ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
NGÀNH: KỸ THUẬT CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI:

Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng
bao tự động

Người hướng dẫn: TS. ĐẶNG PHƯỚC VINH
Giảng viên duyệt: ThS. NGUYỄN ĐẮC LỰC
Sinh viên thực hiện: NGUYỄN TÙNG NGUYÊN
NGUYỄN VĂN TÚ
Số thẻ sinh viên : 101150176
101150192
Lớp: 15CDT1

Đà Nẵng, 2019


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 Tùng Nguyên

đề tài có tính thực tiễn cao và nếu hồn 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 PLC ứng dụng vào công nghiệp.
✓ Nghiên cứu và ứng dụng các phần mềm thiết kế cơ khí và điện ứng dụng vào việc
thiết kế và chế tạo mơ hình có khả năng ứng dụng thực tế.
✓ Xây dựng hệ thống có thể cho phép lựa chọn các thơng số theo yêu cầu thực tiễn
với độ chính xác cho phép.
✓ Ứng dụng các kiến thức đã được 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 được thực hiện:
✓ Số trang thuyết minh: 50-55 trang
i


✓ Số bản vẽ: 5 bản vẽ A0
✓ Mơ hình: 1
4. Kết quả đạt được:
• 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 SolidWorks, nghiên cứu và lập trình xử
lý hệ thống bằng phần mềm TIA Portal.
✓ Lý thuyết về các loại cảm biến lực (loadcell) và tìm hiểu về các mạch
khuếch đại tín hiệu điều khiển loadcell.
✓ Nghiên cứu, tìm hiểu và điều khiển các cơ cấu xy lanh khí nén.
• Phần tính tốn, thiết kế
✓ Thiết kế và chế tạo phần cơ khí.

Lớp

Ngành

1

Nguyễn Tùng Nguyên

101150176

15CDT1

CƠ ĐIỆN TỬ

2

Nguyễn Văn Tú

101150192

15CDT1

CƠ ĐIỆN TỬ

1. Tên đề tài đồ án:
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
2. Các số liệu và dữ liệu ban đầu:
Hệ thống cân và đóng bao hồn tồn tự động, khối lượng mỗi bao đóng gói là 5kg với
sai số nhỏ hơn 5%

LỜI NÓI ĐẦU
Việt Nam ngày càng phát triển và hội nhập quốc tế. Một trong những thay đổi đáng
kể là Việt Nam đã hòa nhập “WTO”, một bước ngoặt quan trọng để nước ta tiếp cận
khoa học công nghệ hiện đại và chúng ta có nhiều cơ hội nắm bắt những thành tựu vĩ
đại của thế giới, đặc biệt là về các thành tựu khoa học kỹ thuật nói chung và ngành CơĐiện tử nói riêng.
Thế hệ trẻ chúng ta khơng tự mình phấn đấu học hỏi thì sẽ sớm lạc hậu và nhanh
chóng thụt lùi. Nhận thức được điều đó “ Trường Đại học Bách khoa Đà Nẵng” đã đưa
ra nhiều chương trình đào tạo sâu rộng từ thấp đến cao nhằm đẩy mạnh chất lượng học
tập của sinh viên nhà trường nói chung và ngành Cơ-Điện tử nói riêng. Đó là việc tăng
cường hơn nữa tổ chức cho sinh viên làm đồ án tốt nghiệp nhằm tạo nền tảng vững chắc
và kinh nghiệm thực tế cho sinh viên sau khi ra trường, nhằm đáp ứng tốt nhu cầu tuyển
dụng việc làm. Chính vì vậy nhóm chúng em chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống
cân và đóng bao tự động” làm đồ án tốt nghiệp.
Dưới sự hướng, dẫn chỉ bảo nhiệt tình của Thầy Đặng Phước Vinh cùng với sự cố
gắng nỗ lực của các thành viên trong nhóm chúng em đã hồn thành xong đồ án của
mình. Tuy nhiên do thời gian và kiến thức cịn hạn chế nên chúng em khơng tránh khỏi
sai sót khi thực hiện đồ án này. Vì vậy chúng em rất mong nhận được nhiều ý kiến đánh
giá, góp ý của các thầy cô giáo cùng bạn bè để đồ án được hoàn thiện hơn.
Chúng em xin chân thành cảm ơn !

iv


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động

CAM ĐOAN

Kính gửi khoa Cơ khí - Trường 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:
•

