc sự giúp đỡ và hƣớng dẫn tận tình của thầy Đặng Phƣớc Vinh
cũng nhƣ các thầy cô giáo khác đã giúp chúng em hoàn thành đồ án này. Nhƣng với
việc lần đầu làm đồ án cũng nhƣ kiến thức còn hạn hẹp và chƣa có kinh nghiệm trong
tính toán, thi công thực tế nên khó có thể tránh đƣợc những sai sót. Chúng em kính
mong tiếp tục đƣợc sự chỉ bảo của các thầy, cô để em hoàn thiện kiến thức hơn nữa.
Cuối cùng, em xin chân thành cảm ơn các thầy, cô giáo trong khoa Cơ khí –
Trƣờng Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng, đặc biệt là thầy Đặng Phƣớc Vinh
cũng nhƣ các bạn cùng gia đình đã giúp đỡ và động viên chúng em trong suốt quá
trình thực hiện đồ án này.
Đà Nẵng, ngày 1 tháng 6 năm 2019
Sinh viên
Nguyễn Đức Anh Khoa
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
v
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
CAM ĐOAN
Kính gửi khoa Cơ khí - Trƣờng đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng
Chúng em xin cam đoan đồ án tuân thủ tốt các quy định về liêm chính học thuật:
Không sử dụng các hình thức gian dối trong việc trình bày, thể hiện các hoạt
động học thuật hoặc kết quả từ quá trình học thuật của mình;
Không bịa đặt, đƣa ra các thông tin sai lệch so với nguồn trích dẫn;
Không ngụy tạo số liệu trong quá trình khảo sát, thí nghiệm, thực hành, thực tập
hoặc hoạt động học thuật khác;
Không đạo văn, sử dụng từ ngữ, cách diễn đạt của ngƣời khác nhƣ thể là của
mình, trình bày, sao chép, dịch đoạn, hoặc nêu ý tƣởng của ngƣời khác mà
không có trích dẫn;
Không tự đạo văn, sử dụng lại thông tin nghiên cứu của mình mà không có trích
dẫn hoặc phân mảnh thông tin về kết quả nghiên cứu của mình để công bố trên
nhiều ấn phẩm.
Sinh viên thực hiện
Nguyễn Đức Anh Khoa
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
vi
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
MỤC LỤC
TÓM TẮT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ............................................................................... i
NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ........................................................................... iii
LỜI NÓI ĐẦU...............................................................................................................v
CAM ĐOAN ............................................................................................................... vi
MỤC LỤC .................................................................................................................. vii
DANH MỤC BẢNG BIỂU......................................................................................... ix
DANH MỤC HÌNH VẼ ................................................................................................x
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................1
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG .............................................................2
1.1 Đặt vấn đề: ............................................................................................................2
1.2 Giới thiệu tổng quan về đề tài ...............................................................................3
1.2.1 Khái quát về hệ thống cân định lƣợng: ....................................................3
1.2.2 Một số hệ thống cân định lƣợng ngoài thực tế: .........................................6
1.2.3 Giới thiệu về hệ thống cân đóng bao trong đề tài: ...................................8
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ ...........................................11
2.1 Thiết kế hệ thống cân : ........................................................................................11
2.2 Thiết kế hệ thống băng tải: ..................................................................................12
2.3 Thiết kế các cơ cấu của hệ thống: .......................................................................16
2.3.1 Thiết kế cơ cấu phễu cân : .......................................................................16
2.3.2 Thiết kế cơ cấu kẹp bao : .........................................................................18
2.4 Lựa chọn một số thiết bị cơ cấu chấp hành trong hệ thống: ...............................19
2.4.1 Xi lanh khí nén: .......................................................................................19
2.4.2 Van điện từ : ............................................................................................20
2.4.3 Động cơ : .................................................................................................21
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
vii
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
2.5 Một số hình ảnh hệ thống thực tế: .......................................................................22
CHƢƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN .......................24
3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển ................................................................................24
