Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động

Tên đề tài: “ THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHIẾT RÓT,ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN TỰ ĐỘNG” Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Mã sinh viên: 1811504410123 Lớp: 221DATNC01 Sinh viên thực h

TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

Giới thiệu về tự động hóa

Tự động hóa (điều khiển tự động) là công nghệ sử dụng hệ thống điều khiển để vận hành các thiết bị máy móc trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, giúp hạn chế tối đa sự can thiệp của con người Trong thực tế, hệ thống tự động hóa đóng vai trò quan trọng trong các dây chuyền sản xuất, nồi hơi, lò nhiệt, hệ thống ổn định tàu thủy và máy bay, nâng cao hiệu quả và độ chính xác của quá trình vận hành.

Hình 1 1 Ứng dụng tự động hóa trong sản xuất bia Heniken ở Việt Nam [1]

Trong hệ thống tự động hóa tổng hợp, điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất giữ vai trò trọng yếu, thể hiện tính linh hoạt qua đặc điểm 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 luôn tối đa mà phụ thuộc vào điều kiện cụ thể để xác định mức độ tối ưu, phù hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất và chi phí hợp lý Thuật ngữ "tự động hóa" bắt nguồn từ các máy tự động, nhưng không phổ biến trước năm 1947, sau khi Ford thành lập bộ phận tự động hóa Trong giai đoạn này, ngành công nghiệp đã nhanh chóng áp dụng điều khiển phản hồi, một công nghệ tiên phong được giới thiệu từ những năm 1930.

Tự động hóa ngày càng phát triển nhờ vào sự kết hợp của nhiều phương pháp như cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, giúp tối ưu hóa quy trình sản xuất và vận hành Các hệ thống tự động hóa phức tạp, đặc biệt trong các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thủy, thường tích hợp nhiều công nghệ này để đạt hiệu suất cao và nâng cao độ chính xác Việc ứng dụng tự động hóa không chỉ nâng cao năng suất mà còn giảm thiểu sai sót, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí vận hành.

1.1.2.Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa

Tự động hóa các quá trình sản xuất giúp giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động, đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm Tuy nhiên, quá trình này cũng phải đối mặt với các quy luật kinh tế tác động đến chi phí sản xuất, đặc biệt là chi phí đào tạo nhân công và đầu tư trang thiết bị phức tạp hơn Chính điều này đã trở thành động lực thúc đẩy sự phát triển của công nghệ tự động hóa trong ngành sản xuất.

Tự động hóa trong sản xuất giúp nâng cao hiệu quả công việc và giảm thiểu những khó khăn khi phụ thuộc vào lao động thủ công Nhờ quá trình tự động hóa, điều kiện lao động của công nhân được cải thiện rõ rệt, đặc biệt tại các khâu độc hại, nặng nhọc và có tính lặp đi lặp lại gây nhàm chán Áp dụng tự động hóa không chỉ nâng cao năng suất mà còn góp phần tạo môi trường làm việc an toàn, hiện đại hơn.

Quá trình sản xuất tự động hóa giúp nâng cao cường độ sản xuất và dễ dàng thực hiện công đoạn chuyên môn hóa, đồng thời giúp đổi mới phương pháp sản xuất một cách hiệu quả Đây là yếu tố quyết định để các nhà sản xuất có thể đáp ứng tốt các yêu cầu về năng suất và chất lượng, từ đó nâng cao khả năng cạnh tranh trên thị trường Áp dụng tự động hóa trong sản xuất không chỉ tối ưu hóa quy trình mà còn mang lại lợi thế cạnh tranh bền vững cho doanh nghiệp.

1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa

Các giới hạn về kỹ thuật của hệ thống tự động bao gồm khả năng bị hạn chế về trí thông minh, dẫn đến dễ mắc lỗi ngoài phạm vi kiến thức đã được lập trình sẵn Ngoài ra, việc dự đoán chính xác kết quả và chi phí phát triển tự động hóa có thể vượt quá mức dự kiến, gây ra chi phí nghiên cứu và phát triển quá mức so với dự toán ban đầu.

Chi phí ban đầu cao là một yếu tố quan trọng khi triển khai tự động hóa cho sản phẩm mới, bởi vì khoản đầu tư ban đầu lớn hơn nhiều so với chi phí mỗi đơn vị sản phẩm Tuy nhiên, lợi thế của tự động hóa là khả năng phân bổ chi phí này qua nhiều sản phẩm và thời gian dài, giúp giảm thiểu tác động tài chính trong dài hạn.

Giới thiệu hệ thống chiết rót chai tự động

Hệ thống chiết rót tự động đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất, đặc biệt trong lĩnh vực đóng gói chất lỏng công nghiệp Đây là thành phần thiết yếu giúp nâng cao hiệu quả, chính xác và tiết kiệm thời gian trong quá trình chiết rót, rửa và đóng nắp sản phẩm Việc sử dụng hệ thống chiết rót tự động giúp đảm bảo chất lượng và an toàn cho các sản phẩm đóng chai, góp phần nâng cao năng suất và tối ưu hóa hoạt động của dây chuyền sản xuất.

Hình 1 2 Hệ thống chiết rót của công ty nước khoáng Vĩnh Hảo [2]

Hệ thống chiết rót chai tự động được sử dụng phổ biến trong các ngành thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất và dầu nhớt Sự ra đời của máy chiết rót tự động giúp tiết kiệm chi phí nhân công đáng kể và nâng cao năng suất đóng gói sản phẩm vào chai một cách hiệu quả Đây là giải pháp tối ưu giúp các nhà sản xuất nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình chiết rót.

Hệ thống chiết rót, đóng nắp và đóng thùng bán tự động tích hợp nhiều quy trình vận hành tự động để nâng cao hiệu quả sản xuất Bộ điều khiển trung tâm thường sử dụng PLC, giúp điều khiển chính xác các khâu trong quá trình sản xuất Nhân công chủ yếu tham gia vào các công đoạn điều khiển thủ công, như xếp chai vào, đóng thùng và vận hành máy móc, nhằm tối ưu hóa quá trình vận hành tự động.

1.2.2.Chức năng của hệ thống và phạm vi thực tiễn

- Chức năng chính của hệ thống:

Hệ thống sản xuất hoạt động như một dây chuyền liên tục, hoàn chỉnh các công đoạn để tạo ra thành phẩm chất lượng Các công đoạn trong dây chuyền được tự động hóa cao, giảm thiểu sự can thiệp của con người chỉ để vận hành và kiểm soát đầu vào, đầu ra Nhờ vậy, quy trình sản xuất trở nên nhanh chóng, chính xác và tiết kiệm chi phí, mang lại nhiều ưu điểm vượt trội cho doanh nghiệp.

Nâng cao năng suất lao động và giảm giá thành là mục tiêu chính của hệ thống tự động hóa Với khả năng rót hàng nghìn chai mỗi giờ, hệ thống này giúp tăng năng suất vượt trội so với phương pháp thủ công, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả sản xuất dựa trên dung tích của từng chai.

Hệ thống chống chiết rót tự động giúp giảm số lượng và chi phí nhân công đáng kể, mang lại hiệu quả vận hành tối ưu Nhờ vào quá trình tự động hóa, công việc trở nên đơn giản hơn, giảm thiểu số lượng công nhân cần thiết dựa trên dung tích của từng chai Điều này không chỉ giảm thiểu chi phí lao động mà còn nâng cao năng suất sản xuất.

Việc tự động hóa các hoạt động giúp nâng cao sự an toàn trong quá trình vận hành máy móc Khi người vận hành chuyển từ vị trí tham gia tích cực sang vai trò đốc công, nguy cơ xảy ra tai nạn giảm rõ rệt Điều này đảm bảo môi trường làm việc an toàn hơn và nâng cao hiệu suất công việc.

Hệ thống chiết rót giúp nâng cao chất lượng sản phẩm bằng cách cung cấp quy trình sản xuất nhanh hơn so với phương pháp thủ công, đồng thời đảm bảo sự đồng nhất và chính xác cao hơn trong việc đáp ứng các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai, góp phần nâng cao hiệu quả và độ tin cậy của sản phẩm cuối cùng.

Hệ thống chiết rót có chi phí đầu tư ban đầu cao do yêu cầu chuyển đổi từ lao động thủ công sang dây chuyền tự động, giúp nâng cao năng suất và độ chính xác Ngoài ra, cần khoản chi phí lớn để đào tạo nhân viên vận hành các thiết bị, máy móc hiện đại và phức tạp, đảm bảo hoạt động hiệu quả của toàn bộ hệ thống.

Các cơ sở sản xuất nước rửa chén, nước giải khát, nước tinh khiết và bia đòi hỏi quy trình vệ sinh và khử trùng nghiêm ngặt để đảm bảo an toàn thực phẩm Các sản phẩm chất lỏng hoặc chất lỏng cô đặc này yêu cầu tiêu chuẩn vệ sinh cao nhằm loại bỏ mọi nguy cơ gây ô nhiễm Việc duy trì tiêu chuẩn vệ sinh khử trùng cao giúp đảm bảo chất lượng và an toàn cho người tiêu dùng.

Sử dụng với loại chai có dung tích từ 200 ml - 1000 ml.

Trong đồ án này, nhóm chúng em chọn chai nước Nutri loại nắp vặn có dung tích 297 ml làm đối tượng nghiên cứu.

Tính cấp thiết của đề tài

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu tiêu dùng thực phẩm đóng gói và nước uống đóng chai ngày càng tăng cao, phản ánh sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống Các sản phẩm này ngày càng đa dạng về mẫu mã và chất lượng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng trong cuộc sống hàng ngày.

Theo khảo sát của Euromonitor năm 2015, thị trường đồ uống đóng chai đã đạt gần 170 tỷ USD và dự kiến sẽ tăng gần 10% đến năm 2020 Trong phân khúc này, nước chiếm hơn 35% thị phần, dẫn đầu thị trường, trong khi đồ uống có ga chiếm khoảng 22% Nước uống đóng chai dự kiến sẽ tăng trưởng nhanh nhất nhờ xu hướng tiêu dùng ưa thích các loại nước cung cấp năng lượng.

