Luận án Phát triển hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi

i khỏi thân trái ớt. Đây là yêu cầu cơ bản quan trọng nhất của quá trình chế biến tách cuống. · Năng suất tính toán: thiết kế hệ thống được lắp ghép bởi nhiều mô đun song song với nhau cho năng suất tổng thể lớn. Khi cần giảm quy mô năng suất, có thể cắt giảm hoạt động của một số mô đun tương ứng. Năng suất tính toán cho mỗi mô đun dùng để thí nghiệm trong luận án này được giới hạn ở mức 10 kg/giờ. Sơ đồ nguyên lý hoạt động của một mô đun trong hệ thống tự động tách cuống trái ớt tươi được đề xuất như trình bày ở Hình 3.6 và Hình 3.8. Tiếp theo là nguyên lý hoạt động của cụm phân loại ớt được mô tả như ở Hình 3.7 và Hình 3.9. Hình 3.6: Nguyên lý hoạt động cụm tự động tách cuống Toàn bộ hệ thống được đề xuất bao gồm các cụm chức năng như sau: - Cụm cấp ớt được bố trí ở vị trí đầu tiên của hệ thống với nhiệm vụ nhận nguyên liệu ớt ở trạng thái cụm từ trong phễu và tách rời cụm ớt để cấp nguyên liệu ở dạng từng trái một cho cụm sắp xếp ở phía sau. Các tấm gạt mỏng đàn hồi được bố trí ở hai bên vách để gạt những trái ớt nằm bên trên băng tải rơi vào rãnh và một cơ cấu rung được thiết kế để giúp trái ớt dễ rơi vào rãnh hơn. - Cụm sắp xếp ớt nằm ở giữa như thể hiện ở Hình 3.6. Cụm này được bố trí ở sau cụm cấp ớt, có nhiệm vụ sắp xếp sao cho cuống của trái ớt được đưa ra ngoài băng tải một khoảng cách 25 ÷ 35 mm để sẵn sàng được tách rời. Phía trên của cụm là mô đun sắp xếp ớt sử dụng cảm biến màu TCS3200 để phát hiện đối tượng thân trái ớt để gạt đưa cuống ra bên ngoài băng tải. 45 Hình 3.7: Nguyên lý hoạt động của cụm phân loại ớt - Cụm tách cuống được bố trí ngay sau cụm sắp xếp. Cụm này có nhiệm vụ kẹp giữ phần thân để tiếp tục di chuyển trên băng tải theo phương ngang, trong khi dây đai và bánh đỡ thực hiện kẹp và di chuyển cuống về phía dưới đến khi nó tách ra khỏi phần thân đang di chuyển phía trên băng tải. Hình 3.8: Mô hình cụm sắp xếp và tách cuống - Cụm phân loại ớt bệnh và ớt nứt được thiết kế để nâng cao chất lượng thành phẩm sau khi tách cuống và được mô tả như ở Hình 3.9. Cụm này là cum độc lập, được bố trí ở cuối cùng của hệ thống với nhiệm vụ loại bỏ những trái ớt bị hư hỏng do bệnh và bị nứt trong quá trình tách cuống. Một cơ cấu đảo trái ớt có dạng bánh răng phối hợp 46 với dây đai sẽ giữ trái ớt trong rãnh và xoay 180º để đưa phần phía dưới của trái ớt lên phía trên. Cơ cấu này giúp khắc phục hạn chế của máy quay phim do chỉ quay được ở một phía của trái ớt, nhờ đó toàn bộ thân trái ớt sẽ được kiểm tra. Hình 3.9: Mô hình cụm phân loại ớt 3.4 Xác định kích thước và trọng lượng trung bình của trái ớt tươi 3.4.1 Xác định kích thước Đối tượng nghiên cứu chính của luận án này là trái ớt tươi cần được tách cuống. Vì vậy các kích thước cơ bản của trái ớt cần được đo đạc để làm cơ sở cho các tính toán tiếp theo. Các kích thước cơ bản của trái ớt được trình bày trong Hình 3.10. Các thông số này bao gồm: chiều dài phần thân trái ớt lth, chiều dài phần cuống ls, chiều dài toàn bộ trái ớt lf, đường kính cuống tại vị trí cách thân 10 mm ds, đường kính thân df và độ cong toàn phần của trái ớt dco. Hình 3.10: Các kích thước cơ bản của trái ớt 47 Hình 3.11: Mẫu trái ớt được chọn để đo kích thước Để tiến hành đo kích thước trung bình của trái ớt, mỗi giống ớt CP4, CP1, và MTen được chọn ra 150 trái, thu hoạch vào giai đoạn đầu của vụ mùa thu hoạch. Các trái ớt dị dạng, bệnh, hư hỏng, nứt, dập, gãy vỡ thân, được loại bỏ. Trái phải có màu sắc trên thân vừa chuyển hết sang màu đỏ; không chọn trái chưa chín, dị dạng, có dấu hiệu bệnh hoặc hư hỏng. Hình ảnh mô tả những trái ớt được lựa chọn để đo kích thước được trình bày ở Hình 3.11. Bảng 3.1: Thông số kích thước trung bình của trái ớt Giống ớt (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) (mm) CP1 51,5 ± 4,1 28,5 ± 2,4 80,0 ± 6,5 2,1 ± 0,3 8,5 ± 1,0 12,2 ± 4,2 CP4 52,0 ± 4,0 30,3 ± 2,1 82,3 ± 6,1 2,0 ± 0,3 8,7 ± 0,9 12,1 ± 4,3 MTen 49,2 ± 4,1 29,5 ± 2,0 78,7 ± 6,1 2,1 ± 0,3 8,3 ± 0,9 11,5 ± 5,1 Hình 3.12: Xác định kích thước trái ớt tươi 48 Cách thức đo các kích thước độ dài và đường kính được trình bày trong Hình 3.12a- d. Dụng cụ đo được sử dụng là thước kẹp với độ phân giải 0,05 mm. Riêng đối với phép đo độ cong toàn phần thì dụng cụ đo được sử dụng là thước lá với độ phân giải là 1 mm. Như mô tả ở Hình 3.12e, một thước lá được đặt làm chuẩn theo phương ngang và trái ớt được đặt áp sát, trùng với cạnh của thước lá thứ nhất này. Trong khi thước lá thứ hai được đặt vuông góc với cái thứ nhất sao cho vạch 0 của nó trùng với cạnh của thước lá thứ nhất. Kết quả độ cong toàn phần được đọc ở vị trí cao nhất của trái ớt trên thước lá thứ hai. Kết quả đo được tính trung bình với sai số chuẩn bởi công cụ có sẵn trên MS Excel và trình bày ở Bảng 3.1. 3.4.2 Xác định trọng lượng Do trọng lượng của trái ớt khá nhỏ nên phương pháp tính trọng lượng được thực hiện là lấy mẫu ớt gồm 500 trái ớt tươi để cân tổng trọng lượng và tính trung bình trên nhóm ớt. Kết quả được trình bày trong Bảng 3.2. Bảng 3.2: Trọng lượng trung bình của trái ớt tươi Giống ớt Tổng trọng lượng của 500 trái ớt (g) Tổng số trái ớt Trọng lượng trung bình mỗi trái ớt (g) Số trái ớt trung bình có trong 1 kg CP1 975 500 975/500 = 1,95 1.000/1,95 = 513 CP4 1.054 500 1.054/500 = 2,11 1.000/2,11 = 474 MTen 926 500 926/500 = 1,85 1.000/1,85 = 541 3.5 Mô hình dự đoán lực tách cuống cần thiết Lực tách cuống cần thiết F là lực tối thiểu cần phải tạo ra để có thể tách rời hoàn toàn phần cuống khỏi thân trái ớt. Lực này phụ thuộc vào độ dòn, độ dẻo của ớt sau thu hoạch, đồng thời cũng chịu tác động của quá trình chín và mất nước sau thu hoạch. Nội dung này trình bày về phương pháp xây dựng mô hình toán thực nghiệm để dự đoán lực tách cuống trái ớt tươi đối với 3 giống ớt phổ biến ở ĐBSCL. Kết quả này được dùng làm cơ sở cho các tính toán ở những nội dung tiếp theo. 3.5.1 Nguyên liệu trái ớt tươi Ba giống ớt phổ biến nhất ở khu vực ĐBSCL được nghiên cứu là CP4, CP1 ở Đồng Tháp; Mten ở An Giang. Thời điểm thu hoạch trái để thí nghiệm đo lực ở