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

1


PHIẾU HỌC TẬP CÁ NHÂN/NHĨM
I. Thơng tin chung
1. Tên lớp: ME6061.4

Khóa: 13

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. Áp
dụng các cơng cụ hỗ trợ: Mơ hình hóa mô phỏng, CAD, HIL,… để thiết kế sản
phẩm.
3. Sản phẩm nghiên cứu: Báo cáo thu hoạch bài tập lớn.
III. Nhiệm vụ học tập
1. Hoàn thành bài tập lớn theo đúng thời gian quy định (từ ngày
29/03/2021 đến ngày 02/05/2021).

2. Báo cáo sản phẩm nghiên cứu theo chủ đề được giao trước hội đồng
đánh giá.
2


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 các
tài liệu tham khảo.
2. Phương tiện, nguyên liệu thực hiện tiểu luận, bài tập lớn, đồ án/dự án
(nếu có): Máy tính.
KHOA/TRUNG TÂM

GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

3


MỤC LỤC

4


DANH MỤC HÌNH ẢNH

5


DANH MỤC BẢNG

6


LỜI CẢM ƠN
Trong q trình thực hiện và hồn thành bài báo cáo “Thiết kế hệ thống
phân loại sản phẩm theo màu sắc” bên cạnh sự nỗ lực cố gắng của cả nhóm cịn
có sự hướng dẫn nhiệt tình của giảng viên Khoa Cơ khí Trường Đại học Cơng
nghiệp Hà Nội, các thầy giáo trực tiếp giảng dạy trong môn học Thiết kế hệ
thống Cơ điện tử học đã giúp chúng em học tập, nghiên cứu và thực hiện bài báo
cáo.
Xin chân thành cảm ơn thầy giáo Nhữ Quý Thơ đã hướng dẫn, động viên
giúp 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 suốt
quá trình viết báo cáo, thực sự là những bài học vô cùng quý giá đối với chúng
em khơng chỉ trong q trình viết báo cáo mà cả trong hoạt động nghiên cứu
chuyên môn sau này. Cuối cùng, chúng em xin chân thành cảm ơn đến gia đình
những 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

7


GIỚI THIỆU CHUNG
Hiện nay ngành công nghiệp ngày càng phát triển các cơng 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 cơng mơ

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.
Những lợi ích mà hệ thống phân loại sản phẩm đem lại cho chúng ta là rất
lớn, 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 khơng
những thay đổi điều kiện làm việc của cơng nhân mà cịn có thể giảm số
lượng cơng nhân đến mức tối đa.

Hình1 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
8


PHẦN 1 DANH SÁCH YÊU CẦU
Những
thay
đổi

D

Yêu cầu

W

Các loại tín hiệu:
D

Màu sắc của sản phẩm

D

Vị trí của sản phẩm

D

Tín hiệu điều khiển
An tồn và cơng thái học:

W Dễ dàng vận hành
D

Tiếng ồn khi vận hành < 80dB.

D

Loại bỏ cạnh sắc trên máy.

D

Cách điện tốt.
Hình học:

D

Phơi có kích thước nhỏ hơn 200

D

Kích thước tổng thể:
Chiều dài: 3-4m
Chiều rộng: 0.5-1m
Chiều cao: 1-2m

D

Kích thước băng chuyền:
Chiều dài: 2-3.5m
Chiều rộng: 0.5-1.5m
Vật liệu:

D

Khung làm bằng thép chống gỉ, có đế cao su ở
chân
Năng suất:

D

Phân loại được > 200 sản phẩm/phút
Phân loại:
9

Trách nhiệm

D

Phân loại được ít nhất 2 loại màu sắc.

D

Tỉ lệ phân loại chính xác: >99%

D

Hệ thống phải đảm bảo được độ xử lý nhận màu
chính xác khi tốc độ của sản phẩm đi qua.
Vận hành và bảo dưỡng:

W Có thể vận hành bởi lao động phổ thông.
D

D

Hệ thống được thiết kế theo dạng module, có
thể tháo rời, di chuyển và lắp ráp lại (cho việc di
chuyển nhà xưởng..v..v).
Tuổi thọ làm việc tối thiểu 10 năm trong điều
kiện làm việc tiêu chuẩn của hệ thống, bảo
dưỡng định kì đúng hạn.

