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

Các số liệu, tài liệu ban đầu: Ứng dụng PLC vào việc điều khiển hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động.. Nội dung chính của đồ án: Sinh viên có nhiệm vụ tìm hiểu và thực hiện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠ - ĐIỆN TỬ

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA CƠ KHÍ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CƠ - ĐIỆN TỬ

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÔ HÌNH HỆ THỐNG CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN TỰ

Đà Nẵng, tháng 6 năm 2022

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

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 hiện: Nguyễn Ngọc Bảo

Mã sinh viên: 1811504410102 Lớp: 221DATNC01

Nội dung trình bày: Hiện nay ngành cơ khí được tự động hóa với các dây truyền sản xuất trong công nghiệp hết sức quan trọng đối với sự phát triển của một quốc gia Với các quốc gia phát triển như Mỹ, Nhật…thì tự động hóa không còn xa lạ và trở lên quen thuộc Ở các nước này máy móc hầu như đã thay thế con người Số lượng công nhân trong nhà máy giảm hẳn và thay thế vào đó là những lao động có chuyên môn, những kĩ sư có trình độ, điều khiển giám sát trực tiếp quá trình sản xuất thông qua máy tính Việt Nam là một đất nước đang phát triển thì nhu cầu hiện đại hóa công nghiệp là điều hết sức quan trọng đối với sự phát triển kinh tế

Công nghệ tự động hóa đang trở thành một ngành kỹ thuật đa nhiệm vụ, nó đáp ứng những đòi hỏi không ngừng của các ngành công nghiệp khác như trong công nghiệp, xây dựng, y tế kể cả trong lâm nghiệp và ngày càng được ứng dụng trong thực

tế đời sống hàng ngày

Trong công nghiệp, những nhà máy sản xuất nước uống đóng chai ngày càng phát triển Những dây chuyền chiết rót, đóng nắp, dán nhãn là một khâu vô cùng quang trọng

Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó, nhóm chúng em đã quyết định chọn thực hiện đề tài: “

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

PLC để điều khiển

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: Cơ khí

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: TS Phan Nguyễn Duy Minh

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Hiếu Mã SV: 1811504410123

Nguyễn Ngọc Bảo Mã SV: 1811504410102

1 Tên đề tài:

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

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

Ứng dụng PLC vào việc điều khiển hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động

3 Nội dung chính của đồ án:

Sinh viên có nhiệm vụ tìm hiểu và thực hiện các nhiệm vụ sau:

- Tìm hiểu về hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn

- Ứng dụng của PLC trong việc điều khiển các thiết bị

- Phân tích và thiết kế mô hình

- Cần tiến hành chế tạo mô hình, thử nghiệm các hệ thống theo các nghiên cứu trước đó

- Trình bày báo cáo chi tiết các nội dung trên trong báo cáo đồ án tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU

Trước tiên, nhóm chúng em muốn gửi lời cảm ơn sâu chân thành sâu sắc tới các thầy cô giáo trong trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật Đà Nẵng nói chung và các thầy cô trong khoa Cơ khí nói riêng đã tận tình giảng dạy, truyền đạt cho nhóm chúng em những kiến thức, kinh nghiệm, quý báu trong suốt thời gian bốn năm học tập, rèn luyện tại trường Những kiến thức mà chúng em nhận được trên giảng đường đại học sẽ là hành trang giúp chúng em vững bước trong tương lai

Đặc biệt, nhóm chúng em xin gửi lời cảm ơn đến thầy Phan Nguyễn Duy Minh, thầy đã tận tình giúp đỡ, trực tiếp chỉ bảo, hướng dẫn nhóm chúng em trong suốt quá trình thực hiện đồ án tốt nghiệp Trong thời gian làm việc với thầy, chúng em học được một tinh thần làm việc hiệu quả, nghiêm túc và luôn đúng giờ, đây là những điều rất cần thiết cho chúng em sau này

Do kiến thức còn hạn hẹp nên không tránh khỏi những thiếu sót trong cách hiểu, lỗi trình bày Nhóm chúng em rất mong nhận được sự đóng góp ý kiến của quý thầy, cô

để đề tài đạt được kết quả tốt hơn

Chúng em xin chân thành cảm ơn!