độ chín thu hoạch của từng loại ớt, dựa theo kinh nghiệm của nhà nông. Trái ớt sau thu hoạch được bảo quản trong bao nylon trong điều kiện tự nhiên ở nhà xưởng, nhiệt độ dao động từ 25 ÷ 30°C. Mẫu ớt thí nghiệm được chia làm 2 nhóm: - Nhóm I: mẫu ớt dùng để xác định lực tách cuống. Kết quả thu được sẽ làm dữ liệu để xây dựng mô hình toán thực nghiệm. - Nhóm II: mẫu ớt được thu hoạch ở vụ mùa kế tiếp sau nhóm I. Được sử dụng để kiểm chứng mô hình toán dự đoán lực tách cuống ớt đã được xây dựng. 49 3.5.2 Ước lượng số mẫu cần thiết Trong trường hợp này, quy mô tổng thể chưa biết nên kích thước mẫu được lựa chọn như sau [137]: ( ) a ´ -æ ö = ´ç ÷ è ø 2 2 2 1 s p p n Z e (3.1) Trong đó: ns là số mẫu cần thiết; Zα/2 là giá trị tra bảng phân phối Z dựa vào độ tin cậy lựa chọn; p là tỷ lệ ước lượng cỡ mẫu n thành công; e là sai số cho phép. Trong thí nghiệm này, độ tin cậy được lựa chọn là 95%, vì vậy các hệ số Z tra được là 1,96. Tỷ lệ ước lượng cỡ mẫu thành công p = 0,95. Sai số cho phép là 5%, vì vậy e = 0,05. Số lượng mẫu cần thiết đối với mỗi giống ớt là: ( ) ( ), , , , ´ -æ ö = ´ »ç ÷ è ø 2 2 0 95 1 0 95 1 96 73 0 05s n mẫu Để dự trữ và đảm bảo đủ mẫu, số lượng mẫu được lựa chọn nhiều hơn cần thiết 10%. Vì vậy với mỗi giống ớt sẽ có 81 mẫu được chọn và tổng cộng là 243 mẫu cho cả 3 giống ớt. 3.5.3 Thí nghiệm xác định lực tách cuống cần thiết Hình 3.13: Nguyên lý đo lực tách cuống cần thiết Lực tách cuống cần thiết được xác định ở thời điểm 0, 2, 4, 6, 8, , 120 giờ; kể từ lúc được thu hoạch (0 giờ). Có 61 mẫu nhóm I và 20 mẫu nhóm II, mỗi mẫu có 20 trái ớt được bảo quản cùng nhau. Đến thời điểm thí nghiệm, mẫu tương ứng được lấy ra và 15 trái được chọn trong nhóm 20 trái của mẫu để thực hiện đo lực. Số lượng trái ớt được bảo quản của mỗi mẫu được chọn nhiều hơn số lượng cần thiết là 5 trái với mục đích là để dự phòng các trường hợp hư hỏng xảy ra trong quá trình bảo quản. 50 Mô hình xác định lực tách cuống cần thiết F được mô tả ở Hình 3.13. Lực kế có giá trị đo tối đa là 10,0 N, độ phân giải 0,2 N; được treo cố định; phía dưới có gắn bộ phận kẹp cuống trái ớt. Đế có rãnh chữ V để định vị trái ớt khi đo, gắn với trụ trượt dẫn hướng giúp cơ cấu chuyển động theo phương thẳng đứng. Tấm đè tạo lực kẹp chặt Fkc có bề mặt cao su để giữ chặt, tránh gây hư hỏng trái ớt khi đo. Hình 3.14: Trình tự xác định lực tách cuống cần thiết của 1 trái ớt Trình tự tiến hành xác định lực tách cuống cần thiết diễn ra theo sơ đồ ở Hình 3.14. Kết quả lực tách cần thiết được ghi nhận cho 1 thí nghiệm là giá trị lực trung bình đo được trên 15 trái ớt/mẫu. Trong quá trình đo, bỏ qua ảnh hưởng của độ cong cuống trái ớt và tác dụng của trọng lực; các tác động này được bù vào sự hiệu chỉnh lực kế về vị trí 0. 