Dự báo cho thấy thị trường Châu Á – Thái Bình Dương sẽ tiếp tục dẫn đầu về tốc độ tăng trưởng, trong đó Việt Nam góp phần quan trọng vào xu hướng này Sức hút của ngành nước đóng chai ngày càng gia tăng, thúc đẩy nhiều doanh nghiệp mở rộng và tham gia vào lĩnh vực tiềm năng này.

Hệ thống chiết rót tự động là thiết bị giúp chiết rót chính xác một lượng chất lỏng vào các chai, bình, lọ, , đáp ứng yêu cầu cao về năng suất và vệ sinh an toàn thực phẩm trong ngành công nghiệp thực phẩm Các máy chiết rót tự động phù hợp với tính chất của chất lỏng khác nhau, do đó chúng có cấu tạo và phương pháp hoạt động đa dạng Việc sử dụng hệ thống chiết rót tự động giúp nâng cao hiệu quả sản xuất, đảm bảo chất lượng và an toàn cho sản phẩm cuối cùng.

TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 7 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống

Băng tải

Hệ thống băng tải, hay băng chuyền, là giải pháp tiết kiệm lao động, thời gian và nâng cao hiệu quả trong các nhà máy sản xuất Băng tải giúp vận chuyển một tải đơn như hộp, túi hoặc nhiều vật liệu như đất, bột, thực phẩm từ điểm A đến điểm B một cách nhanh chóng và hiệu quả Theo định nghĩa chuyên nghiệp, hệ thống băng tải là thiết bị vận chuyển hàng hóa và nguyên vật liệu có tính kinh tế cao trong sản xuất, phù hợp với mọi khoảng cách Hệ thống băng chuyền đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền sản xuất và lắp ráp, góp phần tạo ra môi trường làm việc năng động, khoa học và tăng hiệu quả kinh tế, đồng thời giải phóng sức lao động đáng kể.

2.2.1 Cấu tạo của băng tải

- Một động cơ giảm tốc trục vít và bộ điều khiển kiểm soát tốc độ

- Bộ con lăn, truyền lực chủ động

- Hệ thống khung đỡ con lăn

- Hệ thống dây băng hoặc con lăn

 Băng tải PVC: dễ lắp đặt

 Băng tải dạng xích: dùng dể vận chuyển các vật liệu nặng

Băng tải con lăn là giải pháp vận chuyển hàng hóa hiệu quả, đa dạng về chất liệu như băng tải con lăn nhựa PVC, băng tải con lăn thép mạ kẽm giúp nâng cao độ bền và khả năng chống ăn mòn Các loại băng tải con lăn truyền động bằng motor được sử dụng phổ biến trong các dây chuyền sản xuất và kho chứa hàng, đảm bảo quá trình vận chuyển diễn ra liên tục và thuận tiện.

Hình 2 4 Băng tải con lăn

 Băng tải dạng dạng lưới: kết hợp vận chuyển và sấy thực phẩm

Hình 2 5 Băng tải dạng lưới

 Với quy mô đồ án hiện tại, nhóm đã lựa chọn phương án thiết kế như sau:

- Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ.

- Truyền động bởi động cơ DC giảm tốc.

- Khung băng tải sử dụng kết hợp nhôm định hình và thanh thép lỗ:

- Dễ tháo lắp, có thể điều chỉnh và di dời.

- Đa dạng về kích thước.

- Đảm bảo tính chắc chắn, ổn định.

- Đảm bảo độ đồng phẳng của băng tải

- Có khả năng đàn hồi cao, chịu được nhiệt.

- Giá thành rẻ, độ bền cao.

- Vì đường kính chai nước d = 60 mm nên lựa chọn băng tải có bề rộng B = 100 mm Chiều dài làm việc của băng tải L = 850 mm.

Kết luận: Để đáp ứng được yêu cầu đề tài đưa ra chúng em chọn băng tải thẳng dạng PVC.

2.2.3 Tính toán động cơ cho băng tải

Yêu cầu về động cơ DC giảm tốc truyền động băng tải:

 Kích thước nhỏ gọn, dễ gá đặt.

 Mạch điều khiển đơn giản.

 Tính chọn động cơ DC giảm tốc:

- Xác định công suất yêu cầu của động cơ

- Công suất yêu cầu của động cơ được tính theo công thức: [3]

 P ct : Công suất cần thiết trên trục động cơ (kW).

 P td : Công suất trên trục máy công tác (kW).

 η: Hiệu suất của toàn bộ hệ thống truyền động.

Xác định P td : Công suất trên trục công tác được tính theo công thức:

Với: + F: Lực kéo băng tải (N), với F0 N.

- Xác định η: Hiệu suất truyền động của toàn bộ hệ thống được tính theo công thức: η = η đ

Tra bảng 2.3 [TTKHDDCK]- tr19 ta có: [3] η đ = 0,95: Hiệu suất bộ truyền đai

 Ta tính được công suất yêu cầu trên trục động cơ:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 10

Xác định sơ bộ tốc độ quay của động cơ điện:

+ n lv : Số vòng quay trục máy công tác (vg/ph)

Xác định n lv : theo công thức:

Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là:

- Chỉ cần vận chuyển chai trên băng tải.

- Băng tải chạy liên tục, có các cụm chi tiết chặn chai.

- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng nhẹ.

- Dễ điều khiển, giá thành rẻ.

Dựa trên các yêu cầu và tính toán lực, nhóm đã quyết định chọn động cơ điện một chiều làm động cơ dẫn động băng tải Động cơ này có momen lớn phù hợp với tải trọng làm việc của băng tải, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả Đồng thời, động cơ được trang bị hộp số loại 24V-25W, giúp điều chỉnh tốc độ phù hợp Tốc độ quay trên trục sau hộp số đạt 57 vòng/phút, đảm bảo vận hành trơn tru và chính xác của hệ thống băng tải.

Hình 2 6 Động cơ giảm tốc 370CH

Hệ thống chiết rót

2.3.1 Phương pháp định lượng, chiết rót

 Định lượng bằng xy-lanh định lượng:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 11

Phương pháp này tối ưu hóa độ chính xác trong quá trình chiết rót, đảm bảo lượng chất lỏng được đong vừa đủ theo mức quy định của xy lanh Nhờ đó, quá trình chiết rót diễn ra chính xác hơn, giúp duy trì lưu lượng ổn định và đồng đều Across tất cả các chai Đây là giải pháp hiệu quả để nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm trong ngành sản xuất đóng chai.

Phương pháp này đã trở thành tiêu chuẩn trong các hệ thống sản xuất thực phẩm dạng lỏng và đồ uống của các thương hiệu hàng đầu như Coca-Cola, Pepsi Nó được áp dụng rộng rãi để đảm bảo chất lượng và hiệu quả trong quy trình sản xuất Các thương hiệu lớn trên thế giới đều tin dùng phương pháp này để nâng cao năng suất và đảm bảo tiêu chuẩn an toàn thực phẩm.

Nhược điểm của hệ thống này là giá thành chế tạo cao do định mức cố định, khiến việc thay đổi thể tích chiết rót trở nên khó khăn Khi muốn điều chỉnh thể tích, người dùng buộc phải thay đổi toàn bộ thể tích xy-lanh, điều này tương đương với việc phải mua mới toàn bộ thiết bị, tăng chi phí và gây bất tiện trong quá trình vận hành.

 Định lượng bằng cảm biết mực chất lỏng:

Phương pháp này có độ chính xác khá cao nhờ cảm biến được đặt gần sát mực thể tích mong muốn Khi lượng chất lỏng rót đạt đến mức quy định, cảm biến sẽ gửi tín hiệu để xử lý, ngắt van ống dẫn chất lỏng một cách tự động.

Phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường như vị trí đặt cảm biến và chất lượng cảm biến, trong đó chất lượng cảm biến tỷ lệ thuận với giá thành Việc bảo trì định kỳ là cần thiết để đảm bảo cảm biến hoạt động hiệu quả, tránh tình trạng cảm biến không nhận tín hiệu, dẫn đến nước tràn và gây hư hỏng các thiết bị điện.

 Định lượng bằng thời gian:

Phương pháp này có độ chính xác tương đối trong quá trình rót sản phẩm vào chai, vì thời gian rót được quy định rõ trong chương trình Khi thời gian rót kết thúc, van sẽ tự động ngắt không cho nước chảy qua, đảm bảo quá trình đóng gói diễn ra thuận lợi.

- Ưu điểm là khiến việc lập trình điều khiểm đơn giản hơn, dễ dàng thay đổi khi muốn tăng hay giảm thể tích chai, tiết kiệm chi phí.

- Nhược điểm là độ chính xác không cao.

Kết luận: Do không yêu cầu cao về thể tích nước trong chai và tiết kiệm chi phí nhất, nhóm em chọn phương pháp định lượng bằng thời gian.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của chiết rót

Chai di chuyển trên băng tải đến vị trí chiết rót dung dịch, nơi cảm biến hồng ngoại phát hiện có chai và gửi tín hiệu về PLC điều khiển PLC điều khiển xi lanh khí nén đẩy chai vào vị trí dưới vòi bơm để thực hiện quá trình chiết Quá trình bơm dung dịch diễn ra trong khoảng thời gian đã được tính toán để đạt lượng nước mong muốn Sau khi bơm hoàn tất, PLC điều khiển xi lanh đi ra, chuẩn bị cho chu trình tiếp theo.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 12

2.3.3 Tính toán cho hệ thống chiết rót

Trong các hệ thống chiết rót công nghiệp, thường sử dụng động cơ bơm nước công suất lớn, có độ bền cao và khả năng hoạt động liên tục trong thời gian dài để đảm bảo hiệu suất tối ưu Tuy nhiên, đối với các quy mô nhỏ hơn, nhóm tập trung vào việc chọn loại động cơ bơm nước 12V nhờ vào kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và chi phí phù hợp.

 Chọn bơm mini 12v công suất p=2,6(l/ph).

 Dung lượng chai cần chiết rót 297 (ml).

 Thời gian cần để mức nước cần thiết là:

 Kích thước miệng lỗ 16mm.

 Chọn kích thước vòi phun 10mm

Hệ thống cấp nắp chai tự động

Sau khi chai nhựa đi qua hệ thống chiết rót, băng tải tiếp tục vận hành, đồng thời chúng tôi lắp đặt một cơ cấu cấp nắp đơn giản để tự động đưa nắp lên cho chai Cơ cấu này gồm một máng chứa nắp được đặt nghiêng góc 35 độ so với băng tải và một thanh chắn giữ nắp giúp đảm bảo nắp luôn nằm đúng vị trí cuối lòng màng Quá trình này giúp nâng cao hiệu suất đóng chai và đảm bảo nắp đậy chắc chắn, phù hợp với các yêu cầu về tính tự động và tiết kiệm thời gian trong dây chuyền sản xuất.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 13

Nguyễn Ngọc Bảo Nắp sẽ tự động mở khi nắp chai ở vị trí chuẩn, nhờ cơ cấu kéo theo giúp dễ dàng thực hiện thao tác đóng mở Khi chai tới vị trí cấp nắp, hệ thống sẽ tác dụng lực vừa đủ lên thanh chắn để lấy nắp một cách dễ dàng và chính xác Thiết kế này tối ưu hóa quy trình đóng mở chai, mang lại sự tiện lợi và hiệu quả cao cho người dùng.

Hình 2 8 Hệ thống cấp nắp

Hệ thống đóng nắp chai tự động

 Cơ cấu vặn nắp chai

Hình 2 9 Cơ cấu vặn nắp chai

Chụp vặn nắp được giữ chặt với trục động cơ nhờ một con vít trên nắp của chụp vặn, giúp đảm bảo kết nối chắc chắn Nắp được cố định vào thân nhờ vào ren, tạo sự liên kết bền vững và dễ dàng tháo lắp Bên trong chụp có một chi tiết côn làm bằng nhựa, dễ gia công, có nhiệm vụ tiếp xúc trực tiếp với nắp chai để đảm bảo hoạt động chính xác Chi tiết côn này có thể dễ dàng thay thế bằng các kích thước khác nhau phù hợp với từng loại nắp khác nhau, tăng tính linh hoạt cho thiết bị.

Sau khi chai đã được chiết rót, nó được chuyển đến vị trí vặn nắp Tại đây, cảm biến nhận diện chai sẽ hoạt động để xác định sự có mặt của sản phẩm Khi cảm biến phát hiện chai, hệ thống xy-lanh sẽ kích hoạt, điều chỉnh động cơ giảm tốc để chuẩn bị thực hiện việc vặn nắp chai một cách chính xác và hiệu quả.

Sau 1 khoảng thời gian động cơ sẽ được đưa trở lại vị trí ban đầu và cứ tiếp tục như vậy

2.5.1 Tính toán lực tác dụng vào chai

Khi bạn xoáy nắp chai, lực tác dụng từ đầu xoáy gây ra lực F tác dụng lên chai, khiến nắp đi xuống Quá trình này giúp mở nắp một cách dễ dàng và thuận tiện hơn Lực F tác dụng lên mặt trên của nắp đóng vai trò chính trong việc tháo mở và có ảnh hưởng đến quá trình mở chai Hiểu rõ cơ chế này giúp người dùng thao tác mở nắp hiệu quả hơn và tránh gây hư hỏng cho chai hoặc nắp.

Trong trường hợp này, chai và nắp được gắn chặt vào nhau và coi như một vật thể duy nhất Lực nén F tác dụng lên chai đạt giá trị lớn nhất, gây ra lực ma sát Fms giữa đầu xoay và nắp khi xoay Lực ma sát này đóng vai trò quan trọng trong việc xác định độ bền và khả năng xoay của nắp chai trong quá trình sử dụng.

F ms gây ra momen cản xoay

- k là hệ số ma sát giữa bề mặt đệm cao su và nắp chai k; chọn k = 1.

- F là lực đẩy của xy-lanh

Ta có, lực đẩy của xy-lanh : [4] đ ẩ =

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 15

- F là lực đẩy của xy-lanh (kg)

- P là áp suất sử dụng (kg/cm3)

- A là tiết diện của xy-lanh

- D là đường kính xy-lanh (cm)

 Chọn động cơ vặn nắp chai

+ Yêu cầu: Tạo đủ momen để vặn chặt được nắp chai

Momen cần thiết để nắp chai được vặn chặt là 2,8 Nm Đây cũng chính là yêu cầu tối thiểu của momen động cơ vặn nắp.

+ Lựa chọn động cơ giảm tốc JGB37-520

- Dòng chạy không tải: 40mA (miliampe)

- Tốc độ không tải: 350-500RPM (vòng quay)

- Điện áp áp dụng: 6V-24V (500 kiểu chuyển 125-500RPM) (350 kiểu chuyển 87-350RPM)

- Tổng chiều dài của động cơ: 69,25mm

- Đường kính trục động cơ: 6mm

- Chiều dài trục đầu ra: 15mm

- Khoảng cách lỗ: 31mm trái và phải, khẩu độ: 2,5mm

Hệ thống dán nhãn

 Kích thước của nhán dãn ( 50x30 mm )

 Cấu tạo của cơ cấu dán nhãn:

2 Trục động cơ (trục chủ động).

Hình 2 13 Cơ cấu dán nhãn

 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu dán nhãn:

Khi cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản (phôi), xy-lanh gắn con lăn sẽ đẩy ra để kích hoạt quá trình Động cơ sau đó bắt đầu xoay chai, giúp nhãn được bóc ra do băng dán nhãn bị gấp khúc Chai được xoay đều nhờ động cơ, và nhãn dính chặt vào chai nhờ sự ma sát giữa các con lăn khi động cơ hoạt động, đảm bảo nhãn bám chắc và chính xác trên bề mặt chai.

 Chọn động cơ bộ dán nhãn:

Theo thời gian, số vòng quấn của dải giấy để dán nhãn chai thay đổi từ bánh bị quấn sang bánh quấn chủ đạo, làm thay đổi đường kính của cặp bánh quấn kéo nhãn và gây ra sự biến đổi vận tốc quay theo thời điểm Điều này khiến cho quá trình tính toán trở nên phức tạp Vì vậy, để đảm bảo chính xác, chúng tôi sử dụng động cơ bước điều khiển bằng cảm biến Encoder cho bánh quấn chủ động Để tối ưu hiệu suất, chúng tôi đã lựa chọn hai động cơ giảm tốc cao cấp là 370HC và JGB37-520 đã giới thiệu ở trên cho bộ dán nhãn.

Hình 2 14 Động cơ giảm tốc 370HC - Động cơ giảm tốc JGB37-520

CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG

Khối nguồn

Bộ nguồn 1 chiều 24 VDC đươc dùng để cấp nguồn hoạt động cho các khối tín hiệu vào/ra, khối xửa lý trung tâm PLC, khối cơ cấu chấp hành.

Trong ngành công nghiệp hiện nay, điện áp một chiều được ứng dụng rộng rãi nhờ những ưu điểm vượt trội như khả năng điều chỉnh dễ dàng và mô-men mở máy lớn, phù hợp cho các thiết bị vận chuyển, truyền động máy c Cutting gọt, hệ thống giao thông đường sắt, ô tô chạy điện, xe rùa bốc dỡ hàng và kỹ thuật điện hóa Động cơ một chiều mang lại khả năng điều chỉnh tốc độ trơn tru và linh hoạt trong việc lựa chọn công suất, góp phần nâng cao hiệu quả hoạt động của các hệ thống công nghiệp.

Động cơ điện một chiều gặp hạn chế do dòng điện một chiều không được sử dụng rộng rãi và có thiết kế phức tạp, cồng kềnh Vì vậy, để tạo ra dòng điện một chiều, người ta thường biến đổi từ dòng điện xoay chiều, loại dòng điện được sử dụng phổ biến hiện nay.

"nguồn ổn áp một chiều"

Nguồn ổn áp một chiều là thiết bị chuyển đổi dòng điện xoay chiều tần số 50Hz thành dòng điện một chiều với điện áp tùy chỉnh theo yêu cầu của phụ tải Điện áp đầu ra có thể duy trì ổn định trong một phạm vi nhất định nhờ vào tín hiệu xung điều khiển tranzitor Mạch ổn áp gồm bốn thành phần chính, bao gồm nguồn nhỏ, mạch điều khiển, mạch chỉnh lưu và mạch lọc, đảm bảo cung cấp nguồn ổn định và tin cậy cho các thiết bị điện tử Việc lựa chọn nguồn ổn áp phù hợp giúp nâng cao hiệu quả hoạt động và giảm thiểu sự cố trong hệ thống điện.

- Biến áp: Biến đổi điện áp từ lưới điện 220V tần số 150Hz thành điện áp thấp (6V, 9V, 12V, 24V ) phù hợp với đầu vào của bộ chỉnh lưu bán dẫn.

- Chỉnh lưu: Là bộ biến đổi điện áp xoay chiều ở đầu vào thành điện áo một chiều ở đầu ra ở độ nhấp nhô phụ thuộc vào sơ đồ chỉnh lưu.

- Bộ lọc: Là bộ lọc bớt thành phần sóng hài bậc cao của điện áp chỉnh lưu nhằm san phẳng điện áp chỉnh lưu.

- Mạch ổn áp: là mạch để duy trì điện áp tải ở một khoảng nhất định phụ tải thay đổi đột ngột.

 Sơ đồ tổng quát của mạch cấp nguồn:

Hình 3 1 Sơ đồ khái quát của mạch cấp nguồn

Yêu cầu của mô hình với các đầu vào PLC và cảm biến sử dụng điệp áp 24V-

DC nên ta chọn bộ nguồn AC-DC có đầu ra ở mức phù hợp để cấp cho các thiết bị trong mô hình.

 Thông số kỹ thuật nguồn tổ ong 24V-DC

- Đầu vào: 110VAC -220VAC (chỉnh bằng công tắc gạt)

Hình 3 2 Nguồn tổ ong 24VDC – 10A 3.1.2 Nguồn khí nén

Nguồn khí nén là yếu tố quan trọng để cung cấp năng lượng cho các bộ phận chấp hành hoạt động bằng khí nén trong hệ thống công nghiệp Trong quá trình sản xuất công nghiệp, tùy vào quy mô và yêu cầu của nhà máy, các doanh nghiệp thường xây dựng nhiều trạm khí nén khác nhau để phục vụ các mục đích sản xuất đa dạng Việc xây dựng hệ thống trạm khí nén đảm bảo cung cấp khí nén ổn định, đáp ứng hiệu quả các hoạt động tự động hóa và nâng cao năng suất sản xuất.