Nguyễn Văn Tú


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 ............................................................................................................ iv
CAM ĐOAN................................................................................................................. v
MỤC LỤC ................................................................................................................... vi
DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ ................................................................................. viii
DANH SÁCH BẢNG BIỂU ....................................................................................... ix
MỞ ĐẦU ...................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 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 lượng: .......................................................... 3
1.2.2 Một số hệ thống cân định lượng ngoài thực tế: ............................................... 6
1.2.3 Giới thiệu về hệ thống cân đóng bao trong đề tài: .......................................... 8
1.2.4 Giới thiệu các khối cơ bản của hệ thống:....................................................... 8
1.2.5 Nguyên lý hoạt động của hệ thống: ............................................................... 9
1.2.6 Yêu cầu công nghệ của hệ thống: .................................................................. 9
CHƯƠNG 2: TÍNH TỐN THIẾT KẾ PHẦN CƠ KHÍ ........................................ 10
2.1 Thiết kế hệ thống cân ....................................................................................... 10
2.2 Thiết kế hệ thống băng tải. .............................................................................. 11
2.3 Thiết các cơ cấu của hệ thống. ......................................................................... 16


vii


Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động

DANH SÁCH CÁC HÌNH VẼ
Hình 1.1 Sản xuất lúa gạo ở nước ta .............................................................................. 2
Hình 1.2 Hệ thống cân định lượng trong các nhà máy sản xuất ...................................... 3
Hình 1.3 Hệ thống cân đóng bao thực tế ........................................................................ 4
Hình 1.4 Tủ điều khiển ngồi thực tế ............................................................................. 5
Hình 1.5 Mơ hình cân định lượng dùng 1 phiểu cân ở cơng ty Tấn Phát ........................ 6
Hình 1.6 Hệ thống cân băng tải định lượng .................................................................... 7
Hình 1.7 Mơ hình cân định lượng dùng 3 phễu cân ở công ty Tân Phát ......................... 7
Hình 1.8 Các khối cơ bản của hệ thống .......................................................................... 8
Hình 2.1 Hệ thống cân và đóng bao tự động ................................................................ 10
Hình 2.2 Băng tải đưa sản phẩm ra ngồi..................................................................... 11
Hình 2.3 Động cơ DC sử dụng trong đồ án .................................................................. 15
Hình 2.4 Cấu tạo cơ cấu phễu cân ................................................................................ 16
Hình 2.5 Cơ cấu kẹp bao.............................................................................................. 17
Hình 2.6 Mơ hình cơ cấu cấp bao ................................................................................ 18
Hình 2.7 Xy lanh khí nén ............................................................................................. 20
Hình 2.8 Cấu tạo của xy lanh ....................................................................................... 21
Hình 2.9 Hình ảnh van diện từ 5/2 ............................................................................... 21
Hình 2.10 Sơ đồ cửa của van 5/2 ................................................................................. 22
Hình 2.11 Hình ảnh bộ tạo chân khơng trong thực tế ................................................... 22
Hình 2.12 Nguyên lý bộ tạo chân khơng ...................................................................... 22
Hình 2.13 Hình ảnh tổng thể của mơ hình .................................................................... 23
Hình 2.14 Tủ điện điều khiển....................................................................................... 24
Hình 2.15 Băng tải đưa sản phẩm ra ngồi ................................................................... 24

Bảng 2.2 Góc mái một số dạng vật liệu khi vận chuyển ............................................... 17
Bảng 2.3 Hệ số độ dốc băng tải.................................................................................... 18
Bảng 3.1 Đặc tính của các dịng PLC S7-1200............................................................. 33
Bảng 3.2 Thơng số kỹ thuật của cảm biến tiện cận ....................................................... 43

ix


MỞ ĐẦU

Hiện nay khoa học kỹ thuật đang được phát triển mạnh mẽ, được ứng dụng vào
nhiều ngành nghề, lĩnh vực. Việt Nam là một đất nước có nền nơng nghiệp phát triển do
đó việc áp dụng các loại máy móc, thiết bị tự động hiện đại đang dần được đưa vào thay
thế cho việc lao động thuần chân tay trong nông nghiệp đã giúp năng xuất và chấy lượng
sản phẩm nâng lên đáng kể. Sau khi đi tham quan một số nhà máy ở địa phương nhóm
tác giả đã chọn đề tài “Thiết kế và chế tạo hệ thống cân và đóng bao tự động”. Với ý
tưởng giúp các hệ thống dây chuyền sản xuất tự động có năng suất và chất lượng 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 mơ hình cân và đóng bao tự động
với độ sai số nằm trong khoảng cho phép. Thuyết minh có cấu trúc như sau:
Chương 1 Giới thiệu tổng quan về hệ thống.
Chương 2 Trình bày phần tính tốn và thiết kế cơ khí.
Chương 3 Tính tốn và thiết kế hệ thống điểu khiển.
Chương 4 Kết luận.

SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh



GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

2


Sau khi tìm hiểu và tham quan một số nhà máy nhóm tác giả nhận thấy rằng khâu cân
định lượng có vai trị rất quan trọng trong các nhà máy sản xuất nơng sản, chính vì vậy
nhóm tác giả xuất hiện một ý tưởng chế tạo một hệ thống cân định lượng giúp các nhà
máy có thể giải quyết khâu định lượng một cách thuận tiện hơn giảm thiểu nhân cơng
cho khâu này và đạt năng suất cao hơn. Góp phần đóng góp vào tiến bộ khoa học kỹ
thuật và phát triển nơng nghiệp nước nhà.

Hình 1.2 Hệ thống cân định lượng 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 lượng 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 lượng
nguyên liệu cần thiết cho nhà máy hoặc đóng gói sản phẩm, lượng nguyên liệu này đã
được người lập trình cài đặt trước đó. Hệ thống cân định lượng phải gồm q trình hoạt
động hồn tất của cân định lượng điện tử và hệ thống xử lý dữ liệu có thể hiển thị khối
lượng cân mong muốn lên các loại màn hình để dễ dàng điều khiển và giám sát hệ thống.
Phương pháp cân định lượng: Hệ thống định lượng với cảm biến tải trọng sẽ được đặt
dưới của bồn chứa nguyên liệu. Trước khi nguyên liệu được đưa xuống hệ thống cân thì
SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

3


kế riêng tùy theo nhu cầu. Hệ thống điều khiển phần mềm nhận tín hiệu từ cảm biến
khối lượng sau đó xử lí tín hiệu bằng PLC hoặc Vi điều khiển, tùy vào người 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 PLC và hiển
thị lên màn hình LCD do một số nguyên nhân khác nhau cũng như do kinh phí cịn hạn
hẹp.

Hình 1.4 Tủ điều khiển ngồi thực tế
Ngồi ra việc lựa chọn loại cảm biến và số lượng cảm biến cũng như các nguyên tắc lắp
đặt thiết bị phụ thuộc vào đặc điểm và nhu cầu sử dụng của chủ đầu tư. Tuy nhiên hệ
thống cân định lượng phải đảm bảo về độ tin cậy hoạt động, tuân thủ mọi yêu cầu về
chức năng cũng như độ chính xác của cân.

SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

5


1.2.2 Một số hệ thống cân định lượng ngoài thực tế
Sau đây là một số hệ thống cân định lượng ngồi thực tế:

Hình 1.5 Mơ hình cân định lượng dùng 1 phễu cân ở công ty Tấn Phát, Hà Nội

SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh


hiện các quá trình của hệ thống.
- Khối cảm biến là 2 cảm biến loadcell dùng để đo khối lượng gạo trong cân sau đó
truyền giữ liệu cho về cho khối khuếch đại, ngồi ra cịn có các cảm biến hồng ngoại để
xác định vị trí.
- Khối khuếch đại có nhiệm vụ nhận giữ liệu từ khối cảm biến, khuếch đại tín hiệu lên
và chuyển đổi để PLC có thể nhận được và xử lí.
- Khối xử lí có nhiệm vụ nhận dữ liệu từ khối khuếch đại và đưa tín hiệu điều khiển về
khối cơ cấu chấp hành để đóng mở xy lanh.
SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

8


- Khối hiển thị hiển thị khối lượng gạo ở phễu cân.
- Cơ cấu chấp hành nhận tín hiệu điều khiển và thực thiện các thao tác của hệ thống.
- Khối giao tiếp với máy tính có nhiệm vụ truyền nhận dữ liệu với PLC, mơ phỏng màn
hình giao diện HMI nhằm cung cấp các thông tin cũng như các tùy chỉnh hệ thống từ
người vận hành.
1.2.5 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 đã định ban đầu.
- Cơ cấu cấp bao tự động bắt đầu hoạt động để mở bao đưa bao vào đúng vị trí. Đồng
thời PLC điều khiển để mở phễu để gạo từ phễu chứa ở trên đưa gạo xuống hệ thống
phễu cân ở dưới, cùng lúc đó 2 cảm biến khối lượng sẽ có nhiệm vụ đo khối lượng gạo
ở trong hệ thống cân và đưa về tín hiệu cho bộ khuếch đại.
- PLC nhận tín hiệu analog từ bộ khuếch đại kiểm tra xem đã đạt đủ khối lượng mong
muốn chưa, nếu đã đủ khối lượng mong muốn, PLC sẽ đưa tín hiệu điều khiển để điều
khiển xy lanh phễu trên đóng lại, đồng thời mở cho phễu ở dưới để đưa gạo vào bao.