3.5.4 Xây dựng mô hình toán Mô hình toán dùng để dự đoán lực tách cuống trái ớt tươi là một hàm số thay đổi theo thời gian bảo quản trái ớt sau thu hoạch, có dạng: ( )=F f t (3.2) Trong đó: F là giá trị lực tách cuống trái ớt tươi (N); t là thời gian bảo quản (giờ). Kết quả nghiên cứu ban đầu cho thấy: lực tách cuống trái ớt tươi thay đổi theo thời gian bảo quản sau thu hoạch, có ảnh hưởng của quá trình tăng trưởng sinh học và chín sau thu hoạch. Sự biến thiên của lực tách khá phức tạp, có thể đạt giá tr ị cực đại, cực tiểu (nhưng không giảm về 0) trong khoảng thời gian bảo quản. 1. Chọn 15/20 trái ớt 2. Đặt trái ớt vào đế chữ V của bộ phận đo ở vị trí nằm ngang 3. Tạo lực kẹp chặt Fkc giữ trái ớt trên máng V 4. Kẹp đầu di động của lực kế vào đúng vị trí cuống trái ớt cách đài ớt 15 mm 5. Hiệu chỉnh lực kế về vị trí 0 6. Tạo lực kéo F tăng dần ở thanh trượt về phía dưới đến khi cuống ớt bị tách khỏi thân trái 7. Đọc và ghi kết quả giá trị lực tách cuống trên lực kế 51 Bảng 3.3: Một số mô hình được đề xuất STT Mô hình Phương trình Tính phù hợp Lý do 1 Hàm bậc 2 = + + Không Biến thiên ở hai biên tiến nhanh về ± ¥. 2 Hàm bậc 3 = + + + Kém Hàm chỉ có tối đa 2 điểm cực trị. 3 Hàm bậc 4 = + + + + Phù hợp Hàm có tối đa 3 điểm cực trị. 4 Hàm Gaussian = () Kém Đồ thị hình quả chuông, hai tiệm cận biên tiến về 0. 5 Hàm Gausian hiệu chỉnh tuyến tính = () + ( − 48) Phù hợp Đồ thị hình quả chuông, có điểm cực đại. Lượng hiệu chỉnh tuyến tính d(t-48) đưa tiệm cận biên phải của hàm Gaussian tiến về giá trị > 0. Các dạng mô hình toán được đề xuất, phân tích và đánh giá ưu nhược điểm, sự phù hợp, tính đáp ứng cho nghiên cứu xây dựng mô hình thực nghiệm như trong Bảng 3.3 [138]. Trong đó, các mô hình toán hàm bậc 2, bậc 3 và hàm Gaussian chưa biểu diễn được sự biến thiên của lực tách một cách chính xác. Vì thế, mô hình toán hàm bậc 4 và mô hình hàm Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính được lựa chọn trong nghiên cứu này. Hình 3.15: Giải mô hình Pol4 cho giống ớt CP1 bằng CFTool Để tiến hành giải bài toán, phương pháp hồi quy phi tuyến bình phương tối thiểu được sử dụng để giải mô hình hồi quy, với sự hỗ trợ của ứng dụng Curve Fitting Tool 52 (CFTool) trong phần mềm Matlab. Các hệ số của đa thức tìm được bằng thuật toán tối ưu Levenberg-Marquardt [139]. Hình 3.16: Thiết lập thông số giải mô hình cho giống ớt CP1 Các dữ liệu đo lực tách cuống cần thiết được đưa vào phần mềm Matlab dưới dạng ma trận. Sau đó công cụ CFTool được khởi động và mô hình toán có dạng đa thức bậc 4 được thiết lập như ở Hình 3.15. Phương pháp hồi quy bình phương tối thiểu và các thông số điều kiện giới hạn của thuật toán Levenberg-Marquardt được thiết lập theo chế độ mặc định. Đối với mô hình Pol4 và Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính, các thông số này lần lượt được mô tả trong Hình 3.16a và Hình 3.16b. Mô hình Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính là mô hình mới được đề xuất với sự bổ sung lượng hiệu chỉnh tuyến tính. Vì vậy cần phải tiến hành thiết lập thủ công và kết quả như mô tả ở Hình 3.17. Sau khi đã định nghĩa được dạng phương trình, ta tiến hành chọn dữ liệu hàng (X data), dữ liệu cột (Y data) tương ứng với giống ớt cần dự đoán và chọn “Fit” để thực hiện giải bài toán. Cũng giống như mô hình Pol4, các thông số điều kiện tối ưu và phương pháp hồi quy cũng cần được thiết lập cho mô hình Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính như Hình 3.16b. Giá trị trả về từ công cụ CFTool khi giải cả hai mô hình Pol4, Gaussian hiệu chỉnh tuyến tính với 3 giống ớt CP1, CP4, MTen được ghi nhận lại để phân tích, đánh giá và lựa chọn mô hình phù hợp nhất. Các kết quả và thảo luận chi tiết này sẽ được trình bày ở Chương 4. 