Yêu cầu tối thiểu trong công nghiệp, khí nén cũng phải xử lý sơ bộ đảm bảo các tiêu chuẩn:

- Khô và không lẫn bụi

Các tiêu chuẩn hiện tại chủ yếu đáp ứng các yêu cầu chung trong các công việc như làm sạch môi trường, xử lý sản phẩm và bơm hơi Để hệ thống khí nén vận hành bền vững, liên tục và tin cậy, cần tăng cường sự ổn định về áp suất của nguồn khí nén Bên cạnh đó, việc phun dầu bôi trơn cho các phần tử điều khiển và cơ cấu chấp hành là rất quan trọng để đảm bảo hiệu quả và tuổi thọ của hệ thống khí nén.

 Giới thiệu về máy khí nén sử dụng trong mô hình

Máy nén khí lấy không khí từ bên ngoài qua hệ thống làm sạch khí, sau đó được nén lại rồi chuyển vào trong bình khí nén.

Máy nén khí có nhiệm vụ thu hút không khí, hơi ẩm, khí đốt ở một áp suất nhất định tạo ra nguồn lưu chất có áp suất cao hơn.

Nguyên lý thay đổi thể tích trong máy nén khí dựa trên định luật Boyle – Mariotte, cho biết khi không khí được dẫn vào buồng chứa, thể tích của buồng sẽ giảm lại, làm tăng áp suất bên trong Các loại máy nén khí như máy nén kiểu pittong, bánh răng và cánh gạt hoạt động dựa trên nguyên tắc này để nén khí hiệu quả, giúp tăng áp suất và lưu lượng khí ra ngoài.

Nguyên lý động năng trong máy nén khí dựa trên việc không khí được dẫn vào buồng chứa dưới áp suất khí nén nhờ động năng của bánh dẫn, tạo ra lưu lượng và công suất lớn Máy nén khí hoạt động theo nguyên lý này, điển hình là dòng máy nén khí kiểu li tâm, giúp tối ưu hiệu suất và năng suất khí nén cho các ứng dụng công nghiệp.

Tìm hiểu các khối vào/ra ( I/O)

Cảm biến quang hoạt động dựa trên nguyên tắc thu phát chung, giúp phát hiện vật thể một cách chính xác Với khoảng cách tối đa lên đến 1 mét, thiết bị còn tích hợp núm điều chỉnh phạm vi phát hiện, cho phép tùy chỉnh phù hợp với nhu cầu sử dụng.

Cảm biến có phạm vi từ 100mm đến 1000mm, giúp ứng dụng linh hoạt hơn trong nhiều lĩnh vực Ngoài ra, sản phẩm được trang bị hai ngõ ra NO và NC, phù hợp với các hệ thống điện tử khác nhau, với lựa chọn kiểu NPN hoặc PNP để đáp ứng đa dạng yêu cầu kỹ thuật.

Cảm biến được sử dụng trong các ứng dụng phát hiện vật chính xác, đặc biệt là những vật có kích thước nhỏ, giúp tối ưu hóa quá trình nhận diện Đặc biệt, cảm biến có khả năng phát hiện các vật trong suốt như chai PET và túi nilon, nâng cao hiệu quả trong các hệ thống tự động hóa và xử lý chất thải.

- Thời gian đáp ứng: nhỏ hơn 1ms.

- Ngõ ra: PNP hoặc NPN, No và NC.

- Nhiệt độ làm việc: -25 đến 60 độ C.

- Vật liệu thân: nhựa ABS.

- Tần số hoạt động: 500Hz

Bộ phận phát sáng phát ra ánh sáng dưới dạng tần số, sau đó bộ phận thu sáng nhận diện và chuyển tiếp tín hiệu đến bộ xử lý điện tử Tín hiệu này được chuyển đổi theo tỷ lệ tranzít thành hai chế độ ON/OFF, phổ biến nhất là các kiểu NPN và PNP Quá trình này giúp hệ thống tối ưu hóa truyền tải dữ liệu và đảm bảo độ chính xác cao trong các ứng dụng điện tử.

Mạch cảm biến tốc độ Encoder V1 gồm có một mắt phát và một mắt thu hồng ngoại đặt cách nhau một khe hở, giúp phát hiện sự quay của dĩa encoder Khi ánh sáng từ mắt phát truyền qua lỗ của dĩa encoder và đến được mắt thu, tín hiệu mức cao 5V sẽ được phát ra tại chân out, còn khi bị che khuất, chân out sẽ phát tín hiệu ở mức thấp 0V Khả năng này giúp đo tốc độ quay chính xác và đáng tin cậy cho các ứng dụng tự động hóa.

Trong dự án lần này, cảm biến Encoder đóng vai trò quan trọng trong việc điều khiển quá trình cuộn nhãn, giúp xác định chính xác vị trí của nhãn khi nhãn chai chuẩn bị bong ra để dán vào chai Cảm biến được lắp đối diện với nhãn chai nhằm đảm bảo định vị chính xác cho từng nhãn trước khi dính, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình dán nhãn tự động.

- Điện áp sử dụng: 3.3 – 5VDC

- Mức tín hiệu xuất ra Digital: TTL

- Ngõ ra: Analog và Digital

- Khoảng cách giữa hai mắt phát và thu: 5mm

Nút ấn hay còn gọi là nút điều khiển là thiết bị khí cụ điện dùng để điều khiển từ xa các hệ thống điện như đóng cắt bằng điện từ, điện xoay chiều hoặc điện 1 chiều hạ áp Thiết bị này không chỉ dùng để điều khiển các dụng cụ báo hiệu mà còn để chuyển đổi các mạch điện điều khiển, tín hiệu liên động bảo vệ nhằm đảm bảo hoạt động an toàn và hiệu quả của hệ thống điện.

Nút ấn thường được sử dụng để khởi động, dừng và đảo chiều quay của các động cơ điện Nó hoạt động bằng cách đóng cắt cuộn dây nam châm điện của công tắc tơ hoặc khởi động từ, giúp kiểm soát chính xác quá trình vận hành của động cơ Đặc biệt, nút ấn đóng vai trò quan trọng trong hệ thống điều khiển điện, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các thiết bị công nghiệp hiện đại.

Nút ấn là thiết bị gồm hệ thống lò xo, các tiếp điểm thường mở và thường đóng cùng vỏ bảo vệ để đảm bảo an toàn và độ bền Khi tác động vào nút ấn, các tiếp điểm sẽ chuyển đổi trạng thái, giúp kích hoạt hệ thống điều khiển Khi không còn tác động, các tiếp điểm trở về trạng thái ban đầu, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định của thiết bị.

Hình 3 6 Nút nhấn điều khiển

- Nút nhấn nhả khi ấn xuống đóng mạch kín, thả tay ra trở về trạng thái hở mạch Thích hợp làm mô hình, đồ án , chế tạo, công nghiệp,…

- Kích thước khoan lỗ lắp đặt : 16mm

- Nút bền, độ nhạy, độ nảy tốt.

- Có sẵn đai ốc siết chặt.

Nút nhấn gồm ba thành phần chính: bộ truyền động, các tiếp điểm cố định và các rãnh, tạo nên cơ chế hoạt động chính của công tắc Khi nhấn nút, bộ truyền động chuyển qua các tiếp điểm cố định, làm thay đổi trạng thái của tiếp điểm để kích hoạt thiết bị Trong cấu trúc của nút nhấn còn có tiếp điểm động và lò xo, giúp xác định hành vi của công tắc khi vận hành Một số loại nút nhấn yêu cầu người dùng giữ hoặc nhấn liên tục để duy trì hoạt động của thiết bị, trong khi các loại khác có chốt giữ để giữ trạng thái bật đến khi người dùng nhấn lần nữa Hiểu rõ các thành phần của nút nhấn giúp nâng cao hiệu quả sử dụng và bảo trì hệ thống điện.

Rơle trung gian là thiết bị chuyển mạch tín hiệu điều khiển và khuếch đại chúng với kích thước nhỏ gọn, thường lắp đặt ở vị trí trung gian giữa thiết bị điều khiển công suất nhỏ và thiết bị công suất lớn hơn Rơle trung gian được sử dụng rộng rãi trong các hệ thống tự động hóa và điều khiển, với nhiều loại khác nhau phù hợp với các điện áp đặc biệt như 12VDC, 12VAC, 6VDC, 24VDC, 24VAC, 48VDC, 48VAC, 110VDC, 110VAC và 220VAC Các dòng rơle này đa dạng về chức năng và phù hợp với nhiều ứng dụng khác nhau trong công nghiệp và dân dụng.

Rơle trung gian thiết kế có đèn báo nguồn màu xanh cho điện áp DC và màu đỏ cho điện áp AC, giúp dễ dàng kiểm tra và bảo trì Đèn LED trạng thái cấp nguồn hiển thị rõ ràng để người dùng biết rơ le đang hoạt động, đảm bảo quá trình bảo dưỡng thuận tiện và an toàn.

Rơle trung gian có đế cắm được thiết kế chắc chắn, đảm bảo ôm chặt các chân của relay để tránh bị rung động trong quá trình hoạt động Thiết kế này giúp duy trì độ bền và ổn định của relay, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng của rung động cơ khí trên máy móc Nhờ đó, rơ le trung gian hoạt động ổn định, tăng tuổi thọ và hiệu suất làm việc của hệ thống tự động hóa.

Hình 3 7 Rơ-le trung gian

- Điện áp: 220VAC, 220VDC, 110VDC, 110VAC, 48VDC, 48VAC, 24VDC, 12VDC.

- Số lần đóng cắt: 100.000 lần.

- Kiểu chân: Chân tròn, chân dẹp nhỏ, chân dẹp lớn 10A.

- Số chân: 14 chân dẹp nhỏ 5A, 14 chân dẹp lớn 10A, 8 chân dẹp nhỏ, 8 chân dẹp lớn 10A, 11 chân tròn, 8 chân tròn 10A.

- Thời gian tác động: 20ms Max.

Tiêu chuẩn: VDE, UL, CSA, CE

Nguyên lý hoạt động của thiết bị dựa trên việc dòng điện chạy qua rơ le trung gian để tạo ra từ trường hút Khi dòng điện đi qua cuộn dây, nó tạo thành từ trường hút giúp đóng hoặc mở tiếp điểm điện, từ đó thay đổi trạng thái của rơ le trung gian Tùy vào thiết kế của thiết bị mà số lượng tiếp điểm điện có thể khác nhau, đảm bảo hoạt động hiệu quả và phù hợp với ứng dụng cụ thể.

