báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

báo cáo bài tập lớn thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc. thiết kế hệ thống cơ điện tử đề tài hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Trang 1

BỘ CÔNG THƯƠNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI KHOA CƠ KHÍ

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

MÔN: THIẾT KẾ HỆ THỐNG CƠ ĐIỆN TỬ

Đề tài: Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Giáo viên hướng dẫn: TS Nguyễn Văn Trường Lớp: Cơ điện tử1 – K16 LTCĐ-ĐH

Họ và tên sinh viên: Đổng Văn Tiến 2021608769

Phương Trường Thành 2020605302 Nhóm: 19

Hà Nội 2023

Trang 2

1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu 3

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ 7

3.1 Bắt đầu với giải pháp nguyên tắc và danh sách yêu cầu 18

3.2 Thiết kế chi tiết 18

3.2.1 Biến áp – Máy biến áp 3 pha 18

3.2.2 Bảo vệ hệ thống điện 19

a Chống ngắn mạch và chống đảo pha 19

b Contactor chống đảo pha 20

3.2.3 An toàn cho dây chuyền 21

Trang 3

3.2.7Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại 31

3.2.8Đưa sản phẩm vào nơi yêu cầu 32

3.2.9Bộ chuyển đổi 33

Phác thảo hệ thống 3D hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 35

3.3 Tích hợp hệ thống 36

KẾT LUẬN 38

Trang 4

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Dây truyền phân loại sản phẩm trong nhà xưởng 2

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc làm việc của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 11

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 12

Hình 2.3 Sơ đồ chức năng bảo vệ hệ thống điện 14

Hình 2.4 Sơ đồ cấu trúc chức năng an toàn cho dây chuyền 14

Hình 2.5 Sơ đồ cấu trúc chức năng di chuyển sản phẩm 14

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động 15

Hình 3.1 Ổn áp Litanda 10KVA 3 pha 19

Hình 3.2 EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider 20

Hình 3.3 CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380 21

Hình 3.15 Động cơ Digital RC Servo LD-27MG - 79C6 33

Hình 3.16 Bộ chuyển đổi AC 220V sang DC 0-48V 10A 34

Hình 3.17 Hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc 35

Hình 3.18 Bản vẽ lắp của hệ thống 35

Trang 5

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng hệ thống phân loại sản phẩm

15

Bảng 2 Điểm đánh giá cho các biến thể 17

Bảng 3 Thông số kỹ thuật ổn áp Litanda 10KVA 3 pha 19

Bảng 4 Thông số kỹ thuật EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider 20

Bảng 5 Thông số kỹ thuật CONTACTOR 3 pha 18A MAC-318/380 21

Bảng 6 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 22

Bảng 7 Thông số kỹ thuật còi hú đèn chớp báo động 220V SHP-SOS3 23

Bảng 8 Thông số kỹ thuật Emergency Stop 24

Bảng 9 Thông số kỹ thuật động cơ điện 3 pha 2,2kW 3hp 26

Bảng 10 Thông số kỹ thuật hộp số giảm tốc ZQ 27

Bảng 11 Thông số kỹ thuật Arduino Uno R3 30

Bảng 12 Thông số kỹ thuật cảm biến vật cản hồng ngoại HW-488 32

Bảng 13 Thông số kỹ thuật động cơ Digital RC Servo LD-27MG - 79C6 33

Bảng 14 Thông số kỹ thuật bộ chuyển AC sang DC 34

Trang 6

CHƯƠNG 1: NỘI DUNG THIẾT KẾ 1.1 Tổng Quan

Khoa học kỹ thuật luôn luôn phát triển trong tất cả các lĩnh vực, nhất là các ngành sản xuất Việc đòi hỏi cải tiến và nâng cấp hệ thống sản xuất luôn là ưu tiên hàng đầu Một trong những hệ thống đó là hệ thống phân loại sản phẩm tự động Hệ thống này giúp cho sản xuất linh hoạt hơn, tiết kiệm thời gian và nhân lực, tăng sản lượng, đem lạilợi ích kinh tế cao và hiệu quả