Phụ tùng có thể thay thế và có thể mua ở ngồi
W (không cần mua của nhà sản xuất).
Sử dụng phụ tùng cơ bản, thống số mặc định.

D
Điều khiển:
D

Có màn hình, bàn phím và nút bấm để nhập số
liệu và điều khiển.

D

Giao diện dễ sử dụng.
Năng lượng:

D

Sử dụng nguồn điện 3 pha 5kW/380V
Cảnh báo:

D

Cảnh báo chng hoặc đèn khi khơng có sản
phẩm đi qua (trong vịng 10 phút).

PHẦN 2 TĨM TẮT ĐỂ XÁC ĐỊNH CÁC VẤN ĐỀ CƠ BẢN
 Bước 1 + 2: Loại bỏ sở thích cá nhân, bỏ qua các yêu cầu không ảnh
hưởng trực tiếp đến chức năng và các ràng buộc cần thiết.
10


- 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 AC
220V thành DC
- Động cơ servo AC.
- Băng chuyền sử dụng động cơ xoay chiều AC, vật liệu bám dính
cao.
 Bước 3: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm
chúng 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 rồi
phân loại sản phẩm theo màu sắc.

11


PHẦN 3 CẤU TRÚC CHỨC NĂNG
 Cấu trúc chức năng tổng thể

Điện năng

Tín hiệu điều khiển

Cơ năng

Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Tín hiệu điện

Sản phẩm chưa phân loại

Sản phẩm đã phân loại

Hình 3.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

12


Tín hiệu điều khiển

n tồn cho dây chuyềnĐiện

Biến đổi
Biến áp
điện
Xử lý và điều khiển tín hiệu
Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại
Sản phẩm đã phân loại
Bảo vệ hệ thống điện

Nhận biết màu sắc sản phẩm
 
 

 

Sản phẩm chưa phân loại
Di chuyển sản phẩm

Đưa sản phẩm vào nơi yêu cầu

Hình 3.3 Sơ đồ cấu trúc chức năng hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc
13


 Chức năng con
- Chức năng bảo vệ hệ thống điện
Điện
năng

Chống ngắn
mạch

Ngắt điện
khi quá tải

Chống đảo
pha

Điện
năng

Hình 3.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng bảo vệ hệ thống điện
- Chức năng an tồn cho dây chuyền

Xử lý và điều khiển tín hiệu

Biến áp
Vị trí sản
phẩm

Xác định vị
trí sản phẩm

Cảnh báo

Dừng khẩn
cấp

Hình 3.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng an toàn cho dây
chuyền
14


- Chức năng di chuyển sản phẩm
Xử lý và điều khiển tín hiệu

Điện

Chuyển đổi
điện - cơ

Cơ năng

Dẫn động

Hình 3.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng di chuyển sản phẩm
- Dẫn động
Cơ năng
Điều khiển tốc độ

Truyền
động

Dẫn lực

Hình 3.7 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động

15

Cơ năng


PHẦN 4 XÂY DỰNG CẤU TRÚC LÀM VIỆC
Giải pháp
Chức
năng con
1

Biến áp

2
Bảo vệ hệ thống điện

3

An toàn cho dây chuyền

Chống ngắn
mạch
Ngắt điện khi
quá tải
Chống đảo
pha
Xác định vị
trí sản phẩm
Cảnh báo

Dừng khẩn
cấp
Chuyển đổi điện - cơ
4

Di chuyển
sản phẩm

Dẫn động

Điều khiển
tốc độ
Truyền động

1

2

Máy biến áp 1 pha

Máy biến áp 3 pha

Cầu chì

Aptomat

Mạch bảo vệ

Cầu chì

Aptomat

Rơ le

Mạch chống đảo pha

Contactor

Cảm biến hồng ngoại
Đèn báo

Cảm biến quang
laser
Còi báo

Nút bấm cơ

Nút bấm cảm ứng

Động cơ 3 pha

Động cơ DC

Điều khiển bằng xung

Động cơ xoay chiều
1 pha
Hộp số bánh răng

Truyền động đai

Truyền động xích

Truyền động bánh

16

3

Cảm biến siêu âm
Màn hình hiển thị


5

Dẫn lực
Xử lý và điều khiển tín hiệu

6
7

Nhận biết màu sắc sản phẩm
Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại

Cảm biến màu sắc
Cảm biến siêu âm

8

Đưa sản phẩm vào nơi yêu cầu

Xi lanh

9

Băng tải đai dẹt
Arduino

Băng tải xích
PIC
Camera
Cảm biến hồng
ngoại
Servo

răng
Băng tải con lăn
ARM

Encoder
Cánh tay robot 3
bậc tự do

Biến đổi điện
Bộ chuyển AC ra DC
Bảng 6.1.1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng hệ thống phân loại sản phẩm

17


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 diễn
như trong bảng ở trên. Cụ thể những nguyên tắc được đặt ký hiệu cùng màu sẽ
tạo thành một biến thể. Theo bảng 4.1 ta có thể thấy có ba biến thể với ba màu
khác nhau được chọn ra tương ứng màu xanh (biến thể 1), đỏ (biến thể 2) và
vàng (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
6.1.

Biến áp – Máy biến áp 3 pha

Để hệ thống hoạt động một cách ổn định mà không lo đến hiện tượng sụt
điện ảnh hưởng đến cả một dây chuyền thì cần cung cấp một dòng điện ổn định
cho 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
Điện áp ra
380V/220V/200V
Công suất
10KVA
Nhiệt môi trường
-5 độ C đến 40 độC
Độ bền cách điện
Lớn hơn 3MΩ ở điện áp 1 chiều
500V
Bảng 6.1.2 Thông số kỹ thuật ổn áp Litanda 10KVA 3 pha

6.2.

Bảo vệ hệ thống điện

6.2.1. Chống ngắn mạch và chống đảo pha
Sử dụng Aptomat để đáp ứng yêu cầu chống ngắn mạch chống đảo pha.
Aptomat được dùng như bộ phận ngắt mạch cho toàn bộ hệ thống, hoạt
động khi dòng điện trong hệ thống vượt quá mức an toàn để giữ an toàn cho các
thiết bị được mắc sau nó. Ưu điểm của Aptomat là đóng mở nhanh, tạo ít tia lửa


trong q trình đóng mở, có thể khơi phục trạng thái đóng cắt mà khơng mất
thời gian thay thế như cầu chì.
- Cơng suất: P=UIcos ϕ
- Cơng suất tải: P=12KW
- Nguồn sử dụng: U=380V
- Hệ số công suất: Cos ϕ= 0.8
=> Dịng tối đa I= = 12.4A
Do đó chọn loại Aptomat 3 pha 15V.
Tên sản phẩm: EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA
Schneider.

Hình 6.9 EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider
Thơng số kỹ thuật:
Số cực
3 cực
Dịng điện định mức
15A
Dịng cắt ngắn mạch
7.5kA
Điện áp định mức
415V
Bảng 6.2.3 Thông số kỹ thuật 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 nguy
hiểm hệ thống di chuyển sản phẩm, người ta sử dụng module contactor chống
đảo pha làm thiết bị chống đảo pha cho động cơ kéo.


Contactor chống đảo pha là một cụm đóng ngắt tự động
được 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 tiếp
điểm mắc trên mạch nguồn sẽ mở để ngắt điện cho mạch động
lực.
Tên sản phẩm: CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380

Hình 6.10 CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380
Thơng số kỹ thuật:
Dịng điện
18A
Điện áp điều khiển
318-380V
Cơng suất
7.5kW
Tiếp điểm
1NC, 1NO
Bảng 6.2.4 Thông số kỹ thuật CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380

6.3.