Rơ le trung gian hoạt động dựa trên hai mạch chính, bao gồm mạch điều khiển cuộn dây để xác định dòng điện chạy qua hoặc không, và mạch điều khiển dòng điện qua rơ le để đảm bảo hoạt động chính xác của hệ thống Việc này giúp duy trì sự ổn định và an toàn trong quá trình vận hành của thiết bị điện Rơ le trung gian đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và điều khiển các mạch điện, đảm bảo các dòng điện được vận hành đúng theo thiết kế.

Khối xử lý trung tâm PLC

PLC (Programmable Logic Controller) là thiết bị điều khiển lập trình cho phép thực hiện các thao tác điều khiển logic linh hoạt qua ngôn ngữ lập trình Người dùng có thể lập trình để điều khiển các trình tự sự kiện, được kích hoạt bởi tác nhân bên ngoài hoặc qua các hoạt động có trễ như thời gian định kỳ hoặc đếm thời gian Khi sự kiện được kích hoạt, PLC sẽ bật hoặc tắt các thiết bị vật lý liên quan, đảm bảo hoạt động điều khiển chính xác theo chương trình đã lập Bộ điều khiển lập trình này liên tục lặp lại chu kỳ chờ tín hiệu đầu vào và xuất tín hiệu đầu ra theo các lệnh đã thiết lập, mang lại khả năng tự động hóa cao cho hệ thống công nghiệp.

Một PLC gồm các khối chính như Module Input, CPU và Module Output, trong đó Module Input chịu trách nhiệm thu nhận dữ liệu kỹ thuật số và analog, sau đó chuyển thành tín hiệu vượt cấp cho CPU CPU điều khiển và thực thi chương trình dựa trên bộ nhớ, đưa ra các lệnh điều khiển phù hợp Cuối cùng, Module Output chuyển các tín hiệu điều khiển từ CPU thành dạng digital hoặc analog để điều khiển các thiết bị, hệ thống trong quy trình tự động hóa.

Hình 3 8 Sơ đồ bộ điều khiển

 Ưu điểm của hệ thống điều khiển dùng PLC - Điều khiển linh hoạt, đa dạng.

- Lượng tương tác lớn, tốc độ hoạt động nhanh -

Tiến hành thay đổi và sửa chữa.

- Độ ổn định, độ tin cậy cao -

- Có thể nối mạng vi tính để giám sát hệ thống.

 Hạn chế của hệ thống điều khiển dùng PLC - Giá thành cao.

- Cần một chuyên viên để thiết kế chương trình cho PLC hoạt động -

Các yêu cầu cố định, đơn giản thì không cần PLC.

- PLC sẽ bị ảnh hưởng khi hoạt động cao, độ rung mạnh.

 Các ứng dụng của PLC

- Điều khiển các quá trình sản xuất: giấy, xi măng, nước giải khát, linh kiện điện tử, xe hơi, bao bì, đóng gói,…

- Rửa xe ô tô tự động.

- Giám sát hệ thống, an toàn nhà xưởng.

- Và còn nhiều hệ thống điều khiển tự động khác.

PLC S7-1200 của Siemens là dòng PLC mới với độ chính xác cao, thiết kế module nhỏ gọn, linh hoạt phù hợp nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Thiết bị này tích hợp giao thức truyền thông đáp ứng tiêu chuẩn cao nhất trong lĩnh vực tự động hóa công nghiệp, cùng các tính năng công nghệ mạnh mẽ tích hợp sẵn, tạo thành một giải pháp tự động hóa toàn diện và hiệu quả.

Với thiết kế theo dạng module, tính chính xác cao, dòng sản phẩm SIMATIC S7-

PLC S7-1200 phù hợp với nhiều ứng dụng tự động hóa từ nhỏ đến trung bình, mang lại hiệu quả cao trong các hệ thống điều khiển công nghiệp Đặc điểm nổi bật của dòng PLC này là tích hợp sẵn cổng truyền thông Profinet (Ethernet), giúp giao tiếp dễ dàng và ổn định trong hệ thống mạng công nghiệp Việc sử dụng chung phần mềm Simatic Step 7 Basic giúp lập trình, thiết kế và thi công hệ thống điều khiển trở nên đơn giản và nhanh chóng, tối ưu hóa quá trình vận hành của các hệ thống tự động hóa.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 27

 Cấu tạo của PLC S7-1200 Siemens

- Sử dụng 3 bộ điều khiển nhỏ gọn với sự phân loại khác nhau trong các phiên bản, giống như điều khiển AC hoặc DC ở phạm vi rộng.

- 2 mạch tương tự và số mở rộng giúp điều khiển mô-đun trực tiếp trên CPU từ đó giúp giảm chi phí sản phẩm

- Có 13 module tín hiệu số và tương tự khác nhau.

- 2 module giao tiếp RS232/RS485 thông qua kết nối PTP.

- Bổ sung thêm 4 cổng Ethernet.

- Module nguồn PS1207 ổn định, có dòng điện áp 115/230VAC và điện áp 24VDC.

PLC Siemens S7 - 1200 được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và dân dụng như:

- Điều khiển đèn chiếu sáng

- Điều khiển bơm cao áp

 Đặc điểm nổi bật của PLC S7-1200

Board tín hiệu là module mở rộng tín hiệu vào/ra với số lượng nhỏ, giúp tiết kiệm chi phí cho các ứng dụng cần mở rộng tín hiệu ít Đây là giải pháp hiệu quả để tối ưu hóa chi phí và không gian trong hệ thống điều khiển, đảm bảo hoạt động linh hoạt và hiệu quả Sử dụng board tín hiệu phù hợp giúp tăng khả năng mở rộng và tích hợp hệ thống dễ dàng, phù hợp cho các dự án yêu cầu số lượng tín hiệu hạn chế.

- 1 cổng tín hiệu ra analog 12 bit (+- 10VDC, 0-20mA).

- 2 cổng tín hiệu vào + 2 cổng tín hiệu ra số, 0.5A.

 Modules mở rộng tín hiệu đầu vào/ra

Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được lắp đặt trực tiếp trên phía bên phải của CPU, giúp tối ưu hóa không gian và dễ dàng nâng cấp hệ thống Với đa dạng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, S7-1200 mang lại sự linh hoạt cao trong việc thiết kế hệ thống tự động hóa, phù hợp cho nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau.

Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được lắp đặt trực tiếp phía bên phải của CPU, giúp dễ dàng mở rộng hệ thống Với đa dạng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, giải pháp này mang lại sự linh hoạt cao trong việc sử dụng PLC S7-1200 cho các ứng dụng tự động hóa.

Các module mở rộng tín hiệu vào/ra được gắn trực tiếp vào phía bên phải của CPU S7-1200, mang lại khả năng mở rộng linh hoạt cho các hệ thống tự động hóa Với đa dạng các loại module tín hiệu vào/ra số và analog, người dùng có thể dễ dàng tùy chỉnh và mở rộng hệ thống theo nhu cầu sử dụng Điều này giúp tối ưu hóa hiệu suất và đảm bảo sự linh hoạt trong quá trình vận hành và bảo trì.

PLC Siemens S7-1200 hỗ trợ các kết nối Profibus và kết nối PTP (point to point). Giao tiếp PROFINET với:

Các thiết bị lập trình

Các bộ điều khiển SIMATIC khác

Khối cơ cấu chấp hành

 Phần Tĩnh gồm có 3 phần

- Thân xy-lanh : Chứa piston và khoang áp suất

- Đuôi xy-lanh : Thông dụng nhất là tiện ren + lỗ nhỏ để gá lắp

- Đầu xy-lanh : Tiện ren + Đai ốc lục giác để gá lắp

 Phần Động Chỉ có ty xy-lanh

- Đầu ty xy-lanh tiện ren + Đai ốc lục giác nhỏ để gá lắp

- Thân Ty xy-lanh gắn liền với piston xy-lanh

 Xy-lanh hai chiều - tác động kép :

- Là xy-lanh có hai cổng không khí ở hai đầu xy-lanh

- Xy-lanh đẩy ra khi cấp khí vào cổng đuôi của xy-lanh ( cổng đầu không cấp và xả ra môi trường thông qua van khí điều khiển ).

- Xy-lanh đi về khi cấp khí vào cổng đầu xy-lanh ( cổng đuôi không cấp và xả ra môi trường thông qua van khí điều khiển )

Hình 3 10 Xy-lanh đơn 1 piston

- Áp suất sử dụng từ 0,1 - 0,9 MPA = 1 - 9 KG

- Áp suất tối đa 1.35 MAP = 13.5 KG

- Nhiệt độ sử dụng 10 - 60 độ C

- Chân ren cổng cấp khí là 1/8 và 1/4

Trong dự án lần này, chúng tôi sử dụng hai xy-lanh đơn với hành trình 50mm để đảm bảo hoạt động chính xác Một trong các xy-lanh được phối hợp với cơ cấu bơm nhằm chặn chai khi quá trình bơm diễn ra Ngoài ra, còn có xy-lanh kết hợp với cơ cấu vặn nắp để giữ chai chắc chắn trong quá trình đóng nắp Các giải pháp này giúp tối ưu hóa quá trình sản xuất và nâng cao hiệu quả của hệ thống.

Hình 3 11 Xy-lanh đôi 2 piston

- Là dạng cơ cấu chấp hành nhờ điều khiển qua van khí nén (van khí nén điện từ, hay van khí nén gạt tay).

- Là loại cốt đôi chống xoay rất chính xác có thể đạt được tối đa độ lọc

Hoạt động bền bỉ và trơn tru trong điều kiện khí hậu nóng ẩm, khói bụi khắc nghiệt, cùng với khả năng chịu nhiệt, áp suất cao và biến động liên tục, đảm bảo hiệu suất ổn định ngay cả trong môi trường làm việc yêu cầu vệ sinh cao, an toàn hoặc môi trường độc hại.

- Dễ sử dụng, thường lắp ở các vị trí chật hẹp.

- Nhược điểm: chỉ dùng cho máy nhỏ, cơ cấu chấp hành nhẹ vì áp suất chỉ khoảng 10 kgf/cm2

- Là dạng xy-lanh 2 ty khối chữ nhật dẹp, cổng khí vào, cổng khí ra, vỏ xy- lanh, 2 trục ty và có đệm cao su giảm chấn.