Để phân loại sản phẩm có nhiều phương pháp như phân loại theo khối lượng, kích thước, màu sắc…Máy phân loại sản phẩm theo màu sắc có thể phân loại các sản phẩm như cà phê, nhựa màu, gạo, các loại hạt, nhờ vào camera kiểm tra sản phẩm, công nghệ vision xử lý ảnh tự động Với năng suất từ 0.8 - 15 tấn/giờ (tùy vào loại model), tỷ lệ chính xác >99% Hệ thống phân loại sản phẩm tự động theo màu sắc được ứng dụng rộng rãi trong các ngành nông nghiệp, thực phẩm, dầu, hóa chất, công nghiệp dược phẩm, linh kiện điện tử, thiết bị y tế,…

Đã có nhiều loại máy được ra đời nhằm phục vụ yêu cầu trong sản xuất một trong số đó là máy phân loại sản phẩm theo màu sắc với mục đích rút ngắn thời gian làm việc, giảm nhân công lao động và tăng độ chính xác cao

Nhằm phục vụ hiện đại hóa quy trình sản xuất, hệ thống phân loại sản phẩm ra đời là một công cụ hiệu quả giúp thay thế con người trong công việc và phân loại các sản phẩm, nó đã góp phần nâng cao hiệu quả trong công việc, với một hệ thống phân loại hoàn chỉnh nó có thể phân loại các sản phẩm với độ tin cậy cao, hoạt động liên tục giảm tối đa thời gian trì hoãn hệ thống

Trang 7

Hình 1.1 Dây truyền phân loại sản phẩm trong nhà xưởng

1.1.2 Ứng dụng

Hiện nay hệ thống phân loại sản phẩm được ứng dụng rất nhiều trong các dây chuyền sản xuất của các nhà máy như trong dây truyền phân loại gạch, ngói, đá granite, hoặc phân loại các sản phẩm nhựa Một số nghiên cứu ứng dụng đặc biệt để phân loại hạt cà phê và nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực công nghiệp khác

Điển hình trong khi tại hầu hết các nhà máy sản xuất gạch ốp lát hiện nay khâu phân loại gạch được thực hiện bằng mắt (thường của người lao động do đó năng suất sản xuất và độ chính xác không được cao, một hệ thống tự động nhận dạng và phân loại ra đời hứa hẹn sẽ giúp tiết kiệm sức người và tăng năng suất cho nhà máy

Hệ thống phân loại được đưa vào trong nhiều ứng dụng thực tiễn giúp đáp ứng tối đa nhu cầu phân loại và phân phốisản phẩm Có rất nhiều hệ thống cho bạn lựa chọn, loại nào phù hợp sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố như tốc độ, loại sản phẩm mà hệ thống xử lý và không gian cài đặt Tùy theo lựa chọn của bạn, hệ thống phân loại thường được ứngdụng trong các ngành sau:

- Hệ thống phân loại trong ngành chuyển phát nhanh

Trong chuỗi cung ứng, hệ thống phân loại có thể được sử dụng cho các ứng dụng khác nhau để mang lại hiệu quả caohơn Các giai đoạn điển hình trong

Trang 8

chuỗi cung ứng mà hệ thống phân loại có thể được sử dụng bao gồm gửi đến, trảhàng, gửi đi hoặc vận chuyển

- Hệ thống phân loại trong các ngành công nghiệp nhẹ

Đưa hệ thống phân loại vào các hoạt động sản xuất của các ngành công nghiệp nhẹ như may mặc sẽ giúp quá trìnhphân loại hàng hóa nhanh chóng, tăng tốc độ xử lý sản phẩm Sử dụng hệ thống phân loại tự động thay thế sức laođộng của con người, loại bỏ các thao tác thủ công, giảm sai xót trong quá trình phân loại

- Hệ thống phân loại trong các ngành công nghiệp dược phẩm

Đưa hệ thống phân loại vào các ngành công nghiệp dược phẩm được đánh giá là mang lại giá trị to lớn cho hoạt độngkinh doanh của doanh nghiệp Hệ thống chia sản phẩm theo các mã vạch, màu sắc được cài đặt sẵn, giúp tối ưu hóaquá trình phân loại

1.2 Lập kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ

1 15/05/2023 - 18/05/2023 Tìm hiểu lịch sử ra đời và ứng dụng 2 19/05/2023 - 22/05/2023 Thiết lập cấu trúc chức năng 3 23/05/2023 - 26/06/2023 Lên kế hoạch và làm rõ nhiệm vụ