7
6
2
10
3
8

5
4

Hình 2.1 Hệ thống cân và đóng bao tự động
1: Phễu chứa gạo ban đầu
6: Cơ cấu đóng mở phễu chứa gạo
2: Load cell
7: Tủ điện
3: Cơ cấu phễu cân
4: Cơ cấu kẹp bao
5: Cơ cấu đóng mở phễu cân
Hệ thống có cấu tạo gồm:

8: Cơ cấu cấp bao tự động
9: Xy lanh đẩy cơ cấu đưa bao
10: Cơ cấu đưa bao

• Một phễu chứa gạo được thiết kế trên cao nhất, có đủ khoảng trống để chứa
gạo. Hệ thống phần khung phễu trên được kết hợp với cơ cấu đóng mở phễu

SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

11


Vận tốc băng tải thường được tính tốn nhằm đạt được lưu lượng vận chuyển theo
yêu cầu cho trước. Lưu lượng vận chuyển của một băng tải có thể được xác định qua
cơng thức:
Qt = 60A.V.γ.s
Trong đó, - Qt: Lưu lượng vận chuyển (tấn/giờ)

(1)

- A: Diện tích mặt cắt ngang dịng vận chuyển (m2)
- γ: Khối lượng riêng tính tốn của khối vật liệu (tấn/ m3)
- V: Vận tốc băng tải (m/phút)
- s: Hệ số ảnh hưởng của góc nghiêng (độ dốc) của băng tải
Từ đó, có thể tính được vận tốc băng tải theo công thức sau:
𝑄𝑡
𝑉=
(m/phút)
60.𝐴.𝛾.𝑠
Các đại lượng trong cơng thức tính vận tốc được xác định như dưới đây.
a. Diện tích mặt cắt ngang dịng vận chuyển
Diện tích mặt cắt ngang dịng vận chuyển có thể được xác định như sau:
A = K.(0,9B - 0,05)2
Với - A: Diện tích mặt cắt ngang dịng vận chuyển (m2)
- K: Hệ số tính tốn (hệ số K được cho trong bảng 2.1)
- B: Độ rộng băng tải (m)
Dựa theo công thức trên ta tính được giá trị A = 0,00278 m2

0,1106

0,1408

20
25

0,0963
0,1113

0,1245
0,1381

0,1538
0,1661

30
35

0,1232
0,1348

0,1488
0,1588

0,1754
0,1837

40


Máng, 3 con lăn

SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

12


b. Góc mái
Góc mái của một đống vật phẩm là góc hình thành giữa đường nằm ngang và mái dốc
của đống vật phẩm. Các giá trị thông thường cho trong bảng 2.2.
Bảng 2.2 Góc mái một số dạng vật liệu khi vận chuyển
Góc mái (độ)

Dạng vật liệu

10

Vật liệu mịn, khơ.
Các vật liệu hạt (than, sỏi, quặng…) có thể vận chuyển bằng các

20

dụng cụ thông thường.
Các vật liệu hạt lớn hoặc được cấp lên băng bằng các dụng cụ đặc

30

biệt, đảm bảo tính đồng nhất của khối.

6

0,98

23

0,73

8

0,97

24

0,71

10

0,95

25

0,68

12

0,93

26


30

0,56

Từ bảng trên ta chọn hệ số s =1
Từ các giá trị trên ta tính được vận tốc băng tải V= 4,5 m/phút = 7,5 cm/s
d. Tính tốn cơng suất truyền dẫn băng tải
Cơng suất làm quay trục con lăn kéo băng tải được tính theo cơng thức sau:
P = P1 + P2
Trong đó P1 là công suất cần thiết để dịch chuyển vật liệu.
P2 là công suất cần thiết để khắc phục tổn thất do ma sát tồn tại trong các ổ
đỡ, ma sát giữa băng tải và con lăn khi băng tải không chạy.
SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

13


* Lực cần thiết để vận chuyển vật liệu
F1 = L. 𝜎.K1.g.cos𝛽

( với 𝛽 = 0 do băng tải là băng tải ngang )

Trong đó
𝛽

là góc nghiêng của băng tải

L


 𝑃đ𝑐 = 1,5.
Trong đó:

0,5

𝜂

= 3,525 W

k3

hệ số dự trữ về cơng suất

𝜂 Hiệu suất truyền động
Từ đó ta chọn động cơ 550 với cơng suất 10W có sử dụng hộp giảm tốc

SVTH: Nguyễn Tùng Nguyên-Nguyễn Văn Tú

GVHD: TS. Đặng Phước Vinh

14


Hình 2.3 Động cơ DC sử dụng trong đồ án
Thơng số động cơ:
- Điện áp định mức: 24VDC
- Dòng điện khơng tải: 1.5A
- Tốc độ khi khơng tải 30 vịng/phút
- Điện áp hoạt động ổn định: 24VDC