3.2 Giới thiệu sơ lƣợc các linh kiện trong mạch điều khiển .....................................25
3.2.1 Adruino Uno: ...........................................................................................25
3.2.2 Loadcell: ..................................................................................................28
3.2.3 Module HX711: .......................................................................................31
3.2.4 Màn hình LCD: .......................................................................................32
3.2.5 Module chuyển đổi I2C cho LCD: ..........................................................34
3.2.6 Opto: .......................................................................................................35
3.2.7 Rơle : ......................................................................................................36
3.2.8 Mạch hạ áp LM2596: ..............................................................................37
3.2.10 Các thiết bị và linh kiện điện tử khác ....................................................37
3.3 Giới thiệu hệ thống mạch điều khiển: .................................................................38
3.4 Khối cách ly và điều khiển: .................................................................................39
3.5 Khối hiển thị LCD:..............................................................................................40
3.6 Khối đọc dữ liệu từ loadcell: ...............................................................................40
CHƢƠNG 4: THIẾT KẾ CHƢƠNG TRÌNH ĐIỀU KHIỂN .....................................42
4.1 Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình điều khiển .........................................................42
4.2 Ngắt attachInterrupt(): .........................................................................................43
4.3 Chƣơng trình .......................................................................................................44
KẾT LUẬN .................................................................................................................45
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...............................................................................................
PHỤ LỤC 1 .....................................................................................................................
PHỤ LỤC 2 .....................................................................................................................
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
viii
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1 Thông số đai băng tải .........................................................................16
Bảng 2.2 Thông số động cơ gạt nƣớc .................................................................22
Bảng 3.1 Một vài thông số của Arduino UNO R3 .............................................26
Bảng 3.2 Bảng chức năng các chân của LCD ...................................................32
Bảng 4.1 Các chân ngắt trong các dòng vi điều khiển .......................................43
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
ix
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Hình ảnh sản xuất lúa gạo ở nƣớc ta .....................................................2
Hình 1.2 Hình ảnh hệ thống cân định lƣợng trong các nhà máy sản xuất ...........3
Hình 1.3 Hệ thống cân đóng bao thực tế ..............................................................4
Hình 1.4 Hệ thống điều ngoài thực tế ..................................................................5
Hình 1.5 Mô hình cân định lƣợng 1 phễu cân công ty Tân Phát..........................6
Hình 1.6 Mô hình cân định lƣợng 2 phễu cân công ty Hữu Quyền. ....................7
Hình 1.7 Mô hình cân định lƣợng 3 phễu cân công ty Tân Phát..........................7
Hình 1.8 Hệ thống cân băng tải định lƣợng .........................................................8
Hình 1.9 Các khối cơ bản của hệ thống................................................................9
Hình 1.10 tƣởng thiết kế hệ thống ..................................................................10
Hình 2.1 Hệ thống cân và đóng bao tự động ......................................................11
Hình 2.2 Mô hình băng tải .................................................................................12
Hình 2.3 Sơ đồ tính toán để xác định công suất băng tải ...................................12
Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu phễu cân ......................................................................17
Hình 2.5 Cơ cấu kẹp bao ....................................................................................18
Hình 2.6 Xi lanh khí nén ....................................................................................20