4 27/05/2023 - 30/05/2023 Thiết lập chức năng tổng thể và chức năng con

5 31/05/2023 - 02/06/2023 Tìm kiếm các nguyên tắc làm việc và đánh giá và lựa chọn các biến thể

6 03/06/2023 –10/06/2023 Thiết kế cụ thể

7 11/05/2023 - 15/06/2023 Chỉnh sửa và hoàn thành đề tài

1.3 Thiết lập danh sách yêu cầu

Danh sách yêu cầu hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Những

Trang 9

W

D D D

Các loại tín hiệu:

Màu sắc của sản phẩm Vị trí của sản phẩm Tín hiệu điều khiển

W D D D

An toàn và công thái học:

Dễ dàng vận hành

Tiếng ồn khi vận hành < 80dB Loại bỏ cạnh sắc trên máy Cách điện tốt

D D

D

Hình học:

Phôi có kích thước nhỏ hơn 200𝑐𝑚2

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

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

D

Vật liệu:

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

Trang 10

D D

Tỉ lệ phân loại chính xác: >99%

Hệ thống phải đảm bảo được độ xử lý nhận màu chính xác khi tốc độ của sản phẩm đi qua

W D

D

W

D

Vận hành và bảo dưỡng:

Có thể vận hành bởi lao động phổ thông

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 ngoài (không cần mua của nhà sản xuất)

Trang 11

Nghiên cứu và phát triển tối đa 6 tháng

Trang 12

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ SƠ BỘ

- Dễ dàng vận hành

- Tiếng ồn khi vận hành < 80dB - Loại bỏ cạnh sắc trên máy - Cách điện tốt

Hình học:

- Phôi có kích thước nhỏ hơn 200(cm)^2 - Kích thước tổng thể:

+ Chiều dài: 3-4m + Chiều rộng: 0.5-1m + Chiều cao: 1-2m

- Kích thước băng chuyền: Chiều dài: 2-3.5m

Trang 13

Vận hành và bảo dưỡng:

- Có thể vận hành bởi lao động phổ thông

- 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 ngoài (không cần mua của nhà sản xuất)

- Nghiên cứu và phát triển tối đa 1 năm

Giai đoạn 2: Chuyển đổi dữ liệu định lượng thành dữ liệu định tính và giảm chúng thành các tuyên bố thiết yếu

- Màu sắc của sản phẩm - Vị trí của sản phẩm - Tín hiệu điều khiển

Hình học:

Trang 14

- Thể tích, chiều dài, chiều rộng, chiều cao - Kích thước băng chuyền:

- Nghiên cứu và phát triển tối đa 6tháng

Giai đoạn 3: Trong mức độ nhất định, khái quát lại kết quả bước trước

- Màu sắc của sản phẩm - Vị trí của sản phẩm - Tín hiệu điều khiển

Trang 15

Trang 16

- Nghiên cứu và phát triển tối đa 6tháng

Giai đoạn 4: Hình thành vấn đề theo các thuật ngữ trung lập về giải pháp

Thiết kế hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc từ 2 màu trở lên

2.2 Thiết lập cấu trúc chức năng

2.2.1 Chức năng tổng thể

Hình 2.1 Sơ đồ cấu trúc làm việc của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc Điện năng