An tồn cho dây chuyền

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 để
đúng 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 môi
trường ánh sáng mạnh giúp giảm nhiễu bởi ánh sáng. Sản phẩm được thiết kế
nhỏ gọn dễ dàng tích hợp vào các board mạch, có một cặp truyền và nhận tia
hồng ngoại. Tia hồng ngoại phát ra một tần số nhất định, khi phát hiện hướng
truyền 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 2-


30cm, điện áp làm việc từ 3.3-5V. Độ nhạy và khoảng cách phát hiện của
cảm biến được điều chỉnh bằng 2 chiết áp trên mạch.

Hình 6.11 Cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488
Thông số kỹ thuật:
Nguồn cấp
12-24 VDC
Phạm vị hoạt động
25-200mm(điều chỉnh núm vặn)
Ngõ ra
PNP
Thời gian đáp ứng
1ms
Cấp bảo vệ
IP67
Kích thước
20x10.8x35.1 mm
Dịng điện tiêu thụ

100mA
Bảng 6.3.5 Thơng 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 báo
cùng với đèn nháy hai thứ đó đều được tích hợp trong cịi báo. Khi có sự cố sản
phẩm mắc kẹt gây ùn tắc hoặc rơi vào phần chạy băng tải gây kẹt băng tải thì bộ
phận xử lý tín hiệu sẽ gửi tín hiệu đến làm cịi kêu liên tục để người cơng nhân
biết và có các cách xử lý riêng.
Tên sản phẩm: Cịi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3


Hình 6.12 Cịi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3
Thơng số kỹ thuật:
Điện áp hoạt động
220V
Âm lượng
90Db
Nguồn sáng
20 Led nháy đỏ
Khối lượng
0.2Kg
Kích thước
15x10x5cm
Bảng 6.3.6 Thơng số kỹ thuật cịi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3
6.3.3. Dừng khẩn cấp
Khi có tín hiệu cảnh báo được phát ra người vận hành dây chuyền sẽ nhấn
nút dừng khẩn cấp khi sự cố nghiêm trọng xảy ra.
Tên sản phẩm: Emergency Stop

Hình 6.13 Emergency Stop

Thơng số kỹ thuật:
Điện áp tối đa
600V
Dịng tối đa
10A
Nhiệt độ hoạt động
-25 đến 70 độ C
Tiếp điểm
1NO+1NC
Bảng 6.3.7 Thông số kỹ thuật Emergency Stop

6.4.

Di chuyển sản phẩm

6.4.1. Chuyển đổi điện – cơ
Để dây chuyền hoạt động một cách ổn định và tiêu tốn năng lượng một
cách hợp lý thì tính để chọn động cơ cũng rất quan trọng.
Tính chọn động cơ:
Bước 1: Tính cơng suất cần thiết (
- Trọng lượng tối đa băng tải là: 54kg
F=540(N)
V= 2,73 (v/p)
� = �ol. �ol. �ol. �k. �br. �đ = 0,99.0,99.0,99.0,99.0,97.0,95=0,89
Plv : Công suất làm việc trên trục máy công tác
Pct : Công suất cần thiết
�ol : Hệ số truyền ổ lăn
�k : Hệ số truyền khớp nối

�br : Hệ số truyền bánh răng
�đ : Hệ số truyền đai
Bước 2: Tính nsb

Trong đó:
Tỉ số truyền đai:

=

1

Tỉ số truyền
D: Đường kính pulley


V: Vận tốc băng tải
= 1* 3
Số vòng quay sơ bộ là:
=> Chọn số vòng quay: nsb >=2234,55 vg/phút.
Tên sản phẩm: Động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp

Hình 6.14 Động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp
Thông số kỹ thuật:
Type

3K100S2

Công suất

2,2kW

Tốc độ

2860 vịng/phút

Điện áp

380V

Dịng điện

4,7A

Bảng 6.4.8 Thơng số kỹ thuật động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp
6.4.2. Dẫn động
a) Điều khiển tốc độ
Muốn điều khiển tốc độ một cách ổn định thì ta cần dùng đến hộp số bánh
răng (Hộp số giảm tốc). Hộp số giảm tốc là một hệ bánh răng được lắp
ghép với nhau theo quy tắc tăng tỉ số truyền cùng với đó làm
giảm tốc độ quay của trục dẫn động nhờ vào sự khác nhau giữa