Hình 2.7 Cấu tạo của xi lanh ..............................................................................20
Hình 2.8 Hình ảnh van diện từ 5/2 .....................................................................21
Hình 2.9 Sơ đồ cửa của van................................................................................21
Hình 2.10 Động cơ gạt nƣớc ..............................................................................21
Hình 2.11 Cơ cấu xi lanh đóng mở phễu ............................................................22
Hình 2.12 Cơ cấu đóng mở chữ L kết hợp xi lanh .............................................22
Hình 2.13 Hệ thống cân kết hợp với 2 loadcell ..................................................23
Hình 2.14 Cơ cấu đóng mở phễu dƣới ...............................................................23
Hình 2.15 Cơ cấu kẹp bao ..................................................................................23
Hình 3.1 Sơ đồ khối mạch điều khiển ................................................................24
Hình 3.2 Arduino Uno ........................................................................................25
Hình 3.3 Cấu tạo của loadcell ............................................................................29
Hình 3.4 Cầu điện trở Wheatstone .....................................................................29
Hình 3.5 Loadcell chữ Z .....................................................................................30
Hình 3.6 Loadcell thanh .....................................................................................30
Hình 3.7 Module Hx 711 ....................................................................................31
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
x
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Hình 3.8 Sơ đồ nguyên lý module Hx711 ..........................................................31
Hình 3.9 Một số loại LCD thông dụng ...............................................................32
Hình 3.10 Module chuyển đổi I2C cho LCD .....................................................34
Hình 3.11 Cách bố trí LED phát và LED thu bên trong của opto-coupler ........35
Hình 3.12 Sơ đồ nguyên lý của Opto. ................................................................35
Hình 3.13 Hình ảnh minh họa một rơle điện .....................................................36
Hình 3.14 Cấu tạo chân Rơ le ............................................................................36
Hình 3.15 Mạch hạ áp LM2596 .........................................................................37
Hình 3.16 Một số thiết bị và linh kiện khác .......................................................37
Hình 3.17 Sơ đồ nguyên lý mạch điều khiển .....................................................38
Hình 3.18 Sơ đồ nguyên lý mạch cách ly và điều khiển ....................................39
Hình 3.19 Thiết kế mạch in PCB trên OrCad ....................................................39
Hình 3.20 Mạch cách ly và điều khiển ...............................................................39
Hình 3.21 Sơ đồ nguyên lý khối hiển thị LCD ..................................................40
Hình 3.22 Sơ đồ nguyên lý khối đọc dữ liệu loadcell ........................................40
Hình 4.1 Lƣu đồ thuật toán chƣơng trình điều khiển .........................................42
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
xi
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
MỞ ĐẦU
Hiện nay khoa học kĩ thuật đang đƣợc phát triển mạnh mẽ, đƣợc ứng dụng vào
nhiều ngành nghề, lĩnh vực. Việt Nam là một đất nƣớc có nền nông nghiệp phát triển
do đó việc áp dụng các loại máy móc, thiết bị tự động hiện đại đang dần đƣợc đƣa vào
thay thế cho việc lao động thuần chân tay trong nông nghiệp đã giúp năng xuất và
chấy lƣợng sản phẩm nâng lên đáng kể. Sau khi đi tham quan một số nhà máy ở địa
phƣơng nhóm tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự
động”. Với ý tƣởng giúp các hệ thống dây chuyền sản xuất tự động có năng suất và
chất lƣợng 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.
Mục tiêu của đồ án là thiết kế và chế tạo một mô hình cân và đóng bao tự động
song song với việc lựa chọn khối lƣợng theo yêu cầu với độ sai số nằm trong khoảng
cho phép. Thuyết minh đƣợc cấu trúc nhƣ sau:
Chƣơng 1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống.
Chƣơng 2 Trình bày phần tính toán và thiết kế cơ khí.
Chƣơng 3 Tính toán và thiết kế hệ thống điểu khiển.
Chƣơng 4 Lập trình thiết kế chƣơng trình điều khiển.
Chƣơng 5 Kết luận.
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
1
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
CHƢƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG
1.1 Đặt vấn đề:
Việt Nam là một đất nƣớc nông nghiệp với hơn 70% dân số làm nông nghiệp,
nhƣng chỉ đóng góp khoảng 20% GDP của đất nƣớc. Với điều kiện tự nhiên và tài
nguyên thiên nhiên cho phép nƣớc ta phát triển nền nông nghiệp nhiệt đới.