Tín hiệu điều khiển

Sản phẩm chưa phân loại

Hệ thống phân loại sản phẩm

theo màu sắc

Sản phẩm đã phân loại Tín hiệu điện Cơ năng

Trang 17

Điện

Sản phẩm chưa phân loại

Sản phẩm đã phân loại Tín hiệu điều khiển

Biến đổi điện

Xử lí và điều khiển tín hiệu

Bảo vệ hệ thống điện

Nhận biết màu sắc sản phẩm

An toàn cho dây chuyền

Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại

Di chuyển sản phẩm

Đưa sản phẩm vào nơi yêu cầu Biến áp

Hình 2.2 Sơ đồ cấu trúc chức năng của hệ thống phân loại sản phẩm theo màu sắc

Trang 18

Chống đảo pha

Điện năng

Xử lí và điều khiển tín hiệu

Xác định vị trí sản phẩm

Cảnh báo Dừng khẩn

Vị trí sản phẩm

Xử lý và điều khiển tín hiệu

Chuyển đổi

Cơ năng Điện

Trang 19

- Dẫn động

Hình 2.6 Sơ đồ cấu trúc chức năng dẫn động

2.3 Tìm kiếm nguyên tắc làm việc

2

Bảo vệ hệ thống

điện

Chống ngắn mạch

Cầu chì Aptomat Mạch bảo vệ

Chống quá tải điện năng

Chống đảo pha

Mạch chống đảo pha

Contactor Đế tản nhiệt

3

Xác định vị trí sản phẩm

Cảmbiến hồng ngoại

Cảmbiến quang laser

Cảm biến siêu âm

hiển thị

Dừng khẩn cấp Nút bấm cơ Nút bấm cảm ưng Điều khiển

Cơ năng

Trang 20

4 Di chuyển sản phẩm

Chuyển đổi điện - cơ

Động cơ 3 pha

Động cơ xoay chiều 1 pha

Động cơ DC

Dẫn động

Điều khiển tốc độ

Điều khiển bằng xung

Hộp số bánh răng

Truyền động

Truyền động đai

Truyền động xích

Truyền động bánh răng

6 Nhận biết màu sắc sản phẩm

Cảm biến màu sắc

Camera

7 Nhận biết vị trí sản phẩm để phân loại

Cảm biến siêu âm

Cảm biến hồng ngoại

9 Biến đổi điện Bộ chuyển AC ra DC

Bảng 1 Nguyên tắc làm việc cho từng chức năng hệ thống phân loại sản phẩm

Trang 21

2.4 Kết hợp các nguyên tắc làm việc

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

2.5 Lựa chọn các biến thể phù hợp

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 2 có tính khả thi và có thể chọn để thiết kế cụ thể

Biến thể 2

Biến thể 3

Trang 22

3

sản phẩm

Chuyển đổi điện -

Dẫn động

Điều khiển tốc độ

Bảng 2 Điểm đánh giá cho các biến thể

Qua quá trình đánh giá ta thấy biến thể số 2 có số điểm đánh giá cáo nhất và xếp hạng tổng thể tốt nhất Điều đó cơ bản chứng tỏ biến thể 2 được tối ưu tốt nhất đối với các tiêu chí đề ra Biến thể 2 do đó đại diện cho một giải pháp nguyên tắc tốt để bắt đầu giai đoạn thiết kế cụ thể

Trang 23

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CỤ THỂ 3.1 Bắt đầu với giải pháp nguyên tắc và danh sách yêu cầu Cơ khí

- Đảm bảo kích thước theo danh sách yêu cầu - Đảm bảo an toàn, công thái học và tính thẩm mỹ - Chế tạo, lắp ráp chính xác trong dung sai cho phép - Thiết kế đảm bảo cân bằng động khi làm việc - Băng tải hoạt động êm, công suất lớn

Điện

- Động cơ có tuổi thọ lâu dài, hoạt động bền bỉ

- Công nghệ phân loại sản phẩm theo màu sắc có độ chính xác cao

Điện tử

- Bộ điều khiển Arduino chính xác với tốc độ cao - Màn hình hiển thị đầy đủ rõ nét

- Phần mềm đơn giản trực quan

Các yêu cầu ràng buộc khác về hệ thống

- Phân loại được ít nhất 2 màu sắc và từ 200 sản phẩm / phút - Độ chính xác : >99%

- Giá thành: từ 30-40tr

3.2 Thiết kế chi tiết

3.2.1 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

Trang 24

Hình 3.1 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 500V Bảng 3 Thông số kỹ thuật ổn áp Litanda 10KVA 3 pha

3.2.2 Bảo vệ hệ thống điện

a 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 quá trình đóng mở, có thể khôi phục trạng thái đóng cắt mà không mất thời gian thay thế như cầu chì

- Công suất: P=UIcos 

Trang 25

- Công suất tải: P=12KW

- Nguồn sử dụng: U=380V

- Hệ số công suất: Cos = 0.8

=> Dòng tối đa I= P

3UCos = 12.4A Do đó chọn loại Aptomat 3 pha 15V

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

Hình 3.2 EZC100B3015 - Aptomat MCCB 3P 15A 7.5kA Schneider

b 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