ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP HỆ THỐNG CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP CHAI VÀ DÁN NHÃN TỰ ĐỘNG NGÀNH KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN Th S PHẠM QUỐC PHƯƠNG Sinh Viên Thực Hiện MSSV Lớp Đỗ Quốc Hoàng 1711060120 17DTDA2 Huỳnh Việt Thiện 1711050264 17DTDA2 Nguyễn Tấn Minh 1711050187 17DTDA2 Tp Hồ Chí Minh, Tháng 092021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH iii MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN i LỜI CẢM ƠN ii MỤC LỤC iii MỤC LỤC HÌNH ẢNH vii MỤC LỤC BẢNG vii LỜI MỞ ĐẦU 1 CHƯƠNG 1 GIỚI T.
GIỚI THIỆU
Đặt vấn đề
Hiện nay, nhiều sản phẩm tiêu dùng, đặc biệt trong ngành thực phẩm như bia, rượu và nước giải khát, chủ yếu được đóng gói trong chai lọ do những ưu điểm nổi bật như giá thành thấp, độ bền cao, tính thẩm mỹ và dễ sản xuất Vì vậy, các hệ thống máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động đang được sử dụng phổ biến Việc áp dụng lý thuyết vào thực tiễn là rất quan trọng để kiểm chứng tính hiệu quả của các nghiên cứu Ý tưởng về dây chuyền sản xuất nước đóng chai được hình thành từ điều này, với thiết kế “hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động” nhằm tối ưu hóa các khâu quan trọng trong quy trình sản xuất nước uống đóng chai.
Mục đích của đề tài
Sử dụng PLC, động cơ servo và động cơ DC để điều khiển mô hình qua hai chế độ tự động và thủ công, đóng vai trò quan trọng trong việc xây dựng và phát triển dây chuyền tự động hóa trong các nhà máy Điều này giúp thay thế sức lao động của con người, từ đó nâng cao năng suất tối ưu cho sản xuất.
Phạm vi đề tài
Áp dụng các kiến thức đã học để xây dựng các mô hình thực nghiệm, cụ thể:
- Tìm kiếm tài liệu qua sách vở, mạng xã hội, hỏi người có chuyên môn
- Tiến hành chạy mô phỏng và text mô hình dưới sự góp ý của giáo viên hướng dẫn.
Tổng quát về toàn bộ dây chuyền
1.4.1 Chiết rót nước vào chai
Hiện nay, có nhiều công nghệ chiết nước vào chai, mỗi loại chất lỏng như nước có gaz, nước không gaz và chất lỏng dạng cô đặc đều có phương pháp chiết rót riêng Định lượng sản phẩm lỏng là quá trình chiết rót một thể tích nhất định vào chai, bình, lọ, và việc sử dụng máy định lượng ngày càng phổ biến trong ngành sản xuất thực phẩm Việc định lượng bằng máy không chỉ cải thiện điều kiện vệ sinh mà còn đảm bảo năng suất cao và độ chính xác trong việc chiết rót sản phẩm.
Các phương pháp định lượng chủ yếu gồm có:
Định lượng bằng bình định mức: chất lỏng được định lượng chính xác nhờ bình định mức trước khi rót vào chai
Định lượng chất lỏng bằng cách chiết tới mức cố định được thực hiện bằng cách chiết đầy chai và sau đó loại bỏ một khối thể tích bù trừ Mức lỏng trong chai sẽ giảm xuống một khoảng giống nhau, bất kể thể tích chai có giống nhau hay không Phương pháp này cũng sử dụng ống thông hơi, với chất lỏng được chiết tới khi ngập miệng ống thông hơi thì sẽ dừng lại Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này không cao và phụ thuộc vào độ đồng đều của các chai.
Định lượng chất lỏng bằng phương pháp chiết theo thời gian cho phép chất lỏng chảy vào chai trong khoảng thời gian xác định, với giả định thể tích chất lỏng chảy là không đổi Phương pháp này thường được áp dụng cho các sản phẩm có giá trị thấp và không yêu cầu độ chính xác cao trong việc định lượng.
Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có:
Phương pháp rót áp suất thường là kỹ thuật cho phép chất lỏng tự chảy vào chai nhờ vào sự chênh lệch độ cao Với tốc độ chảy chậm, phương pháp này chỉ phù hợp cho các chất lỏng có độ nhớt thấp.
Phương pháp rót chân không là kỹ thuật kết nối chai với hệ thống hút chân không, giúp chất lỏng chảy vào chai nhờ sự chênh lệch áp suất giữa thùng chứa và áp suất trong chai Phương pháp này thường được kết hợp với các kỹ thuật bù trừ hoặc chiết đầy chai để đảm bảo lượng chất lỏng chính xác.
Phương pháp rót đẳng áp là kỹ thuật được sử dụng cho các sản phẩm có gas như bia và nước ngọt Trong quá trình rót, áp suất bên trong chai được duy trì cao hơn áp suất khí quyển để ngăn chặn sự thoát hơi của khí CO2 Theo phương pháp này, khí CO2 sẽ được nạp vào chai cho đến khi áp suất trong chai đạt mức tương đương với áp suất trong bình chứa, sau đó sản phẩm sẽ được rót vào chai thông qua sự chênh lệch độ cao.
Máy định lượng chiết rót sản phẩm lỏng được thiết kế với nhiều cơ cấu rót, mỗi cơ cấu đảm nhiệm việc chiết cho một chai riêng biệt Các cơ cấu rót có thể được sắp xếp thẳng hàng để hoạt động đồng thời trong máy chiết có cơ cấu chiết thẳng, hoặc bố trí trên bàn quay để làm việc tuần tự trong máy chiết bàn quay.