Đà Nẵng, tháng 06 năm 2022 Sinh viên thực hiện

Nguyễn Ngọc Bảo Nguyễn Đức Hiếu

LỜI CAM ĐOAN

Nhóm em xin cam đoan đồ án tốt nghiệp “Thiết kế, chế tạo mô hình hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động” Là hệ thống được nghiên cứu của tất cả

thành viên trong nhóm Những phần sử dụng tài liệu tham khảo đã được nêu rõ trong phần tài liệu tham khảo Các số liệu, kết quả trình bày trong đồ án là hoàn toàn trung thực Nếu sai chúng tôi xin chịu hoàn toàn trách nhiệm và chịu mọi kỷ luật của bộ môn

MỤC LỤC

Tóm tắt v

Nhiệm vụ đồ án tốt nghiệp vi

Lời nói đầu i

Lời cam đoan ii

Danh sách hình ảnh, bảng vẽ vi

Danh mục viết tắt viii

Trang MỞ ĐẦU 1

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI 3

1.1 Giới thiệu về tự động hóa 3

1.1.1 Tổng quan 3

1.1.2 Vai trò và ý nghĩa của hệ thống tự động hóa 4

1.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động hóa 4

1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót chai tự động 4

1.2.1 Giới thiệu chung 4

1.2.2 Chức năng của hệ thống và phạm vi thực tiễn 5

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 6

Chương 2 TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN THIẾT KẾ 7 2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống 7

2.2 Băng tải 7

2.2.1 Cấu tạo của băng tải 8

2.2.2 Phân loại băng tải 8

2.2.3 Tính toán động cơ cho băng tải 10

2.3 Hệ thống chiết rót: 11

2.3.1 Phương pháp định lượng, chiết rót 11

2.3.2 Nguyên lý hoạt động của chiết rót 12

2.3.3 Tính toán cho hệ thống chiết rót 13

2.4 Hệ thống cấp nắp chai tự động 13

2.5 Hệ thống đóng nắp chai tự động 14

2.5.1 Tính toán lực tác dụng vào chai 15

2.6 Hệ thống dán nhãn 17

Chương 3 CÁC THÀNH PHẦN TRONG HỆ THỐNG 19

3.1 Khối nguồn 19

3.1.1 Bộ nguồn một chiều 19

3.1.2 Nguồn khí nén 20

3.2 Tìm hiểu các khối vào/ra ( I/O) 21

3.2.2 Cảm biến quang 21

3.2.3 Cảm biến Encoder 22

3.2.4 Nút nhấn 23

3.2.5 Rơ-le trung gian 24

3.3 Khối xử lý trung tâm PLC 25

3.3.1 Giới thiệu về PLC 26

3.3.2 Tổng quan về PLC S7-1200 27

3.4 Khối cơ cấu chấp hành 29

3.4.1 Xy-lanh đơn 1 piston 29

3.4.2 Xy-lanh 2 piston 31

3.4.3 Van tiết lưu 32

3.4.4 Van khí nén 5/2 32

Chương 4: THIẾT KẾ VÀ CHẾ TẠO MÔ HÌNH 35

4.1 Giới thiệu quy trình công nghệ 35

4.2 Yêu cầu công nghệ 35

4.3 Thiết kế hệ thống cơ khí 35

4.3.1 Giới thiệu phần mềm sử dụng trong quá trình thiết kế cơ khí 35

4.4 Phần mềm Creo 5.0 37

4.4.1 Giới thiệu về Creo 5.0 37

4.4.2 Ưu điểm của Creo Parametric: 38

4.5 Giới thiệu khung cơ khí và bản vẽ 38

4.5.1 Bản vẽ mô hình 2D 38

4.5.2 Mô hình mô phỏng 3D 39

4.5.3 Mô hình sau khi hoàn thiện 39

4.5.4 Thiết kế bài toán điều khiển 40

4.5.5 Tổng quan về TIA Portal 40

4.6 Sơ đồ đấu dây của đề tài 41

4.7 Bảng phân công I/O 42

4.8 Sơ đồ lưu đồ thuật toán 43

KẾT LUẬN 44

TÀI LIỆU THAM KHẢO 45

PHỤ LỤC 46

DANH SÁCH HÌNH ẢNH, BẢNG VẼ

Danh mục hình ảnh:

Hình 1 1 Ứng dụng tự động hóa trong sản xuất bia Heniken ở Việt Nam [1] 3

Hình 1 2 Hệ thống chiết rót của công ty nước khoáng Vĩnh Hảo [2] 4

Hình 1 3 Chai nutri 6

Hình 2 1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống 7

Hình 2 2 Băng tải PVC 8

Hình 2 3 Băng tải xích 8

Hình 2 4 Băng tải con lăn 9

Hình 2 5 Băng tải dạng lưới 9

Hình 2 6 Động cơ giảm tốc 370CH 11

Hình 2 7 Bơm 12V 13

Hình 2 8 Hệ thống cấp nắp 14

Hình 2 9 Cơ cấu vặn nắp chai 14

Hình 2 10 Chụp vặn nắp 15

Hình 2 11 Động cơ JGB37-520 16

Hình 2 12 Cuộn nhãn dán 17

Hình 2 13 Cơ cấu dán nhãn 17

Hình 2 14 Động cơ giảm tốc 370HC - Động cơ giảm tốc JGB37-520 18

Hình 3 1 Sơ đồ khái quát của mạch cấp nguồn 19

Hình 3 2 Nguồn tổ ong 24VDC – 10A 20

Hình 3 3 Nguồn khí nén 21

Hình 3 4 Cảm biến quang 22

Hình 3 5 Cảm biến Encoder 23

Hình 3 6 Nút nhấn điều khiển 24

Hình 3 7 Rơ-le trung gian 25

Hình 3 8 Sơ đồ bộ điều khiển 26

Hình 3 9 PLC S7-1200 Siemens 28

Hình 3 10 Xy-lanh đơn 1 piston 30

Hình 3 11 Xy-lanh đôi 2 piston 31

Hình 3 12 Van tiết lưu 32

Hình 3 13 Rơ-le điện từ 33

Hình 4 1 Phần mềm Auto CAD 35

Hình 4 2 Ảnh minh họa cho Auto CAD 36

Hình 4 3 Auto CAD trong cơ khí 37

Hình 4 4 Phần mềm Creo 5.0 37

Hình 4 5 Bản vẽ mô hình 2D 38

Hình 4 6 Mô hình mô phỏng 3D 39

Hình 4 7 Mô hình sau khi hoàn thiện 39

Hình 4 8 Ứng dụng của TIA Portal trong quản lý hệ thống 40

Hình 4 9 Sơ đồ đấu dây ngõ vào của PLC 41

Hình 4 10 Sơ đồ đấu dây ngõ ra của PLC 42

Hình 4 11 Lưu đồ thuật toán 43

Danh mục bảng Bảng 4 1 Bảng phân công I/O 42

DANH MỤC VIẾT TẮT

Conditioning TIA Portal Totally Integrated Automation Portal

MỞ ĐẦU

Sự phát triển của khoa học kỹ thuật ngày càng nhanh góp phần nâng cao năng suất lao động Đặt biệt sự ra đời và phát triển của công nghệ tự động hóa trong quá trình sản xuất giảm đi sức lao động bằng chân tay của người lao động Đối với nước ngoài thì công nghệ đã được nghiên cứu và chế tạo để ứng dụng vào sản suất đã có từ rất lâu Riêng ở nước ta lĩnh vực này còn khá mới mẽ, chúng ta vẫn chưa có nhà máy nào có khả năng chế tạo các bộ phận cấu thành của tay máy đạt tiêu chuẩn quốc tế Để theo kịp