Năng suất một số vật nuôi, cây trồng đạt cao so với các nƣớc trong khu vực và trên thế
giới: Lúa đứng đầu ASEAN; cá tra, hồ tiêu đứng đầu thế giới; cà phê, cao su đứng thứ
2 thế giới. Xuất hiện nhiều hơn các mô hình nuôi trồng thủy sản, sản xuất theo chuỗi
giá trị về tôm, cá tra, nuôi giống tôm hùm…Do đó việt nam có rất nhiều thuận lợi cho
việc phát triển nông nghiệp.
Hình 1.1 Hình ảnh sản xuất lúa gạo ở nƣớc ta
Tuy nhiên so với các nƣớc phát triển thì mặc dù số lao động nông nghiệp chỉ
chiếm khoảng 2-4% dân số nhƣng lại đóng góp lên đến 40% GDP do đó vấn đề đặt ra
hiện nay chúng ta phải nâng cao năng xuất cùng với việc áp dụng các tiến bộ khoa học
kĩ thuật, sử dụng các loại máy móc hiện đại để nâng cao chất lƣợng sản phẩm nông
nghiệp cũng nhƣ giảm thiểu tối đa sức ngƣời giúp đỡ bà con nông dân. Vì vậy nên
chúng ta cẩn phải thay đổi ngành nông nghiệp Việt Nam từ sản xuất truyền thống sang
nông nghiệp công nghệ cao. Chú trọng việc đổi mới mô hình sản xuất, nâng cao chất
lƣợng hàng hóa. Hiện nay ở các nƣớc trên thế giới, việc tự động hoá trong nông
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
2
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
nghiệp không còn là điều gì mới mẻ, xa lạ nhƣng ở nƣớc ta hiện nay, việc áp dụng tự
động hóa cho nông nghiệp đang bị bỏ ngỏ, không đƣợc chú trọng một cách đúng mức.
Sau khi tìm hiểu và tham quan một số nhà máy nhóm tác giả nhận thấy rằng
khâu cân định lƣợng có vai trò rất quan trọng trong các nhà máy xác xuất nông sản,
chính vì vậy nhóm tác giả xuất hiện một ý tƣởng chế tạo một hệ thống cân định lƣợng
giúp các nhà máy có thể giải quyết khâu định lƣợng một cách thuận tiện hơn giảm
thiểu nhân công cho khâu này và đạt năng suất cao hơn. Góp phần đóng góp nhỏ nhoi
cho việc áp dụng các tiến bộ khoa học kĩ thuật vào nông nghiệp nƣớc nhà.
Hình 1.2 Hình ảnh hệ thống cân định lƣợng trong các nhà máy sản xuất
1.2 Giới thiệu tổng quan về đề tài
1.2.1 Khái quát về hệ thống cân định lượng:
Hệ thống cân định lƣợng là một trong những khâu quan trọng để nhà máy có
thể hoạt động liên tục, là một khâu trong dây chuyền công nghệ nhằm cung cấp chính
xác lƣợng nguyên liệu cần thiết cho nhà máy hoặc đóng gói sản phẩm, lƣợng nguyên
liệu này đã đƣợc ngƣời lập trình cài đặt trƣớc đó. Hệ thống cân định lƣợng phải gồm
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
3
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
quá trình hoạt động hoàn tất của cân định lƣợng điện tử và hệ thống xử lý dữ liệu có
thể hiển thị khối lƣợng cân mong muốn lên các loại màn hình để dễ dàng điều khiển và
giám sát hệ thống.