53 Hình 3.17: Giải mô hình Gaussian hiệu chỉnh cho giống CP1 bằng CFTool 3.6 Xác định áp suất phá hủy cuống Hình 3.18: Xác định áp suất phá hủy cuống ớt Áp suất phá hủy cuống ớt P là áp suất tối thiểu mà tại đó cuống ớt có thể bị phá hủy làm 2 phần. Một phần còn dính trên thân trái ớt và một phần tách rời khỏi phần còn lại như mô tả ở Hình 3.18c. Quá trình xác định áp suất phá hủy cuống ớt được trình bày ở Hình 3.18a. Một tấm ép có bề rộng w = 2 mm được sử dụng để tác dụng một lực Fm lên cuống ớt với đường kính ds. Trong khi lực Fm được gia tăng dần thì đầu cuống luôn được kéo bởi một lực dọc theo cuống với độ lớn bằng với lực tách cuống cần thiết F. Trong thực nghiệm đo áp suất phá hủy, cuống ớt được đặt trực tiếp trên cảm biến lực như mô tả ở Hình 3.18b. Giá trị lực Fm được ghi lại tại thời điểm cuống bị phá hủy. Thực nghiệm được đo trên 150 trái ớt, và áp suất phá hủy trung bình P (N/mm2) được tính như sau: 54 = ´ m s F P d w (3.3) Bảng 3.4: Kết quả xác định áp suất phá hủy cuống ớt Số lần đo (N) (mm) (N/mm2) (N/mm2) (N/mm2) 150 524,67 ± 25,03 2,04 ± 0.08 128,81 ± 8,28 148,33 109,09 Kết quả xác định áp suất phá hủy cuống ớt được trình bày trong Bảng 3.4. Và giá trị trung bình tính được là P = 128,81 ± 8,28 (N/mm2). Các kết quả chi tiết của từng lần đo được trình bày ở Phụ lục 1. 3.7 Tính toán cụm sắp xếp ớt 3.7.1 Nguyên lý hoạt động của cụm sắp xếp Vị trí của mô đun này trong hệ thống được mô tả trong Hình 3.6 và Hình 3.8. Thiết kế chi tiết của mô đun sắp xếp này được thực hiện chế tạo và mô tả ở Hình 3.19. Trong đó, cảm biến màu TCS3200 là một thành phần quan trọng không thể thiếu và nguyên lý hoạt động chung của mô đun này được thể hiện trong Hình 3.20. Do yêu cầu che chắn ánh sáng, mô hình được chế tạo hoàn toàn bằng màu đen, vì vậy kết cấu bên trong được chụp ở trạng thái mở các nắp che và trình bày ở Hình 3.19a. Hướng nhìn từ bên ngoài được trình bày ở Hình 3.19b. Hình 3.19: Mô hình cụm sắp xếp Cảm biến màu TCS3200 được đặt trong buồng kín tối màu để đọc giá trị cường độ màu đỏ gây ra bởi thân trái ớt khi nó chạy qua bên dưới cảm biến với tốc độ tịnh tiến là v (mm/s). Ở một độ cao xác định h (mm) giữa cảm biến màu và mặt phẳng băng tải chứa trái ớt thì giá trị màu ghi nhận trên cảm biến được so sánh với ngưỡng. Lưu đồ điều khiển được trình bày ở Hình 3.21. Nếu đạt đủ điều kiện cường độ thì bộ điều khiển sẽ xuất tín hiệu điều khiển động cơ bước tiến hành gạt trái ớt để đưa cuống ra bên ngoài băng tải. Trước khi gạt, động cơ được thiết lập chờ với một khoảng thời gian tương ứng tc tương ứng với quãng đường từ cảm biến đến vị trí gạt tính theo phương chuyển động