xu thế công nghiệp hóa – hiện đại hóa một cách bền vững và an toàn nhất, tiện lợi cho việc vận hành, sửa chữa khi hỏng hóc và đảm bảo chất lượng sản phẩm nằm trong phạm

vi cho phép Hơn nữa thuận tiện cho việc mở rộng và phát triển trong tương lai

Xuất phát từ yêu cầu thực tiễn đó, với kiến thức đã được học tại trường là một sinh viên ngành cơ điện tử, thông qua việc thiết kế đồ án giúp chúng em bước đầu có những

kinh nghiệm về lập trình PLC, nhóm chúng em đã chọn đề tài: “Thiết kế, chế tạo mô

hình hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn tự động”

Mục tiêu đề tài:

Tìm hiểu quy trình sản xuất chiết rót đóng nắp và dán nhãn tự động từ các nhà máy sản xuất dung dịch đóng chai trong và ngoài nước

Nghiên cứu và chế tạo mô hình chiết rót dung dịch, đóng nắp chai và dán nhãn

tự động làm tiền đề cho việc nghiên cứu các hệ thống sản xuất trong các nhà máy sau này

Phạm vi và đối tượng nghiên cứu:

- Phạm vi: Nghiên cứu, tính toán, thiết kế, chế tạo hệ thống chiết rót chai tự động

Hệ thống bao gồm những phần chính như:băng tải, cơ cấu bơm nước, cơ cấu cấp nắp tự động, cơ cấu vặn nắp, cơ cấu dán nhãn

- Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống chiết rót, đóng nắp chai và dán nhãn tự động Chai nước nhựa loại nắp vặn với dung tích 297 ml Hệ thống điều khiển bởi bộ điều khiển PLC

- Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu đặc điểm sản xuất và lập trình điều khiển hệ thống

- Nghiên cứu thiết kế: Tính toán, thiết kế cơ cấu cơ khí, thiết kế bộ điều khiển trung tâm và lập trình PLC

- Chế tạo: Dựa vào kết quả tính toán và thiết kế sau đó tiến hành thi công chế tạo

-Phương pháp thực hành: Song song với việc nghiên cứu lý thuyết em đã thiết kế

và kiếm tra lý thuyết trên sản phẩm thật

-Phương pháp tính toán: Tính toán lựa chọn các linh kiện, từ thực nghiệm điều chỉnh các thông số cho phù hợp công nghệ

Đề tài được trình bày qua những nội dung chính sau:

- Chương 1: Tổng quan về đề tài

- Chương 2: Tính toán, phân tích, lựa chọn phương án thiết kế

- Chương 3: Các thành phần trong hệ thống

- Chương 4: Thiết kế và chế tạo mô hình

Chương 1 TỔNG QUAN VỀ ĐỀ TÀI

1.1 Giới thiệu về tự động hóa

1.1.1 Tổng quan

Tự động hóa (điều khiển tự động) là sử dụng hệ thống điều khiển cho các thiết bị máy móc trong sinh hoạt và sản xuất công nghiệp, hạn chế tối đa sự can thiệp của con người Trong thực tế, có rất nhiều hệ thống tự động được sử dụng tại các dây chuyền sản xuất, nồi hơi, lò nhiệt, ổn định tàu thủy, máy bay,

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

Trong một hệ thống tự động hóa tổng hợp, việc điều khiển toàn bộ quá trình sản xuất có một chức năng trọng yếu Đặc tính linh hoạt của quá trình được thể hiện ở tính liên tục, tính nhịp điệu, tính tỷ lệ, tính song song của các dòng vận động Dưới con mắt kinh tế, mức độ tự động hóa của một cơ sở sản xuất không phải luôn luôn là tối đa, mà tùy thuộc những điều kiện cụ thể phải xác định được mức độ tự động hóa tối ưu, thích hợp với số lượng sản phẩm, đảm bảo chất lượng gia công cao nhất cũng như giá thành

rẻ nhất Thuật ngữ "tự động hóa", lấy cảm hứng từ các máy tự động, chưa được sử dụng rộng rãi trước năm 1947, khi Ford thành lập một bộ phận tự động hóa Trong thời gian này ngành công nghiệp đã được áp dụng nhanh chóng điều khiển phản hồi, mà đã được giới thiệu trong những năm 1930