- Chất liệu tốt: thép, inox,

- Cách thức hoạt động: Xy-lanh tác động kép

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 31

- Lưu chất hoạt động: Khí nén sạch

- Áp suất vận hành:1-9 kg/cm2

- Áp suất tối đa: 13 kg/cm2

Nguyên lý hoạt động của xy-lanh dựa trên việc kết hợp với van khí 3/2 hoặc van 5/2 để điều khiển chuyển động chính xác Khi cấp khí nén vào xy-lanh, khí sẽ đẩy piston di chuyển, tạo ra lực tác động để thực hiện công việc Quá trình này kết thúc khi piston chạm hết hành trình, khí nén sẽ được xả ra ngoài, đồng thời chu kỳ nén và đẩy mới bắt đầu Các chu kỳ liên tục này diễn ra với tần số cao nhằm đáp ứng nhanh chóng và hiệu quả nhu cầu vận hành.

Van tiết lưu được sử dụng để điều chỉnh tốc độ của cơ cấu chấp hành, đảm bảo hoạt động hiệu quả và chính xác Trong thực tế, các yêu cầu về tốc độ của cơ cấu chấp hành thường khác nhau tùy thuộc vào đặc thù của từng hành trình, nhằm đáp ứng tốt hơn các yêu cầu về công nghệ và năng suất sản xuất Việc điều chỉnh tốc độ phù hợp giúp nâng cao hiệu quả vận hành và tối ưu hóa hiệu suất làm việc của hệ thống.

Van tiết lưu hai chiều thường không được sử dụng độc lập mà thường đi kèm với van một chiều hoặc tích hợp trong cùng một vỏ để tạo thành bộ tiết lưu một chiều, nhằm đảm bảo hiệu quả vận hành tối ưu trong các hệ thống thủy lực và khí nén.

Hình 3 12 Van tiết lưu 3.4.4 Van khí nén 5/2

Van điện từ khí nén là thiết bị điều khiển quan trọng trong hệ thống khí nén, có chức năng điều chỉnh các chuyển động của thiết bị và kiểm soát áp lực cùng lưu lượng cung cấp cho cơ cấu chấp hành Các loại van khí nén được phân biệt dựa trên chức năng riêng biệt của từng loại, giúp tối ưu hóa hiệu suất hoạt động của hệ thống khí nén Việc sử dụng van điện từ khí nén đảm bảo quá trình vận hành diễn ra chính xác, linh hoạt và hiệu quả hơn trong các ứng dụng công nghiệp.

Là van có 5 cổng làm việc: 1 cổng cấp khí vào, 2 cổng xả khí ra và hai cửa xả riêng cho mỗi trạng thái, có hai trạng thái.

Các sản phẩm van 5/2 có thể được điều khiển điện từ một phía hoặc từ cả hai phía, mang lại sự linh hoạt trong ứng dụng Điểm chung của loại van này là phần tử nhớ có khả năng giữ hai trạng thái, giúp kiểm soát chính xác quá trình hoạt động Chính đặc điểm này khiến van 5/2 trở thành lựa chọn lý tưởng để điều khiển van đảo chiều cho xy lanh tác dụng kép, mang lại hiệu quả cao trong hệ thống khí nén công nghiệp.

Van 5/2 được sử dụng để điều khiển hoạt động của các bộ truyền động khí nén tác động kép như xi lanh, xi lanh không trục, kẹp và bộ truyền động quay Với khả năng vận hành theo cả hai hướng, van này đáp ứng tốt các yêu cầu về chuyển động linh hoạt và chính xác trong hệ thống khí nén Việc sử dụng van 5/2 giúp đảm bảo hoạt động hiệu quả, tăng độ bền và độ tin cậy của các bộ truyền động khí nén tác động kép.

Hình 3 13 Rơ-le điện từ

- Chất liệu: Hợp kim nhôm, đồng kẽm gang

- Kích thước 15mm - 22 mm (Tùy theo kích cỡ)

- Phạm vi áp suất vận hành: 0.2 ~ 0.8 Mpa

- Thời gian đáp ứng: 30 ms - 40 ms

- Nhiệt độ môi trường: －5 ~ +50 ℃ (Không đóng băng)

- Điện áp: AC110V, 220V (50/60) Hz, DC24V

- Công suất tiêu thụ: AC = 4.8 / 4.4VA, 6 / 4.9VA, DC = 2W

- Dải điện áp có sẵn: ± 10%

Nguyên lý hoạt động của hệ thống khí nén cho biết, ở trạng thái bình thường, khí nén không qua van, các cửa 1 và cửa 4 đều mở, trong khi cửa số 2 và cửa số 3 đóng, còn cửa 4 thông với cửa số 5 để đảm bảo hoạt động hiệu quả.

Khi cấp nguồn điện 12v, 24v hoặc 110v, 220v thì lập tức cửa 1 thông với cửa số

4, cửa số 2 thông với cửa số 3, cửa số 5 bị đóng, khí sẽ đi qua van đến xy-lanh.

Với loại van 5/2 một đầu điện, khi ta cấp điện thì van sẽ đảo chiều, ngưng cấp thì van sẽ về nguyên trạng thái ban đầu.

Van điện từ khí nén 5/2 có hai đầu điện, khi cấp điện ở đầu 1, trục xy-lanh sẽ mở ra, giúp khí nén di chuyển dễ dàng Ngược lại, khi cấp điện ở đầu 2, trục xy-lanh sẽ rút về nhanh chóng, thực hiện các chuyển động chính xác trong hệ thống khí nén Đây là loại van phổ biến trong các ứng dụng tự động hóa nhờ khả năng điều khiển đơn giản và đáng tin cậy.

THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH

Giới thiệu quy trình công nghệ

Sau khi nắm vững quy trình công nghệ của các dây chuyền sản xuất nước uống đóng chai và hiểu rõ về PLC S7-1200, tôi đã đề xuất phương án thiết kế mô hình hệ thống máy chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn hiệu quả, đáp ứng các đặc điểm kỹ thuật yêu cầu.

Hệ thống hoạt động hoàn toàn tự động, giúp tối ưu hóa quá trình vận hành Người vận hành có thể khởi động hệ thống dễ dàng từ bàn điều khiển Quá trình vận hành sẽ tiếp tục cho đến khi người dùng nhấn nút dừng để kết thúc hoạt động của hệ thống.

Yêu cầu công nghệ

Quá trình điều khiển toàn bộ hệ thống diễn ra hoàn toàn tự động sau khi người vận hành nhấn nút start, đảm bảo hiệu quả vận hành và giảm thiểu sai sót Tuy nhiên, việc giám sát hệ thống cũng cần được thực hiện tự động để đảm bảo hoạt động ổn định, an toàn và nhanh chóng phát hiện các sự cố tiềm ẩn Việc tự động giám sát hệ thống là yếu tố then chốt để nâng cao hiệu suất vận hành, giảm thiểu gián đoạn và đảm bảo an toàn cho toàn bộ quá trình Nhờ đó, hệ thống có thể hoạt động liên tục, tối ưu hóa hiệu suất và nâng cao độ tin cậy trong sản xuất hoặc quản lý.

- Quá trình vận hành được thực hiện một cách hoàn toàn tự động.

- Quá trình điều khiển phải đúng quy trình công nghệ đảm bảo yêu cầu công nghệ.

- Người vận hành dễ dàng giám sát trạng thái hoạt dộng của hệ thống, theo dõi diễn biến các quá trình.

- Dễ dàng phát hiện các sự cố để có biện pháp xử lí kịp thời.

- Các giao diện thận thiện, linh hoạt và dễ dàng sử dụng.

Thiết kế hệ thống cơ khí

4.3.1 Giới thiệu phần mềm sử dụng trong quá trình thiết kế cơ khí

Hình 4 1 Phần mềm Auto CAD

AutoCAD, viết tắt của Automatic Computer Aided Design, là phần mềm thiết kế hỗ trợ máy tính được phát triển bởi Autodesk, cho phép tạo bản vẽ 2D và 3D chính xác kỹ thuật Phần mềm này giúp người dùng khái niệm hóa ý tưởng, thiết kế và vẽ kỹ thuật hiệu quả, phù hợp với nhiều ngành công nghiệp khác nhau AutoCAD còn xử lý nhanh các phép tính và mô phỏng thiết kế, nâng cao năng suất trong quá trình thiết kế và sáng tạo.

AutoCAD là sản phẩm chủ lực của Autodesk và dẫn đầu trong ngành công nghiệp CAD, mang lại cuộc cách mạng trong thiết kế kỹ thuật số Phiên bản đầu tiên của AutoCAD được trình diễn tại sự kiện Comdex năm 1982 và chính thức phát hành vào tháng 12 cùng năm, đánh dấu bước ngoặt lớn cho ngành công nghiệp CAD Với khả năng chạy trên máy tính cá nhân (PC), AutoCAD trở thành một trong những phần mềm CAD đầu tiên có mặt rộng rãi trên toàn thế giới, đáp ứng nhu cầu thiết kế chuyên nghiệp của người dùng toàn cầu.

Hình 4 2 Ảnh minh họa cho Auto CAD

AutoCAD giúp thực thi hiệu quả và giảm thiểu lỗi trong các bản vẽ kỹ thuật, thiết kế cơ sở hạ tầng và phân tích hệ thống HVAC Phần mềm này đóng vai trò trung tâm trong các lĩnh vực kỹ thuật, từ kỹ thuật cơ khí, hệ thống đến kỹ thuật điện Với các công cụ soạn thảo độc đáo, AutoCAD hỗ trợ các chuyên gia kỹ thuật biến ý tưởng thành các thiết kế chính xác và chi tiết Do đó, AutoCAD trở thành phần mềm lý tưởng để thiết kế thành phần cơ khí, phân tích hệ thống điện và đường ống, giúp giải quyết hiệu quả các vấn đề phát sinh trong quá trình thiết kế.