Hình 1.1: Máy chiết rót nước bàn quay
Máy đóng nắp chai là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp Nó giúp đóng kín các loại chai thủy tinh và nhựa, đảm bảo niêm phong an toàn và ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng.
Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn và được xếp đúng chiều Chai nước sau đó được đưa vào vị trí dập nắp và cố định để hệ thống dập nắp hoạt động Sau khi dập nắp, chai sẽ được chuyển đến bộ phận vặn nắp để đảm bảo tất cả các nắp được đóng kín.
Hình 1.2: Máy chiết rót và đóng nắp chai kiểu bàn xoay
Máy dán nhãn chai là thiết bị quan trọng trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm và mỹ phẩm, giúp gắn nhãn hiệu của nhà sản xuất lên các sản phẩm một cách chính xác và hiệu quả.
Máy dán nhãn tự động là giải pháp hiệu quả giúp dán nhãn decal và nhãn hàng hóa lên sản phẩm một cách chính xác, tiết kiệm thời gian và công sức Việc sử dụng máy dán nhãn không chỉ nâng cao chất lượng và đồng đều của sản phẩm mà còn tăng năng suất và sản lượng, từ đó giảm giá thành và cải thiện sức cạnh tranh trên thị trường.
Nhãn được dẫn từ cuộn chứa nhãn thông qua các con lăn và nhãn được sắp xếp đúng chiều dán và được dán vào sản phẩm
Khả năng ứng dụng của dây chuyền chiết rót, đóng nắp và dán nhãn
1.5.1 Ứng dụng vào sản xuất
Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động giúp nâng cao tốc độ sản xuất đáng kể so với phương pháp thủ công Việc sử dụng máy móc tự động cho phép sản xuất nhiều sản phẩm hơn, giảm thiểu số lượng nhân công cần thiết và tăng năng suất Trong khi đó, chiết rót thủ công hoặc bán tự động yêu cầu nhiều người lao động hơn do năng suất sản xuất thấp.
Chỉ cần chuẩn bị nguyên liệu và cài đặt thông số, máy sẽ tự động chiết rót, đóng nắp và dán nhãn Tùy thuộc vào loại máy, bạn chỉ cần 1 đến 2 nhân công để hoàn tất quy trình đóng gói sản phẩm.
Máy chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động không chỉ được thiết kế cho một dung tích cụ thể mà còn có khả năng sử dụng cho nhiều loại sản phẩm khác nhau Chất làm đầy trong quá trình sản xuất cũng đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo chất lượng và hiệu quả của máy.
9 chai tự động có thể được thiết lập để xử lý một loạt các hình dạng và kích thước của chai chứa
Ngoài ra có thể xử lý nhiều sản phẩm như dầu, nhớt xe, mỹ phẩm… và cả đóng nắp vặn hay nắp đóng như bia…
Một số dây chyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn ở Việt Nam
Ngành sản xuất nước đóng chai đang phát triển nhanh chóng với tiềm năng lớn, do nhu cầu tiêu thụ vượt xa sản lượng sản xuất Sự gia tăng số lượng công ty với quy mô khác nhau đã tạo ra một môi trường cạnh tranh mạnh mẽ trên thị trường Để đáp ứng yêu cầu này, việc tự động hóa trong quy trình sản xuất trở thành điều kiện tiên quyết cho mọi tập đoàn trong ngành.
Hình 1.4: Hệ thống sản xuất nước ngọt có gas của công ty Bidrico
Hình 1.5: Một đoạn hệ thống sản xuất Aseptic của Tân Hiệp Phát
Mục đích nghiên cứu
- Chế tạo thành công mô hình chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai tự động
- Sử dụng PLC để xây dựng chương trình điều khiển
- Mô hình hoạt động linh hoạt, ổn định
TỔNG QUAN GIẢI PHÁP
Giới thiệu về hệ thống tự động
Tự động hóa là quá trình sử dụng hệ thống điều khiển để quản lý thiết bị máy móc trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, nhằm giảm thiểu sự can thiệp của con người Hiện nay, nhiều hệ thống tự động đã được áp dụng trong các dây chuyền sản xuất, nồi hơi, lò nhiệt, mạng điện thoại, cũng như trong việc ổn định tàu thủy và máy bay.
Hình 2.1: Ứng dụng của tự động hóa trong sản xuất bia Heniken ở Việt Nam
Hệ thống tự động hóa tổng hợp đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất, với đặc tính linh hoạt thể hiện qua tính liên tục, nhịp điệu, tỷ lệ và song song của các dòng vận động Mức độ tự động hóa của một cơ sở sản xuất không nhất thiết phải là tối đa, mà cần xác định mức độ tối ưu phù hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất và giá thành rẻ nhất Thuật ngữ "tự động hóa" chỉ được sử dụng phổ biến sau năm 1947, khi Ford thành lập bộ phận tự động hóa, và ngành công nghiệp đã nhanh chóng áp dụng công nghệ điều khiển phản hồi từ những năm 1930.
Tự động hóa được thực hiện qua nhiều phương tiện như cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp với nhau Các hệ thống phức tạp như nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng sự kết hợp của tất cả những kỹ thuật này.
2.1.2 Vai trò của hệ thống tự động
Tự động hóa trong sản xuất giúp giảm chi phí và nâng cao năng suất lao động Quy trình sản xuất bị ảnh hưởng bởi các quy luật kinh tế, và nhu cầu cải thiện chất lượng sản phẩm dẫn đến chi phí gia tăng cho việc nâng cao độ phức tạp trong gia công, bao gồm đào tạo nhân công và đầu tư trang thiết bị Điều này chính là động lực thúc đẩy sự phát triển của tự động hóa.