Phƣơng pháp cân định lƣợng: Hệ thống định lƣợng với cảm biến tải trọng sẽ
đƣợc đặt dƣới của bồn chứa nguyên liệu. Trƣớc khi nguyên liệu đƣợc đƣa xuống hệ
thống cân thì bộ phận cung cấp nguyên liệu sẽ đƣợc đóng lại cùng với bộ phận đƣa
nguyên liệu ra bao sau quá trình định lƣơng. Tiếp theo hệ thống sẽ nhận các thông số
cân từ tủ điều khiển, quá trình này có thể hiển thị lên để ngƣời điều khiển dễ dàng thực
hiện. Tiếp theo sau khi nhận đƣợc yêu cầu từ tủ điều khiển thì bộ phận cung cấp
nguyên liệu sẽ bắt đầu cho nguyện liệu đổ xuống hệ thống định lƣợng, lúc này hệ
thống định lƣợng sẽ thực hiện quá trình định lƣợng theo yêu cầu. Khi hệ thống cân
định lƣợng đã định lƣợng đúng khối lƣợng yêu cầu. Tín hiệu sẽ đƣa về hệ thống điều
khiển và hệ thống điều khiển sẽ ngừng cung cấp nguyên liệu từ bồn chứa nguyên liệu
sau đó số nguyên liệu từ hệ thống cân sẽ đƣợc đƣa vào băng tải sau đó đƣa vào các bao
đóng gói hoặc có thể đƣa vào bao tải và đƣa đến nơi đóng gói nhờ vào băng tải.
Hình 1.3 Hệ thống cân đóng bao thực tế
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
4
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Hệ thống bồn chứa phải đƣợc làm ở dƣới dạng phễu hoặc các bồn nguyên liệu
dạng đứng. Nguyên liệu đƣa vào bồn chứa có thể đƣợc cho vào ngay từ đầu hay đƣợc
đƣa từ hệ thống băng tải hoặc các hệ thống đƣa nguyên liệu vào kho khác. Hệ thống
cân sẽ đƣợc đặt nằm dƣới hệ thống bồn chứa lắp đạt cùng với cảm biến khối lƣợng đa
số là loadcell. Nên sử dụng 2 cảm biến khối lƣợng trở lên để hệ thống định lƣợng có
thể xác định một cách chính xác hơn.
Hệ thống điều khiển sẽ đƣợc chia làm hai phần là hệ thống phần cứng bao gồm
các xilanh khí nén đƣợc dùng để điều khiển van đóng mở, các xi lanh sẽ đƣợc điều
khiển bằng các loại van điện từ. Các cơ cấu đóng mở kết hợp với xi lanh đa số sẽ đƣợc
thiết kế riêng tùy theo nhu cầu. Hệ thống điều khiển phần mềm nhận tín hiệu từ cảm
biến khối lƣợng sau đó xử lí tín hiệu bằng PLC hoặc Vi điều khiển, tùy vào ngƣời lập
trình có thể kết hợp với nút nhấn và hệ thống hiển thị bằng HMI hoặc các loại màn
mình LCD... để xử lí điều khiển van điện từ và lập trình theo yêu cầu của hệ thống.
Ở hệ thống của mình nhóm tác giả lựa chọn xử lí tín hiệu điều khiển bằng
Arduino và hiển thị lên màn hình LCD do một số nguyên nhân khác nhau cũng nhƣ do
kinh phí còn hạn hẹp.
Hình 1.4 Hệ thống điều ngoài thực tế
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
5
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Ngoài ra việc lựa chọn loại cảm biến và số lƣợng cảm biến cũng nhƣ các
nguyên tắc lắp đặt thiết bị phụ thuộc vào đặc điểm và nhu cầu sử dụng của chủ đầu tƣ.
Tuy nhiên hệ thống cân định lƣợng phải đảm bảo về độ tin cậy hoạt động, cần tuân thủ
mọi yêu cầu về chức năng cũng nhƣ độ chính xác của cân.
1.2.2 Một số hệ thống cân định lượng ngoài thực tế:
Sau đây là một số hệ thống cân định lƣợng ngoài thực tế:
Hình 1.5 Mô hình cân định lƣợng 1 phễu cân công ty Tân Phát.
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
6
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Hình 1.6 Mô hình cân định lƣợng 2 phễu cân công ty Hữu Quyền.
Hình 1.7 Mô hình cân định lƣợng 3 phễu cân công ty Tân Phát.
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
7
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Hình 1.8 Hệ thống cân băng tải định lƣợng
Ngoài ra còn một số hệ thống định lƣợng tải khác ngoài thực tế, ở trong hệ
thống của mình nhóm tác giả lựa chọn hệ thống cân định lƣợng 1 phễu cân.