của băng tải. Thời gian tc này được tính bằng: =ct l v (3.4) Trong đó: tc là khoảng thời gian chờ (s); l là khoảng cách từ cảm biến đến vị trí gạt (mm); 55 v là vận tốc chuyển động tịnh tiến của băng tải (mm/s). Hình 3.20: Nguyên lý ho ạt động mô đun sắp xếp ớt Để giảm tác động của các nguồn sáng bên ngoài, toàn bộ thân của hộp được phủ màu đen như ở Hình 3.19b, và các vị trí trái ớt vào/ra cũng được thiết kế giảm kích thước đến mức tối thiểu cho phép. Động cơ gạt và cảm biến màu được đặt bên trong buồng và hướng quan sát nhìn từ trong được thể hiện ở Hình 3.19a. Mặc dù cảm biến có đèn LED để tự chiếu sáng nhưng một nguồn sáng bổ sung cũng được thêm vào để ổn định khả năng tự chiếu sáng. Hình 3.21: Lưu đồ điều khiển mô đun sắp xếp ớt Để sử dụng tối ưu cảm biến TCS3200, độ cao lắp đặt cảm biến và tốc độ chạy của băng tải được khảo sát để tìm ra giá trị phù hợp nhất. 56 3.7.2 Ảnh hưởng của độ cao lắp đặt cảm biến TCS3200 Mục tiêu của khảo sát này là tìm ra được độ cao lắp đặt cảm biến tối ưu sao cho sự phân biệt giữa trạng thái có và không có trái ớt là rõ rệt nhất. Sự thay đổi của độ cao có đồng thời hai tác dụng. Thứ nhất, độ cao càng lớn thì vùng hiệu dụng của cảm biến sẽ tăng, tương ứng với thời gian nhận tín hiệu màu và cường độ tín hiệu thu về sẽ tăng. Thứ hai, khi độ cao tăng lên thì quãng đường truyền tín hiệu từ đối tượng đến cảm biến sẽ tăng tương ứng, điều này lại làm giảm cường độ tín hiệu. Xuất phát từ thông số cơ bản trích ra từ bảng thông số của nhà sản xuất cảm biến thì độ cao lắp đặt h được khuyên là nên nằm trong khoảng giá tr ị 1 ÷ 25 mm [140]. Đối với vật thể là trái ớt có kích thước tương đối nhỏ, vì vậy để có thể đánh giá đầy đủ hơn, độ cao khảo sát được mở rộng đến 40 mm, bao gồm các mức giá trị: 15, 20, 25, 30 và 40 mm. Kênh màu được khảo sát là kênh màu xanh và màu đỏ tương ứng với màu xanh của cuống và màu đỏ của thân trái ớt. Giá trị trả về từ cảm biến là tần số có dạng sóng vuông (50% chu kỳ) tỷ lệ thuận với cường độ của nguồn sáng đầu vào và được tính toán như sau [141]: = + ´0 D e ef f R E (3.5) Trong đó: f0 là tần số thu nhận từ cảm biến (Hz): fD là tần số hấp thụ của cảm biến đối với vật tối (Hz); Re là đáp ứng của cảm biến đối với bước sóng cụ thể (Hz/(mW/cm2)); Ee là cường độ hấp thụ bức xạ (mW/cm2). Tần số tín hiệu được vi điều khiển ghi nhận bằng hàm Pulsein và chuyển từ giá trị tần số f (Hz) thành giá trị chu kỳ T (s). Để phân tích ảnh hưởng của độ cao đặt cảm biến, các trái ớt thí nghiệm được lựa chọn còn nguyên cuống, có hình dạng thon, thẳng, đường kính 9 ± 0,5 mm, chiều dài 80 ± 3 mm. 3.7.3 Ảnh hưởng của vận tốc băng tải Mục tiêu của khảo sát này là tìm được tốc độ dịch chuyển tối đa của băng tải mà tại đó sự phân biệt giữa tín hiệu đầu vào khi có và không có trái ớt vẫn còn rõ rệt. Cường độ tín hiệu trả về của cảm biến chịu ảnh hưởng bởi thời gian phơi sáng của đối tượng trong vùng hiệu quả của cảm biến. Tốc độ di chuyển càng nhanh thì thời gian phơi sáng càng ngắn và cường độ tín hiệu sẽ càng yếu. Ớt được cho vào máng và