Tự động hóa nâng cao điều kiện sản xuất bằng cách loại bỏ khó khăn trong lao động thủ công Nó cải thiện môi trường làm việc cho công nhân, đặc biệt là trong các công đoạn độc hại, nặng nhọc và lặp đi lặp lại.
Quá trình tự động hóa trong sản xuất không chỉ nâng cao cường độ sản xuất mà còn tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyên môn hóa và hoán đổi quy trình sản xuất Yếu tố này đóng vai trò quan trọng giúp các nhà sản xuất thích ứng với yêu cầu thị trường và duy trì khả năng cạnh tranh.
2.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động
Các mối đe dọa an ninh và sự dễ bị tổn thương của hệ thống tự động đến từ giới hạn trí thông minh của chúng, khiến chúng dễ mắc lỗi khi đối mặt với những tình huống nằm ngoài kiến thức hiện có.
Chi phí phát triển cho tự động hoá thường không thể dự đoán chính xác và có thể vượt quá ngân sách đã định Các nghiên cứu và phát triển liên quan đến tự động hoá có thể dẫn đến chi phí cao hơn mong đợi, ảnh hưởng đến hiệu quả tài chính của dự án.
Chi phí ban đầu cho việc tự động hóa sản phẩm mới thường rất cao so với chi phí đơn vị sản phẩm Mặc dù vậy, chi phí này có thể được phân bổ qua nhiều sản phẩm và thời gian, giúp giảm bớt gánh nặng tài chính trong dài hạn.
Các thiết bị đang sử dụng trên thị trường
Máy chiết rót thủ công là thiết bị không cần điện, cho phép chiết rót chính xác với thao tác đơn giản Chỉ cần 1-2 người là có thể hoàn thành quy trình chiết rót sản phẩm một cách hiệu quả.
Máy chiết rót trong ngành thực phẩm được sử dụng phổ biến để chiết rót các loại nước giải khát như nước trái cây, bia, rượu, nước ngọt có ga, sữa, và các dung dịch thực phẩm khác từ lỏng đến đặc Thiết bị này có khả năng chiết rót vào nhiều loại bao bì như chai thủy tinh và chai PET.
Thiết bị này phải phụ thuộc vào sức lao động của con người là chủ yếu
Ưu điểm và nhược điểm:
+ Dễ làm, đơn giản, an toàn cho môi trường và con người
+ Ít tốn kém chi phí
+ Tốn rất nhiều thời gian và công sức
+ Sản phẩm không chính xác hoàn toàn
Máy chiết rót tự động hoạt động theo nguyên tắc lượng chất lỏng chảy qua một đường dẫn cố định với áp suất ổn định Toàn bộ quá trình được điều chỉnh bằng bộ đếm thời gian và lập trình điều khiển tự động PLC Van chiết rót sử dụng khí nén để đảm bảo quá trình đóng chính xác, trong khi hệ thống van tiết lưu kiểm soát dòng chảy và tốc độ chảy ổn định Đặc biệt, tốc độ chiết rót có thể được điều chỉnh linh hoạt theo nhu cầu.
Phương pháp này được hoạt động chủ yếu bằng máy móc tự động
Ưu điểm và nhược điểm:
+ Nâng cao tốc độ sản xuất
+ Đảm bảo độ chính xác, định lượng đồng đều
+ Tính linh hoạt khi thay đổi yêu cầu đóng chai
+ Dễ dàng điều khiển, vận hành
+ Nâng cấp dễ dàng đáp ứng nhu cầu sản xuất
+ Nâng cao sức cạnh tranh
+ Tốn kém rất nhiều chi phí
2.2.3 Thiết bị bán tự dộng
Máy chiết rót bán tự động kết hợp giữa bộ điều khiển và thao tác của người sử dụng, thường được ứng dụng trong ngành đồ uống, thực phẩm, dược phẩm và hóa mỹ phẩm Thiết bị này được sử dụng phổ biến để chiết rót các sản phẩm như nước uống đóng chai, rượu, nước hoa quả, dầu gội và sữa tắm.
Mục tiêu
Hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn tự động là giải pháp tiên tiến giúp giảm bớt công sức cho người sử dụng Với khả năng hoạt động liên tục trong nhiều giờ mà không cần nghỉ ngơi, hệ thống này mang lại hiệu quả cao trong quy trình sản xuất.
Để đáp ứng nhu cầu tăng tốc độ làm việc và nâng cao độ chính xác mà không cần nhiều nhân lực, nhiều hệ thống tự động đã được phát triển Nhóm chúng tôi quyết định chọn đề tài "hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn tự động" nhằm giảm bớt gánh nặng lao động cho con người.
Từng khâu trong hệ thống
Phần cơ khí của mô hình cần được thiết kế chắc chắn, ổn định và chính xác để giảm thiểu lỗi trong quá trình vận hành của hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn tự động, bao gồm 5 khâu chính.
Trong quy trình sản xuất, chai được đặt lên băng tải và di chuyển đến khu vực rót nước Sau khi đã rót đủ lượng nước cần thiết, chai sẽ tiếp tục di chuyển đến khu vực gác nắp, nơi nắp được đặt lên miệng chai một cách chính xác.
+ Khâu đóng nắp : chai nước khi di chuyển tới vị trí này sẽ được hệ thống tự động xoay nắp chai chặt lại
Sau khi nắp chai nước được đóng, chai sẽ được chuyển đến băng tải để tiến hành dán nhãn Tại đây, hệ thống dán nhãn tự động sẽ được khởi động, thực hiện việc dán nhãn lên phần giữa của chai nước một cách chính xác và hiệu quả.
+ Khâu thành phẩm : sau cùng chai nước di chuyển tới cuối băng tải và sẽ được lấy ra và cho vào thùng
Mô hình điện bao gồm hai nguồn chính: nguồn điện xoay chiều 220V và nguồn điện một chiều 24V, cung cấp cho PLC, cảm biến, đèn báo, van khí nén và động cơ DC Thiết kế phần điện cần đảm bảo tính hợp lý và an toàn, với kết nối được thực hiện một cách chính xác Tủ điện phải được thiết kế gọn gàng, ngăn nắp, thuận tiện cho việc vận hành, bảo trì và sửa chữa.
Nội dung nghiên cứu
Ở đề tài “hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn tự động” Chúng em tiến hành thực hiện nghiên cứu các nội dung như sau:
Nội dung 1: Tìm hiểu các mô hình hiện có, phân tích đặc điểm Từ đó lựa chọn giải pháp cho đề tài
Nội dung 2: Thiết kế sơ đồ khối, lựa chọn linh kiện phù hợp cho đề tài
Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
Nội dung 4: Thi công hệ thống
Nội dung 5: Kết quả đạt được
Nội dung 6: Đánh giá kết quả thực hiện và đề ra hướng phát triển.
Bố cục đề tài
Trong báo cáo này, nhóm nghiên cứu đã nỗ lực trình bày một cách logic để người đọc dễ dàng nắm bắt kiến thức, phương pháp và hoạt động của đề tài Bố cục báo cáo được chia thành 6 chương rõ ràng.
Chương 1: Giới thiệu tổng quan về đề tài
Chương 2: Tổng quan giải pháp Chương này tập trung vào những lý thuyết liên quan đến đề tài bao gồm kiến thức về các linh kiện, thiết bị được sử dụng trong hệ thống như các cảm biến, mạch điều khiển, cũng như phần mềm và ngôn ngữ lập trình liên quan đến đề tài
Chương 3: Phương pháp giải quyết Chương này dựa vào kiến thức đã học để đưa ra các cách làm tốt nhất để hoàn thành đề tài trên
Chương 4: Tính toán và thiết kế hệ thống Chương này sẽ đi trình bày một cách chi tiết về mô hình của hệ thống bao gồm sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của hệ thống Tiếp đến là sẽ đi thiết kế hệ thống, nên chọn module nào để đạt hiệu quả cao nhất cũng như sơ đồ kết nối giữa các module
Chương 5: Thi công hệ thống Dựa trên thiết kế hệ thống, tiến hành thi công phần cứng và phần mềm cho hệ thống Từ đó đưa ra quy trình vận hành của hệ thống
Chương 6: Kết luận và hướng phát triển của đề tài Chương này tóm lược lại những điều đã làm được và những hạn chế đồng thời đưa là những đánh giá cho hệ thống để từ đó có thể đưa ra những giải pháp cũng như hướng phát triển mới cho đề tài
PHƯƠNG PHÁP GIẢI QUYẾT
Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Chúng em gặp nhiều khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo và kết nối các sản phẩm do chưa có kinh nghiệm chế tạo mô hình thực tế.
Nhóm thực hiện đề tài đã sử dụng 2 phương pháp chủ yếu là:
+ Phương pháp mô phỏng bằng mô hình nhỏ, thiết kế trên lí thuyết Nhóm em đã thực hiện thiết kế và chế tạo sản phẩm
+ Phương pháp tính toán: tính toán lựa chọn các linh kiện, từ thực nghiệm điều chỉnh có thông số cho phù hợp với công nghệ.
Phương án giải quyết
Hệ thống chiết rót tiên tiến đảm bảo chất lượng nước và giảm thiểu thất thoát trong quá trình làm việc Van chiết rót được chế tạo từ inox, với chất lượng cao và độ chính xác tốt, mang lại hiệu quả chiết rót chính xác Chai được nâng hạ bằng xi lanh qua cơ chế điều khiển trục cam, đồng thời mở van khí để thực hiện quy trình chiết rót.
Hệ thống các xi lanh khí hoạt động hiệu quả nhờ vào ống lót chống ăn mòn, giúp kéo dài tuổi thọ và khả năng làm việc của hệ thống.
Khi băng tải hoạt động chai nước được đưa qua cảm biến vật 1, cảm biến vật
Hoạt động của băng tải được điều khiển bởi bơm nước mini, giúp điều chỉnh lực bơm Khi bơm đạt đến lượng nước quy định trong chai, cảm biến lưu lượng sẽ kích hoạt để dừng bơm, trong khi băng tải vẫn tiếp tục hoạt động.
Hình 3.2: Hệ thống lấy nắp.
Phần này được sản xuất thủ công, đảm bảo rằng nắp chai sẽ gắn chặt và chính xác khi chai nước di chuyển qua.
Hình 3.3: Hệ thống đóng nắp
Hệ thống đóng nắp chai là công nghệ quan trọng, được sử dụng phổ biến trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp Hệ thống này giúp đảm bảo chai nhựa được đóng kín, ngăn chặn tình trạng rò rỉ chất lỏng ra ngoài, từ đó nâng cao chất lượng và độ an toàn của sản phẩm.
Bộ phận nắp chai sử dụng công nghệ hiện đại, đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình sản xuất Việc nắp không được đóng chặt có thể dẫn đến tái nhiễm khuẩn cho nước, trong khi nếu đóng quá chặt, có thể gây vỡ chai Để khắc phục tình trạng này, nắp được trang bị bộ phận ngăn và lấy nắp bị đảo chiều ra bên ngoài Hơn nữa, bộ cảm biến sẽ tự động ngắt mạch điện khi không có nắp, giúp tránh tình trạng chai không nắp vẫn trượt qua băng chuyền trong quá trình vận hành.
Khi băng tải di chuyển chai nước qua cảm biến, cảm biến phát hiện vật và băng tải sẽ dừng lại Đồng thời, xi lanh sẽ hạ xuống theo thời gian đã thiết lập Khi xi lanh hạ xuống và dừng lại, motor sẽ bắt đầu hoạt động để đóng nắp chai theo thời gian đã định Sau khi hoàn tất việc đóng nắp, xi lanh sẽ nâng lên theo thời gian đã thiết lập, và băng tải sẽ tiếp tục hoạt động.
Hệ thống dán nhãn tự động giúp gắn nhãn decal và nhãn hàng hóa lên sản phẩm một cách nhanh chóng và chính xác, tiết kiệm thời gian và công sức Giải pháp này không chỉ nâng cao chất lượng và tính đồng đều của nhãn, mà còn tăng năng suất và sản lượng, từ đó giảm giá thành và nâng cao sức cạnh tranh cho sản phẩm trên thị trường.
Hệ thống dán nhãn tự động là một phần thiết yếu trong quy trình sản xuất, đặc biệt trong ngành thực phẩm, giúp dán nhãn cho chai một cách hiệu quả Thông tin trên nhãn không chỉ thể hiện các thông số kỹ thuật của nhà sản xuất mà còn chứng minh quyền sở hữu trí tuệ đối với sản phẩm Bên cạnh đó, nhãn chai còn đóng vai trò quan trọng trong việc nhận diện thương hiệu, góp phần xây dựng lòng tin của người tiêu dùng.
Nhãn sản phẩm cung cấp thông tin thiết yếu cho người tiêu dùng, bao gồm thời hạn sử dụng, trọng lượng, dung tích, thành phần cấu tạo và thông số kỹ thuật Những thông tin này giúp người dùng sử dụng sản phẩm một cách đúng đắn và an toàn.
Việc dán nhãn sản phẩm chính xác và hấp dẫn với nội dung đầy đủ không chỉ tăng giá trị sản phẩm mà còn thu hút sự chú ý của người tiêu dùng.
Các loại hệ thống dán nhãn tự động
Hệ thống dán nhãn dùng con lăn di động:
Hình 3.4: Cơ cấu máy dán nhãn
Chai nước được cấp vào thông qua mâm cấp chai 1 và di chuyển qua băng tải 2, đi qua khe hở giữa con lăn di động và con lăn cố định Nhãn được cung cấp liên tục nhờ vào cặp bánh ma sát 9 Dưới tác động kéo của băng tải và lực ép từ lò xo 7, nhãn sẽ được dán lên chai bởi các con lăn di động.
- Ưu điểm: cơ cấu đơn giản, năng suất cao
Phương pháp dán này có một số nhược điểm đáng lưu ý như khả năng dán chính xác thấp và dễ bị bung ra sau khi dán Ngoài ra, việc yêu cầu dán nhãn phải có keo hai mặt làm tăng giá thành, gây khó khăn trong việc giữ vệ sinh sau khi dán Tóm lại, phương pháp này không được xem là khả thi.
Hệ thống dùng cơ cấu kẹp thủy lực
Hình 3.5: cơ cấu kẹp thủy lực
Cơ cấu kẹp thủy lực được dẫn hướng bằng hai rảnh giúp điều khiển hai xi lanh thủy lực theo tín hiệu từ cảm biến màu Khi chai đạt khoảng cách nhất định với nhãn, cảm biến màu sẽ kích hoạt hai thanh kẹp chai, đồng thời thực hiện việc dán nhãn lên chai một cách chính xác.
- Ưu điểm: độ chính xác cao, năng suất lớn
Máy móc phức tạp và khó chế tạo là nhược điểm lớn, yêu cầu sử dụng băng keo hai mặt dẫn đến giá thành cao Ngoài ra, việc giữ vệ sinh sau khi dán vào chai cũng trở nên khó khăn do bề mặt ngoài.
22 còn keo nên sẽ bám bụi vào hoặc phải thêm công đoạn dán nhãn lớp nilong vào mặt ngoài làm cho giá thành cao
Hệ thống dùng cơ cấu băng ma sát
Hình 3.6: cơ cấu băng ma sát
QUY TRÌNH THIẾT KẾ
Quy trình nghiên cứu
Quy trình nghiên cứu: “Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động.”
- Tham khảo mô hình băng tải trên tài liệu sách vở, internet…
- Nghiên cứu mô hình của nhóm so với các mô hình thực tế khác để tìm ra giải pháp hiệu quả
- Tìm hiểu các phương án cho băng tải
- Tìm hiểu kết cấu cho bộ phận dẫn động
- Tính toán, phân tích và lựa chọn kết cấu cơ khí, nguồn động lực và điều khiển
- Tính toán hiệu suất, khả năng làm việc của mô hình
- Cho chạy thử để xác định các thông số, có phù hợp với tính toán không, từ đó có những biện pháp sửa chữa, khắc phục phù hợp
- Các thông số, kết quả của mô hình được viết lại trong bài báo cáo để dễ dàng điều chỉnh và thay đổi
Các bước tiến hành như sau:
• Bước 1: Tìm hiểu và tiến hành chọn băng tải
• Bước 2: Phân tích và chọn bộ phận dẫn động
• Bước 3: Phân tích và chọn cơ cấu định vị chai và máng hứng chất lỏng
• Bước 4: Chọn động cơ điện cho hệ dẫn động băng tải
• Bước 5: Chọn bộ phận dán nhãn
• Bước 6: Lắp ráp và hoàn thiện cơ cấu
• Bước 7: Thực nghiệm và lấy thông số điều khiển mô hình.
Yêu cầu hệ thống
- Phần khung là phần chính của băng tải nên phải có tính chắc chắn cứng vững cao, dễ dàng tháo lắp
- Phần đế phải đảm bảo chắc vững và nâng đỡ toàn bộ chi tiết trên mô hình
- Có cơ cấu căng đai
Mô hình băng tải PVC rất phổ biến trong các dây chuyền sản xuất công nghiệp, đặc biệt phù hợp cho những sản phẩm không yêu cầu độ nhám bề mặt cao.
- Động cơ giảm tốc DC 24V với lực kéo vừa phải để đảm bảo tính năng cho băng tải chịu tải tốt.
Phương án thiết kế
4.3.1 Chọn kết cấu cơ khí cho bộ phận vận chuyển chai
4.3.1.1 Phương án băng tải PVC
Băng tải là thiết bị quan trọng trong các dây chuyền sản xuất, giúp di chuyển vật liệu đơn chiếc và vật liệu rời theo phương ngang hoặc nghiêng Chúng được sử dụng rộng rãi trong các xưởng luyện kim để vận chuyển quặng và than đá, trong kho bãi để chuyển hàng bao kiện và vật liệu hạt, cũng như trên công trường để vận chuyển vật liệu xây dựng Ngoài ra, băng tải còn đóng vai trò quan trọng trong các ngành công nghiệp nhẹ, thực phẩm, hóa chất, giúp vận chuyển sản phẩm hoàn thành và chưa hoàn thành giữa các công đoạn và phân xưởng, đồng thời loại bỏ các sản phẩm không sử dụng.
- Đồ bền của băng tải cao
- Tốc độ vận chuyển nhanh
4.3.1.2 Phương án băng tải tấm
Bộ phận chính của xích tải tấm bao gồm các tấm đỡ và tấm thép gắn với bộ phận kéo, thường kết nối với xích kéo Các khớp xoay của xích được bố trí với các con lăn tựa di chuyển Khác với băng tải, xích tải tấm được thiết kế để vận chuyển các vật liệu nặng hơn, phục vụ cho nhiều ngành công nghiệp Chúng thường được sử dụng như băng tải công nghiệp trong các dây chuyền sản xuất lắp ráp.
- Có thể vận chuyển các vật liệu rời khác nhau
- Vật liệu đơn chiếc trong mặt phẳng ngang và nghiêng với góc nghiêng 35-45°
- Cho phép uốn trong mặt phẳng ngang với bán kính cong (3-10mm)
- Việc mài mòn của xích tải nhỏ hơn nhiều so với các loại băng tải khác
- Trọng lượng phần di chuyển lớn
- Bảo dưỡng khó khăn do có nhiều khớp xoay
4.3.1.3 Phương án băng tải con lăn
Băng tải con lăn là thiết bị lý tưởng cho việc vận chuyển hàng hóa dạng kiện theo hướng ngang và hơi nghiêng Chúng được phân loại thành hai loại chính dựa trên phương pháp tác động: băng tải con lăn không dẫn động và băng tải con lăn dẫn động.
Các băng lăn không có dẫn động được lặp đặt với một độ nghiêng nào đó, đảm bảo cho vật chuyển động dưới tác động của trọng lực
Các con lăn dẫn động thường có đường kính lớn hơn so với con lăn không dẫn động, thường dao động từ 100-300mm Chuyển động quay cho các con lăn này được truyền từ động cơ thông qua hộp giảm tốc và các hệ thống truyền động như bánh răng côn, xích, và đai.
- Băng tải con lăn với độ bền và độ cứng lớn Nó cho phép di chuyển hàng lớn, nặng
- Có thể di chuyển hàng theo tuyến thẳng hoặc tuyến cong
- Với kết cấu thuần tuý, thuận tiện để việc chất tải và dở tải
- Trong băng tải con lăn có nhiều dàn con lăn nên đòi hỏi phải chăm sóc và bảo dưỡng thường xuyên, do đó chi phí vận hành lớn
- Băng tải con lăn truyền động bằng xích tải công nghiệp rất nhạy cảm cùng sự không cân bằng giữa các trục
Hình 4.3: Băng tải con lăn
Trong đề tài này ta chọn băng tải đai làm băng tải vận chuyển cho dây chuyền vì những lý do sau:
- Dễ thiết kế, chế tạo
4.3.2 Chọn kết cấu cơ khí cho bộ phận dẫn động
4.3.2.1 Phương án hộp giảm tốc
Hình 4.4: Sơ đồ truyền động
- 1 Khớp nối, 2 Bộ truyền xích, 3 Hộp Số, 4 Con lăn trục dẫn động, 5 Băng Tải, 6 Con lăn trục bị động
Băng tải 5 hoạt động nhờ vào hai con lăn dẫn động và bộ truyền xích 2 Để đạt được tốc độ mong muốn, băng tải cần thông qua bộ giảm tốc 3.
- Không thay đổi được nhiều cấp tốc độ
- Cho phép mở rộng dải điều chỉnh và nâng cao tính chất động học của hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ xoay chiều
- Hệ thống điều chỉnh tốc độ động cơ bằng biến tần có kết cấu đơn giản, làm việc được trong nhiều môi trường khác nhau
- Khả năng điều chỉnh tốc độ động cơ dễ dàng
- Có khả năng đáp ứng cho nhiều ứng dụng khác nhau
- Có thể thay đổi tốc độ nhiều động cơ cùng một lúc
- Đầy đủ các chức năng bảo vệ động cơ: quá dòng, quá áp, mất pha, đảo pha,…
- Có thể kết nối mạng với hệ thống điều khiển trung tâm
- Đòi hỏi người lắp đặt và vận hành thiết bị phải có kiến thức nhất định
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
Vì hệ thống không yêu cầu hoạt động ở nhiều cấp tốc độ và để giảm thiểu chi phí đầu tư nên phương án được chọn là hộp giảm tốc
4.3.3 Chọn động cơ điện cho hệ dẫn băng tải
4.3.3.1 Phương án chọn động cơ AC
Hình 4.6: Động cơ không đồng bộ 3 pha
Động cơ điện bao gồm hai phần chính: stator và rotor Stator được cấu tạo từ các cuộn dây ba pha quấn quanh các lõi sắt, được sắp xếp trên một vành tròn nhằm tạo ra từ trường quay.
Rotor hình trụ hoạt động như một cuộn dây quấn quanh lõi thép Khi động cơ được kết nối với mạng điện xoay chiều, từ trường quay do stato tạo ra khiến rotor quay Chuyển động quay này được truyền qua trục máy và sử dụng để vận hành các máy công cụ hoặc các cơ cấu chuyển động khác.
Động cơ điện xoay chiều 3 pha là giải pháp lý tưởng cho các hộp giảm tốc, thường được sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp như chế biến thực phẩm, sản xuất xi măng, và băng tải Thiết bị này cũng đóng vai trò quan trọng trong các nhà máy gạch, xưởng cơ khí, cũng như trong các lĩnh vực như khai thác mỏ, chế biến gỗ, cầu trục, xử lý nước thải và cảng biển Nhờ vào tính ứng dụng rộng rãi, động cơ điện xoay chiều 3 pha góp phần nâng cao hiệu suất hoạt động trong hầu hết các lĩnh vực công nghiệp.
Động cơ xoay chiều 3 pha với công suất lớn là lựa chọn lý tưởng cho việc điều khiển chuyển động của các cơ cấu có tải nặng, đồng thời cung cấp nhiều loại công suất để người dùng dễ dàng lựa chọn.
- Giá thành rẻ hơn động cơ bước và servo cùng loại, tốc độ động cơ lớn
- Được sử dụng phổ biến trong công nghiệp
- Phải có mạch cách ly giữa phần điều khiển và phần chấp hành để đảm bảo an toàn, moment khởi động nhỏ
- Mạch điều khiển tốc độ phức tạp (biến tần)
- Có khuyết điểm dòng điện khởi động lớn, gây ra sụt áp trong lưới điện lúc khởi động
4.3.3.2 Phương án động cơ DC
Stator của động cơ điện một chiều thường bao gồm một hoặc nhiều cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện Rotor được quấn các cuộn dây và kết nối với nguồn điện một chiều Một phần quan trọng khác của động cơ điện một chiều là bộ phận chỉnh lưu, có nhiệm vụ đổi chiều dòng điện trong quá trình rotor quay liên tục Bộ phận này thường gồm một bộ cổ góp và một bộ chổi than tiếp xúc với cổ góp.
Máy có khả năng mở máy lớn, cho phép kéo tải nặng khi khởi động Bên cạnh đó, phạm vi điều chỉnh tốc độ rộng với khoảng nhảy cấp tốc độ nhỏ, rất phù hợp cho các hệ thống tự động hóa cần thay đổi tốc độ linh hoạt.
Bộ phận cổ góp có cấu trúc phức tạp và chi phí cao, nhưng thường không đáng tin cậy do dễ hư hỏng trong quá trình vận hành, yêu cầu bảo trì và sửa chữa thường xuyên Hơn nữa, tia lửa điện phát sinh từ cổ góp và chổi than có thể gây ra nguy hiểm trong môi trường dễ cháy nổ Một nhược điểm khác là do nguồn điện chủ yếu ở dạng xoay chiều, động cơ cần có bộ chỉnh lưu hoặc máy phát điện một chiều, dẫn đến chi phí tăng cao.
4.3.3.3 Phương án động cơ AC servo
Hình 4.8: Động cơ AC servo
Động cơ và vôn-kế kết nối với mạch điều khiển để tạo thành mạch hồi tiếp vòng kín, với nguồn cấp DC từ 4.8 - 7.2 V Để khởi động động cơ, tín hiệu số được gửi đến mạch điều khiển, kích hoạt động cơ qua chuỗi bánh răng và kết nối với vôn-kế để xác định vị trí.
33 của trục vôn kế cho biết vị trí trục ra của servo Khi vôn-kế đạt được vị trí mong muốn, mạch điều khiển sẽ tắt động cơ
Động cơ AC servo được sử dụng phổ biến trong nhiều lĩnh vực, đặc biệt là trong ngành công nghiệp ô tô, hàng không và máy gia công kim loại chính xác.
Động cơ AC servo với bộ phản hồi chính xác là giải pháp lý tưởng cho việc điều khiển các cơ cấu chấp hành, đảm bảo đúng vị trí trong ngành công nghiệp tự động.
- Hiệu suất cao, giảm rung động cơ khí, giảm không gian lắp đặt
- Giá thành cao hơn so với các loại động cơ khác
Trong hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động ta sử dụng các phương án truyền động sau:
- Động cơ DC có bộ giảm tốc để kéo băng tải
- Động cơ DC có bộ giảm tốc để điều khiển băng tải
Tính toán băng tải
Dây chuyền được thiết kế với hai hệ thống băng tải: băng tải đầu vào và băng tải đầu ra Do tải trọng giữa hai băng tải không chênh lệch nhiều và có cấu trúc tương tự, chúng ta chỉ cần tính toán cho băng tải đầu ra, trong khi các thông số của băng tải đầu vào sẽ được lấy tương tự.
4.4.1 Xác định các thông số cơ bảng của băng tải
- Qua việc nghiên cứu vị trí làm việc và để đảm bảo dây chuyền hoạt động đúng năng suất ta xác định được chiều dài băng tải L = 2 (m)
- B = 120 ( mm ) – lấy theo đường kính chai
- Theo đặc điểm và vị trí làm việc của băng ta xác định được = 0
Để duy trì sự ổn định và đồng bộ cho dây chuyền sản xuất, chúng ta lựa chọn vận tốc băng tải là 0.2m/s, được điều khiển bởi động cơ thông qua hộp giảm tốc.
Năng suất băng tải: theo trang [ 2 ] trang 274, ta có:
- Trong đó: v: là vân tốc băng tải (m/s)
G0: là khối lượng một sản phẩm (kg) t: là khoảng cách trọng tâm sản phẩm trên băng tải (m)
4.4.2 Xác định công suất dẫn động băng tải
Theo [ 2 ] ta có công suất dẫn động băng tải có thể xác định theo công suất sau:
Ln: Hình chiếu độ dài vận chuyển: ( Ln =L.cos )
H: Chiều cao vận chuyển vật liệu (m) (Nếu băng tải đặt nằm ngang thì H=0) Q: Năng suất của băng tải : (T/h) Q = 1,08 (T/h) v: Vận tốc của băng (m/s) : v = 0,2 (m/s) k1: Hệ số phụ thuộc vào chiều rộng băng Với B = 300 (mm) thì k1 =0,015 k2: Hệ số phụ thuộc vào chiều dài vận chuyển Với L = 2 m thì k2 = 1,12 ở đây ta có : H = 0 ( m ) Ln = 2.cos0o = 2 (m)
4.4.3 Xác định lực kéo của băng tải
4.4.4 Xác định lực căng băng nhánh vào và nhánh ra của tang trống chủ động
Lực căng băng nhánh vào và nhánh ra được xác định theo công thức sau: Theo [ 2 ] trang 278, ta cú: Sv = W.e àa / e àa – 1 (4.4)
- Trong đó: Sv: lực căng băng tải vào (N)
Sr: lực căng băng tải ra (N)
: Hệ số ma sát Chọn = 0,4
4.4.5 Kiểm tra lực căng băng tải
Điều kiện để không có hiện tượng trượt băng trên tang trống chủ động là:
Băng có thể làm việc bình thường.
Xác định công suất động cơ
- Trong đó: P: Công suất tại số vòng quay xác định (W)
M: Mô men tại số vòng quay đó (N.m) ω: Tốc độ góc (vòng/ phút) n: Tốc độ động cơ (vòng/ phút) m: Khối lượng tải (Kg)
R: Bán kính cánh tay đòn(m)
- Chọn hệ số ma sát K = 1,12 (Bảng 10.3 sách Máy trục- Vận chuyển - Đại học GTVT2000) [2]
- Từ (4.7), Công suất động cơ băng tải vào:
- Công suất băng tải ra:
Tính toán xi lanh định lượng và vòi chiết
Dựa trên yêu cầu của đề tài, việc chiết chai 297ml cần tính toán đường kính của xi lanh định lượng và đường kính vòi chiết để đảm bảo thời gian chiết phù hợp với năng suất của dây chuyền sản xuất.
Vì chiết chai dung tích 297ml ta có thể dựa vào đó để tính kích thước của xi lanh định lượng
Theo công thức tính thể tích hình trụ: V = π.r 2 h (4.8)
• V: Là thể tích bằng 297ml
• r: Là bán kính, theo yêu cầu về vị trí lắp đặt phù hợp với khoảng cách bố trí giữa các chai trên mâm ta chọn r
Vậy xi lanh định lượng có dung tích 297ml, đường kính piston 2 - 3 cm, dài 10.5cm
Năng suất máy phụ thuộc vào hiệu suất của bộ phận chiết rót do các cơ cấu hoạt động song song với nhau.
• Với 1 vòi chiết, số sản phẩm ra trong một giờ là: 1200
• Thời gian cho ra một sản phẩm: Τ = 3600
- Vì các cơ cấu hoạt động song song nhau nên thời gian để tạo ra một sản phẩm bao gồm
• Thời gian đưa chai vào vị trí định vị: t2
- Để đáp ứng được thời gian chiết trong 2s ta cần tính toán tiết diện vòi chiết cho phù hợp:
Mặc khác ta lại có: Q = S.v => S= 𝑄
20 = 7,2 cm 2 (4.10) Trong đó: Q: là lưu lượng
V: là thể tích t: là thời gian v: là tốc độ bằng 0,2 m/s
Chế tạo cơ khí
Bảng 1: Dụng cụ hổ trợ chế tạo cơ khí
Tên dụng cụ Hình ảnh minh họa
Thép hộp mã kẽm 30x30 (mm)