1.2.3 Giới thiệu về hệ thống cân đóng bao trong đề tài:
Sau khi tìm hiểu một số hệ thống cân đóng bao trên mạng và ngoài thực tế
nhóm tác giả thấy rằng hệ thống cân đóng bao sẽ cớ các phần cơ bản gồm hệ thống
bồn chứa đƣợc đặt ở trên, bên dƣới hệ thống bồn chứa sẽ đƣợc lắp đặt cảm biến khối
lƣợng cùng với hệ thống cân định lƣợng, nếu hệ thống thiết kế đƣa ra bao rồi đƣợc đƣa
sang băng tải thì sẽ có thêm cơ cấu kẹp bao đƣợc đặt phía dƣới hệ thống cân, cuối
cùng băng tải sẽ đƣợc lắp đặt dƣới cơ cấu kẹp bao để đƣa bao đến vị trí đóng bao và
đƣợc đƣa ra ngoài. Dựa trên những gì đã tìm hiểu bọn em đã thiết kế một hệ thống cân
và đóng bao tự động với nguyên liệu là gạo sẽ đƣợc giới thiệu ở các phần sau.
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
8
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
1.2.3.1 Giới thiệu các khối cơ bản của hệ thống:
Hệ thống của nhóm tác giả bao gốm những khối cơ bản sau:
Khối Nguồn
Khối Cảm Biến
Khối Khuếch Đại
Khối Hiển Thị
Khối xử lý
Khối Cách ly
Cơ cấu chấp hành
Khối điều khiển
Hình 1.9 Các khối cơ bản của hệ thống
Khối nguồn có nhiệm vụ cung cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống sử dụng điện.
Khối điều khiển bao gồm các nút nhấn đƣa tín hiện điều khiển đến vi điều khiển
yêu cầu thực hiện các quá trình của hệ thống cũng nhƣ khối lƣợng gạo cần định lƣợng.
Khối cảm biến là 2 cảm biến khối lƣợng dùng để đo khối lƣợng gạo trong cân
sau đó truyền giữ liệu cho 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 đƣợc và xử lí.
Khối xử lí có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ khối khuếch đại và đƣa tín hiệu điều
khiển về khối cách ly và điều khiển dùng để điều khiển xi lanh
Khối cách ly và điều khiển có nhiệm vụ cách ly và nhận tín hiệu từ vi điều
khiển để điều khiển
Khối hiển thị hiển thị các trạng thái, khối lƣợng gạo ở phễu cân cũng nhƣ khối
lƣợng gạo cần định lƣợng.
Cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu điều khiển và thực thiện các thao tác của hệ
thống.
1.2.3.2 Nguyên lý hoạt động của hệ thống:
Sau khi bật công tắc nguồn thì hệ thống sẽ tự động điều khiển cho các cơ cấu
trở về trạng thái ban đầu (trạng thái để bắt đậu thực hiện các chu trình). Hệ thống sẽ
yêu cầu ngƣời điều khiển lựa chọn khối lƣợng mong muốn bằng nút nhấn. Sau khi
nhận đƣợc tín hiệu khối lƣợng yêu cầu hệ thống sẽ đƣa tín hiệu điều khiển khiển xi
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
9
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
lanh phía trên nhờ khối cách ly và điều khiển để mở phễu để gạo từ phễu chứa ở trên
đƣa gạo xuống hệ thống phễu cân ở dƣới, cùng lúc đó 2 cảm biến khối lƣợng sẽ có
nhiệm vụ đo khối lƣợng gạo ở trong hệ thống cân và đƣa về tín hiệu vi điều khiển. Vi
điều khiển nhận tín hiệu từ cảm biến khối lƣợng kiểm tra xem đã đạt đủ khối lƣợng
mong muốn chƣa, nếu đã đủ khối lƣợng mong muốn, vi điều khiển sẽ đƣa tín hiệu điều
khiển qua khối cách ly và điều khiển để điều khiển xi lanh phễu trên đóng lại, đồng
thời mở cho phễu ớ dƣới để đƣa gạo vào bao. Sau khi gạo đã đƣợc cho hết vào bao hệ
thống sẽ tự động đóng phễu dƣới và mở phễu trên để đƣa gạo vào hệ thống cân, quá
trình sẽ đƣợc lặp lại liên tục trừ khi có tín hiệu Stop hoặc Change weight từ ngƣời điều
khiển.