Tự động hóa đã được thực hiện bằng phương tiện khác nhau bao gồm: cơ khí, thủy lực, khí nén, điện, điện tử và máy tính, thường kết hợp Các hệ thống phức tạp, chẳng hạn như các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thường sử dụng tất cả những kỹ thuật kết hợp

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

Tự động hóa các quá trình sản xuất cho phép giảm giá thành và nâng cao năng suất lao động Quá trình sản xuất chịu tác động của các quy luật kinh tế Nhu cầu nâng cao chất lượng sản phẩm cũng tăng làm chi phí trong việc nâng cao mức độ phức tạp của gia công ( về đào tạo nhân công và đội ngũ, giá thành trang thiết bị, ) Đây cũng chính là động lực kích thích sự phát triển của tự động hóa

Tự động hóa cho phép cải thiện điều kiện sản xuất Các quá trình sản xuất tự động cho phép loại bỏ các khó khăn khi sử dụng lao động thủ công Đồng thời giúp cải thiện các điều kiện làm việc của công nhân, nhất là các khâu độc hại, nặng nhọc, có tính lặp

đi lặp lại gây nhàm chán

Quá trình sản xuất tự động hóa giúp đáp ứng cường độ sản xuất, dễ dàng thực hiện chuyên môn hóa và hóa đổi sản xuất Đây là yếu tố cực kỳ quan trọng cho phép các nhà sản xuất đáp ứng điều kiện sản xuất và thực hiện cạnh tranh trên thị trường

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

Các giới hạn về kỹ thuật: Một hệ thống tự động có thể có một mức giới hạn của trí thông minh, vì thế dễ bị mắc lỗi bên ngoài phạm vi trước mắt của mình về kiến thức Không thể đoán trước, chi phí phát triển quá mức: Các nghiên cứu và phát triển chi phí của tự động hoá có thể vượt quá chi phí định mức của quá trình

Chi phí ban đầu cao: Việc tự động hóa của một sản phẩm mới thường đòi hỏi một

sự đầu tư ban đầu rất lớn so với chi phí đơn vị sản phẩm, mặc dù chi phí tự động hóa có thể được lan truyền trong nhiều sản phẩm và thời gian

1.2 Giới thiệu hệ thống chiết rót chai tự động

1.2.1.Giới thiệu chung

Hệ thống chiết rót tự động là thành phần quan trọng trong dây chuyền súc rửa, chiết rót và đóng nắp phục vụ cho các ngành đóng gói chất lỏng công nghiệp

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 nhiều để phục vụ cho các ngành: thực phẩm, nước uống, dược phẩm, mỹ phẩm, hóa chất, dầu nhớt, … Sự ra đời của máy chiết rót tự động đã tiết kiệm cho các nhà sản xuất một khoản chi phí nhân công tương đối lớn, nâng cao năng suất chiết đóng thành phẩm vào chai

Hệ thống được kết hợp giữa các khâu chiết rót, đóng nắp, đóng thùng bán tự động

Bộ điều khiển trung tâm thường sử dụng PLC Mỗi khâu đều vận hành tự động, nhân công chỉ tham gia vào một số công đoạn điều khiển, đầu vào và đầu ra (xếp chai vào, đóng thùng, vận hành máy, )

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

- Chức năng chính của hệ thống:

Toàn bộ hệ thống là một dây chuyền để hoàn thành các công đoạn ra thành phẩm Các khâu trong dây chuyền được tự động hóa cao, con người chỉ tác động vào vận hành, đầu vào và đầu ra Kết quả mang lại những ưu điểm:

+ Nâng cao năng suất lao động, giảm giá thành: Tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn so với hoạt động bằng tay tương ứng Hệ thống có thể rót hàng nghìn chai mỗi giờ, tùy theo dung tích của chai

+ Giảm số lượng và chi phí nhân công: Hệ chống chiết rót đã hoạt động một cách

tự động dẫn đến công việc ít hơn và đơn giản hơn cho phép cần ít công nhân hơn, tùy theo dung tích của chai

+ Sự an toàn: Bằng việc tự động hóa các hoạt động và chuyển người vận hành máy

từ vị trí tham gia tích cực sang vai trò đốc công, công việc trở nên an toàn hơn + Nâng cao chất lượng sản phẩm: Hệ thống chiết rót không những sản xuất với tốc

độ nhanh hơn thủ công, mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đối với các yêu cầu khắt khe của sản phẩm đóng chai

Tuy nhiên hệ thống chiết rót có chi phí đầu tư cao: việc chuyển từ sử dụng nhân công con người sang dây chuyền sản xuất tự động đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu rất cao Ngoài ra, cũng cần có chi phí cho việc đào tạo nhân công vận hành các loại thiết

bị, máy móc hiện đại và phức tạp

- Phạm vi ứng dụng:

Các cơ sở sản xuất nước rửa chén, sản xuất nước giải khát, nước tinh khiết, bia… Các sản phẩm chất lỏng hoặc chất lỏng cô đặc có yêu cầu vệ sinh khử trùng cao

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

Hình 1 3 Chai nutri

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Trong xã hội hiện đại ngày nay, nhu cầu ăn uống của người dân ngày càng được nâng cao Ngành công nghiệp thực phẩm đóng gói, nước uống đóng chai cũng ngày

càng tăng lên về số lượng sản phẩm trên thị trường

Khảo sát vào năm 2015 của Euromonitor cho thấy, thị trường đồ uống đóng chai

đã đạt ngưỡng gần 170 tỉ USD, dự kiến sẽ tăng gần 10% tới thời điểm 2020 Trong phân khúc ngành hàng này, nước chiếm ưu thế với hơn 35% trong tổng thị phần thị trường, còn đồ uống có ga đạt khoảng 22% Nước uống đóng chai sẽ tăng nhanh nhất do người tiêu dùng có xu hướng thích dùng nước uống cung cấp nguồn năng lượng

Dự báo cũng chỉ ra rằng, thị trường Châu Á – Thái Bình Dương sẽ tiếp tục dẫn đầu thế giới về tăng trưởng trong đó có Việt Nam Sức hấp dẫn tăng trưởng của ngành nước đóng chai cũng đã thúc đẩy thêm nhiều doanh nghiệp tham gia vào lĩnh vực này

Hệ thống chiết rót tự động là chiết rót một lượng chất lỏng nhất định vào các chai, bình, lọ, Các hệ thống, máy chiết rót tự động được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp thực phẩm Ngành công nghiệp này yêu cầu năng suất cao, nghiêm ngặt về vệ sinh an toàn thực phẩm Tùy theo tính chất của chất lỏng, các máy chiết rót sẽ có cấu tạo và cách hoạt động khác nhau

Chương 2 TÍNH TOÁN, PHÂN TÍCH, LỰA CHỌN PHƯƠNG ÁN

THIẾT KẾ

2.1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống

Hình 2 1 Sơ đồ hoạt động của hệ thống

Hệ thống này bao gồm:

- Băng tải: đưa chai rỗng đến các vị trí bơm nước, cơ cấu cấp nắp, cơ cấu vặn nắp, cơ cấu dán nhãn

- Cơ cấu bơm nước: bơm nước vào chai theo thể tích 297ml

- Cơ cấu cấp nắp: tự động thả nắp vào miệng chai

- Cơ cấu vặn nắp: vặn chặt nắp chai

- Cơ cấu dán nhãn: dán nhãn vào chai

2.2 Băng tải

Một hệ thống đang được sử dụng nhiều trong các nhà máy cơ sở sản xuất tiết kiệm sức lao động, nhân công, thời gian và tăng hiệu quả rõ rệt đó chính là băng tải, băng chuyền Hiểu một cách đơn giản nhất thì có thể hiểu băng tải là một cơ chế hoặc máy

có thể vận chuyển một tải đơn (thùng carton, hộp, túi …) hoặc số lượng lớn vật liệu (đất, bột, thực phẩm …) từ một điểm A đến điểm B

Định nghĩa chuyên nghiệp hơn thì hệ thống băng tải là thiết bị chuyển tải có tính kinh tế cao nhất trong ứng dụng vận chuyển hàng hóa, nguyên vật liệu trong sản xuất với mọi khoảng cách Vậy hệ thống băng chuyền là một trong những bộ phận quan trọng trong dây chuyền sản xuất, lắp ráp của các doanh nghiệp, nhà máy Góp phần tạo nên một môi trường sản xuất năng động, khoa học và giải phóng sức lao động mang lại hiệu quả kinh tế cao

2.2.1 Cấu tạo của băng tải

 Thành phần cấu tạo

- 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

2.2.2 Phân loại băng tải

 Băng tải PVC: dễ lắp đặt

Hình 2 2 Băng tải PVC

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

Hình 2 3 Băng tải xích

 Băng tải con lăn: Băng tải con lăn nhựa, băng tải con lăn nhựa PVC, băng

tải con lăn thép mạ kẽm, băng tải con lăn truyền động bằng motor

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:

 Băng tải PVC

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

- Truyền động bởi động cơ DC giảm tốc

 Đặc điểm

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

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

- Chống rỉ sét

- 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]

𝑃𝑐𝑡 =𝑃𝑡

ηVới :

 Pct : Công suất cần thiết trên trục động cơ (kW)

 Ptd : Công suất trên trục máy công tác (kW)

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

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

𝑃𝑡𝑑 = 𝐹 𝑣

1000Với: + F: Lực kéo băng tải (N), với F=100 N

ηđ𝑎𝑖= 0,95: Hiệu suất bộ truyền đai

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

𝑃𝑐𝑡 = 𝑃𝑡𝑑

η β=

0,020,95 = 0,021 𝑘𝑤 = 21 𝑤 Xác định sơ bộ tốc độ quay của động cơ điện:

+ nlv: Số vòng quay trục máy công tác (vg/ph) + D: đường kính con lăn

Xác định nlv: theo công thức:

𝑛𝑙𝑣 =60000 𝑣

𝜋 𝐷 =

60000.0,023,14.50 = 8,9 𝑣𝑔/𝑝ℎ 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: Với tất cả các yêu cầu và các lực tính toán trên nên nhóm đã quyết định

chọn động cơ điện một chiều làm động cơ dẫn động cho băng tải Động cơ được chọn có momen lớn do yêu cầu làm việc của băng tải có tải trọng Động cơ có gắn liền loại hộp số loại 24v-25w, có tốc độ quay trên trục sau hộp số là 57

Hình 2 6 Động cơ giảm tốc 370CH

2.3 Hệ thống chiết rót:

2.3.1 Phương pháp định lượng, chiết rót

 Định lượng bằng xy-lanh định lượng:

- Phương pháp này tối ưu hóa sự chính xác trong chiết rót, chất lỏng được đong vừa đủ định mức của xy lanh nên đảm bảo lưu lượng không đổi với tất cả các chai

- Phương pháp này hầu như được áp dụng hầu hết trong các hệ thống sản xuất thực phẩm dạng lỏng, thức uống… của các thương hiệu hàng đầu trên thế giới như Cocacola, Pepsi, …

- Nhược điểm là giá thành chế tạo cao, định mức cố định, nếu muốn thay đổi thể tích chiết rót, buộc phải thay đổi cả thể tích xy-lanh, tương đương với việc mua mới

 Định lượng bằng cảm biết mực chất lỏng:

- Phương pháp này tương đối chính xác Cảm biến được đặt sát với mực thể tích mong muốn, khi rót đạt đến định mức, cảm biến sẽ xuất tín hiệu về xử lý để ngắt van ống dẫn chất lỏng

- Phương pháp này phụ thuộc rất nhiều vào yếu tố môi trường ảnh hưởng đến cảm biến, vị trí đặt cảm biến, cũng như chất lượng của cảm biến sẽ tỉ lệ thuận với giá thành Không những thế, việc bảo trì cần phải được thực hiện định kì, khả năng xấu nhất có thể xảy ra là cảm biến không nhận tín hiệu dẫn đến việc nước bị tràn làm hư hỏng các thiết bị điện

 Định lượng bằng thời gian:

- Phương pháp này độ chính xác chỉ dừng ở mức tương đối, thời gian rót sản phẩm vào chai được quy định trong chương trình, khi hết thời gian van sẽ ngắt

không cho nước chạy qua nữa

- 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, tại vị trí chiết rót có cảm biến hồng ngoại phát hiện có chai, cảm biến gửi tín hiệu về PLC điều khiển cho xi lanh khí nén đẩy chai vào thành để giữ vị trí dưới vòi bơm và sau đó điều khiển bơm chạy một khoảng thời gian đã tính toán để được lượng nước mong muốn.Sau khi bơm dừng plc điều khiển cho xy-lanh đi ra

2.3.3 Tính toán cho hệ thống chiết rót

Trong thực tế, ở các hệ thống chiết rót quy mô công nghiệp, người ta thường sử dụng các loại động cơ bơm nước công suất lớn, tuổi thọ cao và có thể làm việc liên tục trong thời gian dài Tuy nhiên, với quy mô đồ án nhỏ, nhóm ưu tiên lựa chọn loại động

cơ bơm nước có dòng 12V vì kích thước nhỏ, tiết kiệm năng lượng và giá thành rẻ

Hình 2 7 Bơm 12V

Tính toán:

 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:

nắp sẽ miệng chai kéo theo, khi chai tới vị trí cấp nắp sẽ tác dụng lên thanh chắn một lực vừa đủ cho việc lấy nắp ra

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 giũ chặt với trục động cơ nhờ một con vít ở nắp trên của chụp vặn Nắp được vặn chặt vào thân nhờ ren Bên trong có một chi tiết côn được làm bằng nhựa (dễ gia công) có nhiệm vụ tiếp xúc trực tiếp với nắp chai Chi tiết côn này dễ dàng thay thế bằng các chi tiết côn có kích thước khác nhau để phù hợp hơn với từng kiểu

nắp khác nhau

Hình 2 10 Chụp vặn nắp

Sau khi chai đã được chiết rót sẽ được chuyển sang vị trí vặn nắp Tại vị trí này

có đặt cảm biến nhận diện có chai, nếu có chai hệ xy-lanh hoạt động đưa động cơ giảm tốc xuống vị trí vặn nắp

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, lực tác dụng từ đầu xoáy nắp chai gây ra lực F tác dụng lên chai Khi xoáy nắp, lực F tác dụng lên mặt trên của nắp làm cho nắp đi xuống

Trong trường hợp này chai và nắp được gắn vào nhau và coi như 1 vật, lực nén F tác dụng vào chai là lớn nhất Nó gây ra lực ma sát Fms giữa đầu xoáy và nắp khi xoay Fms gây ra momen cản xoay

𝐹𝑚𝑠 = 𝐹 ⋅ 𝑘 Trong đó:

- 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]

𝐹đẩ𝑦 = 𝑃 𝐴 Trong đó:

- F là lực đẩy của xy-lanh (kg)

+ 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

Hình 2 11 Động cơ JGB37-520

Thông số động cơ:

- Điện áp định mức: 24V

- 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

- Đường kính trục D: 5,45mm

- Chiều dài trục đầu ra: 15mm

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