chạy qua bên dưới cảm biến với độ cao xác định trước. Các đèn trợ sáng được thiết lập với mức độ sáng cố định. Kết quả trả về của cảm biến khi đọc kênh màu xanh và màu đỏ ở các độ cao đặt cảm biến khác nhau với vận tốc 100 mm/s được ghi nhận lại để đánh giá, phân tích và xác định độ cao lắp đặt phù hợp nhất. Để phân tích ảnh hưởng của vận tốc chạy đến khả năng làm việc của cảm biến. Từng loạt chạy (mỗi loạt 10 trái ớt) được thực hiện ở các vận tốc khác nhau như sau: 10, 20, 30, 40, 50, 60, 80, 100, 120, 140, 160 và 180 mm/s. Độ cao cảm biến được thiết lập là 25 mm. Tín hiệu được ghi nhận lại để phân tích và đánh giá tốc độ tối đa cho phép. 57 Hình 3.22: Nguyên lý tách cuống sử dụng dây đai và bánh đỡ 3.8 Kiểm soát lực tách cuống Trong những nghiên cứu trước đây, nguyên lý tách cuống sử dụng dây đai đã được sử dụng, tuy nhiên lực tách cuống chưa được kiểm soát hoàn toàn dẫn đến hiện tượng trượt cuống hoặc phá nát cuống. Sự cải tiến trong nội dung này tập trung vào phát triển phương pháp kiểm soát lực tách cuống để nâng cao hiệu quả xử lý. Mô hình toán thể hiện mối quan hệ giữa lực tách cuống tạo ra bởi cơ cấu và lực điều khiển đo được trên cảm biến lực sẽ được xây dựng. Từ đó, lực tách cuống được điều khiển trong một dãy giá trị phù hợp để đảm bảo độ ổn định trong quá trình hoạt động. 3.8.1 Nguyên lý tách cuống sử dụng dây đai và bánh đỡ Để điều khiển được lực tách cuống, cần thiết phải có một mô hình tính toán lực tách cuống tạo ra bởi các cơ cấu được thiết kế. Các tính toán này được thực hiện dựa trên mô hình nguyên lý tách cuống sử dụng dây đai kẹp và bánh đỡ được trình bày ở Hình 3.22. Cơ cấu này bao gồm một băng tải với các rãnh hình chữ V chứa ớt bên trong được dẫn động bởi bánh đai dẫn băng tải. Phía trên băng tải là một bánh đè có dạng bánh răng với bề mặt bằng cao su mềm để tránh làm hư hỏng trái ớt. Nó được dẫn động bởi chuyển động của băng tải và tạo lực ép, giữ trái ớt trong rãnh băng tải. Bánh đè và băng tải kẹp giữ phần thân trái ớt và di chuyển nó trên băng tải theo phương ngang, trong khi dây đai kẹp và bánh đỡ phía dưới ép vào nhau, kẹp giữ cuống ớt và di chuyển cuống dần xuống phía dưới đến khi nó bị tách ra khỏi thân trái ớt. Nguyên lý tách cuống được đề xuất trong nghiên cứu này sử dụng dây đai kết hợp với bánh đỡ cho phép kẹp và tách hoàn toàn phần cuống ra khỏi thân trái ớt, khắc phục được nhược điểm của những nguyên lý cắt cuống đã có. 58 3.8.2 Mô hình toán kiểm soát lực tách cuống Hình 3.23: Mô hình bài toán lực tách cuống Với nguyên lý tách cuống đã mô tả, mô hình lực được trình bày chi tiết ở Hình 3.23 . Theo đó, một cơ cấu điều chỉnh lực kẹp được thiết kế để kiểm soát và ổn định lực kẹp trong giới hạn cho phép. Cơ cấu này sử dụng trục vít me được dẫn động bởi động cơ bước và điều khiển bởi vi điều khiển UNO R3 thông qua tín hiệu nhận được từ cảm biến lực ở 1 đầu của trục vít me. Đầu còn lại của trục vít me sẽ tác động vào con lăn ép lên dây đai một lực Flc có độ lớn bằng với lực đo được trên cảm biến lực. Hình 3.24: Dây đai tách cu