Với cơ cấu kẹp bao sau khi gạo đƣợc đƣa xuống hệ thống khi đƣợc một khối
lƣợng nhất định hệ thống sẽ đƣa tín điệu để điều khiển 2 xi lanh trong cơ cấu kẹp bao
để kẹp chặt bao lại, sau khi gạo đƣợc đƣa hết vào bao thì hệ thống cũng sẽ đƣa tín hiệu
điều khiển 2 xi lanh để cho bao rơi xuống hệ thống băng tải.
1.2.3.3 Yêu cầu công nghệ của hệ thống:
Hệ thống phải đảm bảo hoạt động chính xác, sai số khối lƣợng phải nằm trong
giới hạn cho phép.
Các cơ cấu xi lanh hoạt động ổn định, không bị mắc kẹt.
Hệ thống đƣợc thiết kế chắc chắn, nhỏ gọn.
Hình 1.10
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
tƣởng thiết kế hệ thống
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
10
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
CHƢƠNG 2: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ
2.1 Thiết kế hệ thống cân :
Dựa trên sự tìm hiểu và ý tƣởng của bản thân bọn em thiết kế hệ thống của
mình thông qua phần mềm thiết kế 3D Solidworks nhƣ hình bên dƣới.
Hình 2.1 Hệ thống cân và đóng bao tự động
1: Phễu chứa gạo ban đầu;
4:Cơ cấu kẹp bao;
2:Load cell;
5: Cơ cấu đóng mở phễu cân;
3:Cơ cấu phễu cân;
6: Cơ cấu đóng mở phễu chứa gạo.
Hệ thống có cấu tạo gồm:
Một phễu chứa gạo đƣợc thiết kế trên cao nhất, có đủ khoảng trống để chứa
gạo. Hệ thống phần khung phễu trên đƣợc kết hợp với cơ cấu đóng mở phễu
để đƣa gạo đƣợc đƣa xuống cơ cấu cân.
Hai cơ cấu đóng mở phễu xử dụng xi lanh khí nén để đóng mở phễu, có rất
nhiều cơ cấu đóng mở khác nhau, tuy nhiên với khả năng có hạn bọn em
chƣa thể chế tạo ra các cơ cấu đóng mở phức tạp nên bọn em lựa chọn cơ
cấu đóng mở hình chữ L, cơ cấu này khá đơn giả, dễ thiết kế, đáp ứng đủ
yêu cầu đặt ra. Với kiểu thiết kế nhƣ trên thì hệ thống sẽ đơn giản hơn rất
nhiều, cơ cấu không quá phức tạp.
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
11
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
Cơ cấu phễu cân kết hợp với 2 con loadcell. Một đầu loadcell đƣợc treo cố
định, một đầu sẽ gắn với phễu cân phía dƣới, phễu cân sẽ đƣợc treo tự do
với loadcell, cũng giống nhƣ phễu cân thì cơ cấu đóng mở phễu cân cũng
gắng liền với phễu và treo tự do.
Cơ cấu kẹp bao bao gồm phần khung đƣợc thiết kế nhƣ trong hình 2.1, hệ
thống kẹp bao đƣợc thiết kế từ 2 xi lanh đƣợc gắn trên 2 đầu xi lanh là 2
khối cao su có dạng trụ tròn.