Hình 4 3 Auto CAD trong cơ khí

Phần mềm Creo 5.0

Creo Parametric là phần mềm CAD/CAM hàng đầu của công ty Parametric Technology Corporation (PTC), chuyên dùng trong thiết kế và gia công khuôn mẫu Là phần mềm quản lý dữ liệu theo dạng tham số, Creo giúp người dùng dễ dàng tùy chỉnh kích thước và hình dáng sản phẩm một cách nhanh chóng Với tính năng linh hoạt và độ chính xác cao, Creo Parametric là lựa chọn hàng đầu cho các chuyên gia trong lĩnh vực thiết kế kỹ thuật và sản xuất.

Các thay đổi đối với một đối tượng trong chế độ này sẽ được phản ánh trong các chế độ khác nhờ vào tính tương quan tham số của các thành phần Điều này đảm bảo rằng mọi chỉnh sửa đều được đồng bộ và duy trì tính nhất quán trong toàn hệ thống Tính năng này rất hữu ích để tối ưu hóa quản lý và nâng cao hiệu suất hoạt động của các đối tượng trong các chế độ khác nhau.

Trong quá trình tạo mô hình trong chế độ PART, người dùng có thể thiết lập các thành phần để phát triển mô hình chính xác Tiếp theo, chế độ DRAWING cho phép tạo bản vẽ theo phép chiếu vuông góc nhằm thể hiện rõ các chi tiết kỹ thuật của thành phần Khi sử dụng chế độ ASSEMBLY, thành phần có thể dễ dàng lắp ghép với các phần khác để xây dựng toàn bộ dự án Ngoài ra, trong môi trường PART, DRAWING hoặc ASSEMBLY, người dùng có thể thực hiện các chỉnh sửa tham số của thành phần để tối ưu hóa thiết kế.

4.4.2 Ưu điểm của Creo Parametric:

Creo Parametric dễ dàng sử dụng với giao diện thân thiện, khoa học và trực quan, phù hợp cho cả dự án đơn giản và phức tạp Các chi tiết thiết kế đều được định dạng dưới dạng tham số, giúp người dùng dễ dàng thay đổi và chỉnh sửa nhanh chóng Thông tin về các tham số được hiển thị rõ ràng trong Model Tree, kết hợp với giao diện thiết kế chi tiết Phần mềm cho phép thiết kế các chi tiết phức tạp dưới dạng các bề mặt bao quanh, sau đó dễ dàng tạo thành các khối vật thể một cách linh hoạt và chính xác.

Creo Parametric là phần mềm mạnh mẽ giúp tạo dữ liệu điều khiển quá trình gia công, hỗ trợ giao tiếp với máy CNC để gia công chính xác và hiệu quả Ngoài ra, phần mềm còn dễ dàng tạo dữ liệu dạng STL để tương tác với các máy tạo mẫu nhanh, giúp tạo ra hình dạng hoặc mô hình thực tế của sản phẩm Đặc biệt, Creo Parametric cung cấp các công cụ biến dạng bề mặt chi tiết, cho phép thiết kế các chi tiết phức tạp với thao tác đơn giản và linh hoạt.

Giới thiệu khung cơ khí và bản vẽ

Hình 4 5 Bản vẽ mô hình 2D

4 PLC S7-1200 model 1214C DC/DC/DC

Hình 4 6 Mô hình mô phỏng 3D 4.5.3 Mô hình sau khi hoàn thiện

Hình 4 7 Mô hình sau khi hoàn thiện

4.5.4 Thiết kế bài toán điều khiển

Hệ thống tự động hóa ngày nay là một phần thiết yếu của sản xuất, công nghiệp và cuộc sống hiện đại Các phần mềm tự động hóa giúp lập trình, điều khiển thiết bị và máy móc hoạt động một cách chủ động và hiệu quả Nhiều phần mềm tự động hóa đã được nghiên cứu và phát triển nhằm nâng cao hiệu suất và tối ưu hóa hệ thống, góp phần tăng năng suất và giảm thiểu lỗi trong quá trình vận hành.

Phần mềm TIA Portal là một giải pháp được phát triển mang đến hiệu quả điều hành các tác vụ một cách chính xác và tối ưu.

Hiện tại, phần mềm TIA Portal có nhiều phiên bản như TIA Portal V14, V15, V16 và mới nhất là TIA Portal V17, mang đến các tính năng nâng cao cho việc lập trình và vận hành hệ thống tự động hóa Trong đồ án này, nhóm đã lựa chọn TIA Portal V16 để quản lý và vận hành mô hình, nhằm tối ưu hóa quá trình thực hiện dự án và đảm bảo hiệu suất cao nhất Việc sử dụng TIA Portal V16 giúp nhóm dễ dàng tích hợp các thiết bị và nâng cao hiệu quả điều khiển tự động trong mô hình đồ án.

4.5.5 Tổng quan về TIA Portal

TIA Portal, viết tắt của Totally Integrated Automation Portal, là phần mềm tổng hợp tích hợp nhiều công cụ quản lý tự động hóa và vận hành hệ thống điện Đây là phần mềm tự động hóa đầu tiên sử dụng chung nền tảng, giúp tối ưu hoá quá trình vận hành và quản lý hệ thống tự động.

1 môi trường/nền tảng để thực hiện các tác vụ, điều khiển hệ thống.

Hình 4 8 Ứng dụng của TIA Portal trong quản lý hệ thống

TIA Portal, được phát triển bởi các kỹ sư của Siemens từ năm 1996, là nền tảng phần mềm giúp người dùng phát triển và lập trình các phần mềm điều khiển một cách nhanh chóng và hiệu quả Giải pháp này cung cấp một nền tảng thống nhất, giúp giảm thiểu thời gian tích hợp các ứng dụng riêng biệt và dễ dàng tạo ra hệ thống điều khiển hoàn chỉnh TIA Portal cải thiện năng suất và độ chính xác trong quá trình phát triển hệ thống tự động hóa công nghiệp.

TIA Portal là phần mềm tích hợp tự động toàn diện, là nền tảng cơ bản cho các phần mềm khác phát triển, hỗ trợ lập trình và tích hợp cấu hình thiết bị trong dải sản phẩm Với đặc điểm nổi bật, TIA Portal giúp tối ưu hóa quá trình tự động hóa, nâng cao hiệu quả vận hành và giảm thiểu lỗi trong các hệ thống công nghiệp hiện đại.

TIA Portal tích hợp khả năng chia sẻ dữ liệu giữa các phần mềm, giúp tạo ra sự thống nhất và toàn vẹn cho hệ thống quản lý và vận hành Việc sử dụng TIA Portal giúp nâng cao tính đồng bộ, giảm thiểu lỗi và tối ưu hóa quá trình vận hành của hệ thống tự động hóa Đặc biệt, khả năng chia sẻ dữ liệu trong TIA Portal mang lại hiệu quả cao trong việc quản lý và bảo trì hệ thống tự động, đảm bảo hiệu suất hoạt động liên tục và ổn định.

TIA Portal tạo môi trường dễ dàng để lập trình thực hiện các thao tác:

- Thiết kế giao diện kéo nhã thông tin dễ dàng, với ngôn ngữ hỗ trợ đa dạng.

- Quản lý phân quyền User, Code, Project tổng quát.

- Tích hợp mô phỏng hệ thống.

- Thực hiện go online và Diagnostic cho tất cả các thiết bị trong project để xác định bệnh, lỗi hệ thống.

- Dễ dàng thiết lập cấu hình và liên kết giữa các thiết bị Siemens

4.5.5.1 Ưu điểm của TIA Portal

Hệ thống tích hợp tất cả các phần mềm trong một nền tảng duy nhất giúp chia sẻ cơ sở dữ liệu chung một cách dễ dàng quản lý và thống nhất cấu hình Giải pháp này tối ưu hóa quá trình vận hành thiết bị nhanh chóng và hiệu quả, giảm thiểu thời gian tìm kiếm và khắc phục sự cố Các tính năng này đảm bảo hoạt động liên tục, ổn định và nâng cao hiệu suất làm việc của doanh nghiệp.

Tất cả các yếu tố như bộ lập trình PLC và màn hình HMI được lập trình và cấu hình trên TIA Portal, giúp các chuyên viên tiết kiệm thời gian thao tác Việc thiết lập truyền thông giữa các thiết bị trở nên dễ dàng chỉ với một biến số của bộ lập trình PLC được thả vào màn hình HMI, mà không cần thực hiện bất kỳ thao tác lập trình phức tạp nào.

4.5.5.2 Nhược điểm của TIA Portal

Hệ thống tích hợp nhiều phần mềm và cơ sở dữ liệu lớn đòi hỏi bộ nhớ khổng lồ để vận hành hiệu quả Để sử dụng và quản lý hệ thống này, người lập trình cần có kỹ thuật cao, am hiểu sâu về công nghệ Quá trình làm quen và làm việc với hệ thống tốn nhiều thời gian, yêu cầu sự chuẩn bị kỹ lưỡng và kiến thức chuyên môn.

Bảng phân công I/O

- Vì đường kính chai nước d = 60 mm nên lựa chọn băng tải có bề rộng B = 100 mm Chiều dài làm việc của băng tải L = 850 mm.

Kết luận: Để đáp ứng được yêu cầu đề tài đưa ra chúng em chọn băng tải thẳng dạng PVC.

2.2.3 Tính toán động cơ cho băng tải

Yêu cầu về động cơ DC giảm tốc truyền động băng tải:

 Kích thước nhỏ gọn, dễ gá đặt.

 Mạch điều khiển đơn giản.

 Tính chọn động cơ DC giảm tốc:

- Xác định công suất yêu cầu của động cơ

- Công suất yêu cầu của động cơ được tính theo công thức: [3]

 P ct : Công suất cần thiết trên trục động cơ (kW).

 P td : Công suất trên trục máy công tác (kW).

 η: Hiệu suất của toàn bộ hệ thống truyền động.

Xác định P td : Công suất trên trục công tác được tính theo công thức:

Với: + F: Lực kéo băng tải (N), với F0 N.

- Xác định η: Hiệu suất truyền động của toàn bộ hệ thống được tính theo công thức: η = η đ

Tra bảng 2.3 [TTKHDDCK]- tr19 ta có: [3] η đ = 0,95: Hiệu suất bộ truyền đai

 Ta tính được công suất yêu cầu trên trục động cơ:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 10

Xác định sơ bộ tốc độ quay của động cơ điện:

+ n lv : Số vòng quay trục máy công tác (vg/ph)

Xác định n lv : theo công thức:

Với yêu cầu khá đơn giản của băng tải như là:

- Chỉ cần vận chuyển chai trên băng tải.