ống Để đơn giản trong khi xây dựng mô hình toán, dây đai tách cuống được sử dụng là dây đai răng một mặt, mã 336XL (Hình 3.24a) có 168 răng với bước răng 5,08 mm (Hình 3.24b) được sản xuất bởi hãng Lyndon Brand Germany. Dây đai này có bề dày thành nhỏ (Hình 3.24b-c) và biến dạng nội của dây đai trong quá trình làm việc được bỏ qua. Từ đó, mối quan hệ giữ lực Flc đo được trên cảm biến lực và lực căng đai T được tính: ( ) ( ) ( ) sin a æ ö ç ÷ ç ÷ è ø = ´ = ´ + + + 22 1 2 32 4 lc H F T T L L L H (3.6) Trong đó: Flc là lực đo được trên cảm biến lực (N); T là lực căng đai (N); H là độ chùng đai tại vị trí căng (mm); 59 L1, L2, L3 là các khoảng cách tâm (mm); α là góc chùng đai tại điểm căng đai (rad). Góc bắt đầu ôm β được tính: ( ) ( ) ( ) cos b + = = = æ ö ´ç ÷ +è ø 1 22 2 2 12 1 1 2 R RO C R O B LR L R R (3.7) ( ) cosb - +æ ö Þ = ç ÷ è ø 1 21 1 R R L (3.8) Trong đó: β là góc bắt đầu ôm (rad); R1, R2 là các bán kính của bánh trên và bánh đỡ (mm). Góc nghiêng đặt bánh dẫn dây đai tách cuống φ được tính: tanj - æ ö = ç ÷ è ø 1 2 3 L L (3.9) Góc nghiêng θ được tính: ( ) ( ) ( )( ) cos q æ ö ç ÷ ç ÷= = ç ÷æ ö + ´ç ÷ç ÷ç ÷+è øè ø 2 2 222 2 2 3 1 2 O I R O J R L L R R (3.10) ( ) ( ) cosq - æ ö ç ÷ ç ÷ ç ÷ æ öæ öç ÷ ç ÷ç ÷ç ÷ç ÷è ø è øè ø Þ = + ´ + 1 2 22 2 2 3 1 2 R R L L R R (3.11) Góc kết thúc ôm γ được tính: g q j= - (3.12) Góc ôm ω của dây đai kẹp cuống trên bánh đỡ được tính: p w b g= - - 2 (3.13) Lực ép Fk hướng tâm được tạo ra trên bánh đỡ dưới tác dụng của lực căng đai T và được tính toán như sau: sin p b gæ ö ç ÷ ç ÷ è ø - - = ´ ´ 22 2k F T (3.14) Lực tách cuống F tạo ra bởi lực ép Fk và hệ số ma sát f giữa dây đai và cuống được xác định là: = ´ kF f F (3.15) Kết hợp giữa các phương trình (3.6), (3.14) và (3.15), ta có mối quan hệ giữa lực tách cuống F được tạo ra và lực đo được trên cảm biến lực Flc: 60 ( ) sin sin b gp a æ ö ç ÷ è ø - - = ´ ´ ´ 4 2 2 2 lcF f F (3.16) Lực tách cuống tạo ra phải đảm bảo đủ lớn để có thể tách cuống khỏi thân, đồng thời không được phá nát, làm mất khả năng kẹp cuống. Vì vậy, lực tách cuống và lực ép phải thỏa mãn hệ phương trình sau: (min)ìï í ïî ³ £ ´ ´ d sk b F F F P d w (3.17) Trong đó: Fd(min) là lực tách cuống tối thiểu phải tạo ra (N); ds là đường kính trung bình cuống ớt (mm); wb là bề rộng dây đai tách cuống (mm). Như vậy mối quan hệ giữa lực tách cuống F tạo ra bởi cơ cấu và lực đo được trên cảm biến lực Flc đã được xây dựng. Đồng thời ràng buộc của các lực này cũng đã được xác định để làm cơ sở điều khiển quá trình tách cuống. 3.8.3 Mô hình thí nghiệm kiểm soát lực tách cuống Hình 3.25: Mô hình kiểm soát lực tách cuống Mô hình thiết bị kiểm soát lực tách cuống khi lắp đặt trên hệ thống trong trạng thái làm việc được trình bày ở Hình 3.25a. Mô hình độc lập với đầy đủ thiết bị điều khiển ở trạng thái khi chưa lắp bánh căng đai và chưa lắp lên hệ thống được mô tả ở Hình 3.25b. Để kiểm soát lực tách cuống, lưu đồ hoạt động được đề xuất và mô tả chi tiết ở Hình 3.26. Trong đó, giá trị lực F0 được thiết lập trước trong bộ nhớ