2.2 Thiết kế hệ thống băng tải:
• Cấu tạo của băng tải
Hình 2.2 Mô hình băng tải
Trong đó
1: Khung băng tải, 2: Rulô chủ động, 3: Băng tải
4: Rulô bị động, 5: Động cơ, 6: Bộ truyền xích
• Tính toán băng tải
Hình 2.3 Sơ đồ tính toán để xác định công suất băng tải
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
12
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
-
Chọn các thông số ban đầu cho bộ truyền:
Vận tốc băng tải: V = 0.05 m/s.
Đƣờng kính bánh dẫn và bị dẫn: D = D1 = D2 = 60mm.
Khoảng cách trục: a = 900mm.
Bề rộng đai: B = 200mm.
Tỉ số truyền: i = 3.
Khối lƣợng của vật: m = 5kg.
Tính chọn động cơ cho băng tải:
Công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu:
P1 = F1.v = a.δ.k1.v.g (kW)
(2-1)
Trong đó:
- F1: Lực cần thiết để dịch chuyển vật liệu.
- a : Khoảng cách trục (m).
- δ: Khối lƣợng của vật liệu trên một mét dài của băng tải (kg/m).
- k1: Hệ số có tính đến lực cản khi dịch chuyển vật liệu, chọn k1 = 0,01.
- v: Vận tốc di chuyển của băng tải (m/s).
- g: Gia tốc trọng trƣờng (m/s2).
P1 = F1.v = a.δ.k1.v.g = 0,9.5.0,01.0,05.9.8 = 0.022 (kW)
Công suất cần thiết để khắc phục tổn hao công suất do lực ma sát:
P2 = F2.v = 2a.
.
.v.g (kW)
(2-2)
Trong đó:
F2: Lực cản trong các ổ đỡ các con lăn và lực cản do ma sát khi băng
chuyển động trên các con lăn.
- δb: Khối lƣợng mét băng tải (kg/m).
- k2: Hệ số có tính đến lực cản khi không tải.
P2 = F2.V = 2a. .k2.v.g = 2.0,9.0,5.0,01.0,05.9,8 = 4,41.10-3 (kW)
Công suất tĩnh của băng tải:
-
P = P1+P2 = 26.46 (W)
(2-3)
Công suất cần thiết của động cơ truyền động:
Pct = k3. =1,2.
= 33.42 (W)
(2-4)
Trong đó:
- k3: hệ số dự trữ về công suất (k3 = 1,2 ~ 1,25).
- η: Hiệu suất truyền động (η = 0,95).
Số vòng quay trên trục công tác:
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
13
Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động
nlv
60000.v
(v/ph)
.D
(2-5)
Trong đó:
-
v: Vận tốc băng tải (m/s).
D: Đƣơng kính tang (mm).
60000.v
=
= 15,91 (v/ph)
.D
Tính sơ bộ số vòng quay của động cơ:
nlv
nsb = nlv.nt (v/ph)
(2-6)
Trong đó:
-
ut : Tỉ số truyền toàn bộ của hệ thống dẫn động.
-
nlv : Số vòng quay trên trục công tác.
nsb = nlv.nt = 15,91.3 = 47,73 (v/ph)
Momen mở máy:
Tmm = 1,2.9,55.106.
= 1,2.9,55.106.
= 8023,8 (N.mm) (2-7)
=> Chọn động cơ bƣớc 12-24V có sẵn hộp giảm tốc thõa mãn các điều kiện sau:
Pdc Pct , ndc nsb và
Tmm Tk Tmm
,
1, 2.
T
Tdn T
Dựa vào tính toán thiết kế ta chọn động cơ gạt nƣớc dùng trong các xe ô tô
(thông số cụ thể trình bày ở phần dƣới).
Tính chọn dây băng tải:
Tính lực kéo băng tải:
F=
(N)
(2-8)
Trong đó:
-
N công suất trên băng tải
V vận tốc băng tải
P lực kéo băng tải
F=
=
= 668,4 ( N )
Tính momen tác dụng lên trục tang quay băng tải:
SVTH: Nguyễn Đức Anh Khoa
Nguyễn Đăng Bình
GVHD: TS. Đặng Phƣớc Vinh
14