- Băng tải chạy liên tục, có các cụm chi tiết chặn chai.

- Không đòi hỏi độ chính xác cao, tải trọng nhẹ.

- Dễ điều khiển, giá thành rẻ.

Kết luận, nhóm đã quyết định chọn động cơ điện một chiều làm động cơ dẫn động cho băng tải do khả năng cung cấp momen lớn phù hợp với yêu cầu làm việc có tải trọng của băng tải Động cơ được trang bị hộp số loại 24V-25W, giúp tối ưu hiệu suất vận hành Tốc độ quay trên trục sau hộp số đạt 57 vòng/phút, đảm bảo hoạt động hiệu quả và ổn định cho hệ thống băng tải.

Hình 2 6 Động cơ giảm tốc 370CH

2.3.1 Phương pháp định lượng, chiết rót

 Định lượng bằng xy-lanh định lượng:

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 11

Phương pháp này giúp tối ưu hóa độ chính xác trong quá trình chiết rót, đảm bảo lượng chất lỏng được đong chính xác theo mức quy định của xy lanh Nhờ đó, quy trình chiết rót đạt hiệu quả cao, duy trì lưu lượng ổn định và đồng đều trên tất cả các loại chai Điều này giúp nâng cao năng suất và giảm thiểu sai sót trong quá trình đóng gói sản phẩm.

Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi trong các hệ thống sản xuất thực phẩm dạng lỏng, đặc biệt là trong ngành công nghiệp đồ uống như Coca-Cola, Pepsi, và các thương hiệu hàng đầu toàn cầu.

Nhược điểm chính của hệ thống này là giá thành chế tạo cao do thiết kế cố định, khiến việc thay đổi thể tích chiết rót gặp khó khăn Khi muốn điều chỉnh thể tích, cần thay đổi toàn bộ thể tích xy-lanh, điều này đồng nghĩa với việc phải mua mới thiết bị, làm tăng chi phí và làm giảm tính linh hoạt trong sản xuất.

 Định lượng bằng cảm biết mực chất lỏng:

Phương pháp đo mức chất lỏng này có độ chính xác cao nhờ vào cảm biến đặt gần mực thể tích mong muốn Khi lượng chất lỏng đạt tới mức cài đặt, cảm biến sẽ gửi tín hiệu về hệ thống xử lý để tự động ngắt van ống dẫn, đảm bảo duy trì mức chất lỏng ổn định và chính xác.

Phương pháp này phụ thuộc lớn vào yếu tố môi trường ảnh hưởng đến cảm biến, vị trí lắp đặt, và chất lượng cảm biến có thể ảnh hưởng trực tiếp đến chi phí Bên cạnh đó, việc bảo trì định kỳ là cần thiết để đảm bảo cảm biến hoạt động chính xác; nếu cảm biến không nhận tín hiệu, nước có thể tràn và gây hư hỏng các thiết bị điện.

 Định lượng bằng thời gian:

Phương pháp này có độ chính xác chỉ ở mức tương đối, vì thời gian rót sản phẩm vào chai được quy định trong chương trình Khi thời gian này kết thúc, van sẽ tự động ngắt, ngăn không cho nước chảy qua nữa, đảm bảo quá trình đóng chai diễn ra đúng quy định.

- Ưu điểm là khiến việc lập trình điều khiểm đơn giản hơn, dễ dàng thay đổi khi muốn tăng hay giảm thể tích chai, tiết kiệm chi phí.

- Nhược điểm là độ chính xác không cao.

Kết luận: Do không yêu cầu cao về thể tích nước trong chai và tiết kiệm chi phí nhất, nhóm em chọn phương pháp định lượng bằng thời gian.

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của chiết rót

Chai di chuyển trên băng tải đến vị trí chiết rót dung dịch nhờ hệ thống cảm biến hồng ngoại phát hiện sự có mặt của chai Cảm biến này gửi tín hiệu về PLC để điều khiển xi lanh khí nén đẩy chai vào vị trí chính xác dưới vòi bơm Sau đó, PLC điều khiển bơm hoạt động trong khoảng thời gian đã được xác định để đưa lượng nước mong muốn vào chai Khi quá trình bơm hoàn tất, PLC tự động điều khiển xi lanh rút ra, chuẩn bị cho quá trình tiếp theo.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 12

2.3.3 Tính toán cho hệ thống chiết rót

Trong các hệ thống chiết rót quy mô công nghiệp, người ta thường sử dụng động cơ bơm nước công suất lớn, có tuổi thọ cao và khả năng làm việc liên tục trong thời gian dài để đảm bảo hiệu quả vận hành Tuy nhiên, đối với các dự án nhỏ lẻ, nhóm ưu tiên lựa chọn động cơ bơm nước 12V nhờ vào đặc điểm kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và phù hợp với ngân sách hạn chế.

 Chọn bơm mini 12v công suất p=2,6(l/ph).

 Dung lượng chai cần chiết rót 297 (ml).

 Thời gian cần để mức nước cần thiết là:

 Kích thước miệng lỗ 16mm.

 Chọn kích thước vòi phun 10mm

2.4 Hệ thống cấp nắp chai tự động

Sau khi chai nhựa đi qua hệ thống chiết rót, băng tải tiếp tục vận hành để chuyển chai đến bước tiếp theo Trong quá trình này, chúng tôi lắp đặt cơ cấu cấp nắp đơn giản gồm một máng chứa nắp nghiêng 35° so với băng tải và một thanh chắn giữ nắp đảm bảo nắp luôn nằm đúng vị trí cuối lòng chai Cơ cấu này giúp quá trình đóng nắp trở nên chính xác và liên tục, nâng cao hiệu quả sản xuất.

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 13

Nguyễn Ngọc Bảo nắp sẽ miệng chai kéo theo, giúp mở nắp dễ dàng và thuận tiện Khi chai đến vị trí cấp nắp, hệ thống tự động tác dụng lực vừa đủ lên thanh chắn để lấy nắp ra một cách nhanh chóng và hiệu quả Công nghệ này tối ưu hóa quá trình đóng mở chai, nâng cao năng suất và đảm bảo vệ sinh Thiết kế thông minh của Nguyễn Ngọc Bảo mang lại trải nghiệm sử dụng thuận tiện cho người dùng và phù hợp với các dây chuyền sản xuất hiện đại.

Hình 2 8 Hệ thống cấp nắp

2.5 Hệ thống đóng nắp chai tự động

 Cơ cấu vặn nắp chai

Hình 2 9 Cơ cấu vặn nắp chai

Chụp vặn nắp được cố định chắc chắn vào trục động cơ nhờ một con vít ở nắp trên của chụp vặn, đảm bảo độ kín khí tối ưu Nắp được vặn chặt vào thân bằng ren giúp kết nối chắc chắn và dễ tháo lắp khi cần thiết Bên trong chụp có một chi tiết côn bằng nhựa dễ gia công, có nhiệm vụ tiếp xúc trực tiếp với nắp chai giúp đảm bảo khả năng đóng mở linh hoạt Chi tiết côn này có thể dễ dàng thay thế bằng các loại côn kích thước khác nhau, phù hợp với từng kiểu nắp chai đa dạng trên thị trường, nâng cao tính ứng dụng và hiệu quả của sản phẩm.

Sau khi chai đã được chiết rót, nó sẽ di chuyển đến vị trí vặn nắp Tại đây, cảm biến nhận diện chai sẽ hoạt động để xác định sự có mặt của chai Khi cảm biến phát hiện chai, hệ thống xy-lanh sẽ kích hoạt để đưa động cơ giảm tốc xuống vị trí vặn nắp, đảm bảo quá trình đóng chai diễn ra chính xác và hiệu quả.

Sau 1 khoảng thời gian động cơ sẽ được đưa trở lại vị trí ban đầu và cứ tiếp tục như vậy

2.5.1 Tính toán lực tác dụng vào chai

Khi xoáy nắp chai, lực tác dụng từ đầu xoáy gây ra lực F lên chai, làm cho nắp đi xuống Quá trình này giúp mở chai hiệu quả và đảm bảo việc mở nắp diễn ra dễ dàng Hiểu rõ nguyên tắc này có thể giúp người dùng thao tác mở nắp thuận tiện hơn.

Trong trường hợp này, chai và nắp được gắn chặt với nhau và xem như một thể thống nhất Lực nén F tác dụng lên chai là lớn nhất, gây ra lực ma sát F ms giữa đầu xoáy và nắp khi xoay Điều này ảnh hưởng đến khả năng xoay của nắp và độ trượt của các bộ phận liên quan Hiểu rõ tác động của lực nén và lực ma sát giúp tối ưu hóa quá trình mở hoặc vặn các vật thể này trong thực tế.

F ms gây ra momen cản xoay

- k là hệ số ma sát giữa bề mặt đệm cao su và nắp chai k; chọn k = 1.

- F là lực đẩy của xy-lanh

Ta có, lực đẩy của xy-lanh : [4] đ ẩ =

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Người hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh 15

- F là lực đẩy của xy-lanh (kg)

- P là áp suất sử dụng (kg/cm3)

- A là tiết diện của xy-lanh

- D là đường kính xy-lanh (cm)

 Chọn động cơ vặn nắp chai

+ Yêu cầu: Tạo đủ momen để vặn chặt được nắp chai

Momen cần thiết để nắp chai được vặn chặt là 2,8 Nm Đây cũng chính là yêu cầu tối thiểu của momen động cơ vặn nắp.

+ Lựa chọn động cơ giảm tốc JGB37-520

- Dòng chạy không tải: 40mA (miliampe)

- Tốc độ không tải: 350-500RPM (vòng quay)

- Điện áp áp dụng: 6V-24V (500 kiểu chuyển 125-500RPM) (350 kiểu chuyển 87-350RPM)

- Tổng chiều dài của động cơ: 69,25mm

- Đường kính trục động cơ: 6mm

- Chiều dài trục đầu ra: 15mm

- Khoảng cách lỗ: 31mm trái và phải, khẩu độ: 2,5mm

 Kích thước của nhán dãn ( 50x30 mm )

 Cấu tạo của cơ cấu dán nhãn:

2 Trục động cơ (trục chủ động).

Hình 2 13 Cơ cấu dán nhãn

 Nguyên lý hoạt động của cơ cấu dán nhãn: