Hệ thống sử dụng công nghệ bơm định lượng đảm bảo chiết rót chính xác, Những phần mềm phục vụ cho việc thiết kế hệ thống bao gồm AOTUCAD, GxWork 2, Lapview,… Đề tài Thiết kế và chế tạo h
Đặt vấn đề
Thị trường nước đóng chai toàn cầu đang tăng trưởng mạnh nhờ vào nhận thức của người tiêu dùng về tầm quan trọng của nước uống sạch Sự phát triển của ngành du lịch sau đại dịch Covid-19 cũng đã thúc đẩy nhu cầu tiêu thụ nước đóng chai Ngoài ra, sự sẵn sàng và dễ dàng tiếp cận với nước đóng chai tại các cửa hàng tiện lợi, siêu thị, và đại siêu thị đã thúc đẩy thị trường này ngày càng mở rộng.
Do đó sự ra đời và phát triển của ngành công nghiệp chiết rót nước và đóng nắp chai tự động là điều tất yếu
Việc hệ thống chiết rót tự động ra đời giúp các công ty giảm thiểu nhân lực và đẩy nhanh tiến độ sản xuất Tuy nhiên, đầu tư vào hệ thống tự động đòi hỏi nguồn vốn lớn lên đến trăm tỉ hoặc thậm chí ngàn tỉ đồng Chính vì vậy, câu hỏi đặt ra là làm thế nào để các doanh nghiệp nhỏ, cơ sở sản xuất hoặc hộ gia đình kinh doanh có thể nâng cao năng suất lao động bằng hệ thống tự động mà vẫn tiết kiệm chi phí Đó chính là lý do nhóm chọn đề tài tập trung vào việc đảm bảo độ chính xác cao và chi phí phù hợp để tối ưu hóa lợi ích của hệ thống tự động.
Mục đích của đề tài
Nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống chiết rót dạng lỏng, đóng nắp chai và cấp nắp tự động nhằm nâng cao hiệu quả sản xuất Hệ thống tích hợp công nghệ xử lý ảnh nhận diện sản phẩm lỗi để đảm bảo chất lượng và giảm thiểu sai sót trong quá trình đóng gói Giải pháp tự động hóa này không chỉ tăng năng suất mà còn đáp ứng các yêu cầu về kiểm tra chất lượng chính xác và nhanh chóng trong ngành công nghiệp đóng gói.
Cho ra một hệ thống tự động vừa có thể giảm thiểu sức lao động mà lại vừa tiết kiệm chi phí và đảm bảo chất lượng
Tìm hiểu và tích lũy kiến thức về các các quy trình chiết rót, định lượng khác nhau, các phương pháp nhận diện và xử lý hình ảnh
Hệ thống hoàn chỉnh phải đáp ứng các điều kiện như điều khiển đơn giản, có tính liên tục, bền bỉ và độ chính xác cao
Mục tiêu của chúng tôi là phát triển nền tảng dây chuyền tự động có khả năng chiết rót chính xác, đồng thời phát hiện lỗi để nâng cao hiệu suất sản xuất Công nghệ tự động này giúp thay thế sức lao động thủ công trong các nhà máy, tăng năng suất làm việc, đảm bảo độ chính xác cao và tối ưu hóa quy trình sản xuất Đây là bước đột phá trong việc xây dựng hệ thống tự động thông minh, đáp ứng nhu cầu hiện đại của ngành công nghiệp.
Phạm vi giới hạn đề tài
Áp dụng kiến thức đã học để xây dựng mô hình vận hành thực tế, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả Hệ thống chiết rót đạt năng suất tối thiểu 720 chai mỗi giờ, đáp ứng yêu cầu sản xuất nhanh chóng và liên tục Việc tối ưu hóa quy trình giúp nâng cao hiệu suất, giảm thiểu thời gian chết và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Mô hình tích hợp chiết rót định lượng với chai vuông 330ml mang lại hiệu quả cao, sai số trong quá trình chiết nước ít hơn 5% Hệ thống tự động đóng nắp và cấp nắp tự động đảm bảo quy trình sản xuất diễn ra liên tục và chính xác Công nghệ xử lý ảnh LabVIEW được sử dụng để nhận diện và phát hiện lỗi sản phẩm không có nắp, nâng cao chất lượng kiểm tra Tất cả các quy trình đều hoạt động liên tục, linh hoạt trong hai chế độ vận hành bằng tay và tự động, phù hợp với nhu cầu sản xuất đa dạng.
Tổng quát về toàn bộ dây chuyền chiết rót
1.4.1 Chiết rót nước vào chai
Trên thị trường hiện nay, có nhiều kỹ thuật chiết rót khác nhau phù hợp với từng loại chất lỏng Định lượng sản phẩm bằng máy đóng vai trò quan trọng trong các ngành sản xuất thực phẩm, giúp đảm bảo chính xác về thể tích và nâng cao năng suất Việc sử dụng máy định lượng không chỉ cải thiện điều kiện vệ sinh mà còn đảm bảo quá trình chiết rót diễn ra nhanh chóng, chính xác, đồng thời đáp ứng các tiêu chuẩn vệ sinh an toàn thực phẩm.
Máy định lượng và chiết rót sản phẩm thường được sử dụng trong các ngành công nghiệp thực phẩm và đồ uống, đặc biệt khi yêu cầu năng suất cao và vệ sinh an toàn thực phẩm nghiêm ngặt Tùy thuộc vào tính chất của chất lỏng, các loại máy chiết rót có thiết kế bộ phận chính và cơ cấu rót phù hợp để đảm bảo hiệu quả và độ chính xác Trong ngành công nghiệp thực phẩm, máy định lượng chiết rót được ứng dụng rộng rãi cho các sản phẩm như nước giải khát, nước trái cây, bia, rượu, và nước có ga, góp phần nâng cao năng suất và đảm bảo chất lượng sản phẩm.
✓ Các phương pháp chiết rót sản phẩm gồm có:
- Phương pháp chiết rót áp suất thường: Chất lỏng tự chảy vào trong chai do chênh
Phương pháp chiết rót chân không sử dụng hệ thống hút chân không để đưa chất lỏng vào chai, tận dụng chênh lệch áp suất giữa thùng chứa và trong chai để đảm bảo quá trình chiết diễn ra chính xác và hiệu quả Quá trình này giúp chất lỏng chảy vào trong chai một cách đều đặn, đảm bảo lượng chất lỏng đầy đủ, đồng thời có thể áp dụng các phương pháp bù trừ hoặc chiết đầy chai để đạt được độ chính xác cao nhất.
Phương pháp rót đẳng áp được sử dụng cho các loại sản phẩm chứa khí như bia và nước ngọt để duy trì độ carbonation Trong quá trình rót, áp suất trong chai được duy trì lớn hơn áp suất khí quyển nhằm ngăn khí CO2 thoát khỏi chất lỏng, giúp bảo đảm hương vị và độ sủi bọt của sản phẩm Thông thường, khí CO2 được nạp vào chai đến khi đạt áp suất cân bằng với áp suất trong bình chứa, sau đó sản phẩm được dẫn từ bình vào chai nhờ vào chênh lệch độ cao, giúp quá trình rót diễn ra trơn tru và không làm mất khí.
✓ Các phương pháp định lượng sản phẩm 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 bằng chiết rót tới mức cố định giúp đảm bảo lượng chất lỏng trong chai đạt chuẩn khi chiết đầy, nhờ vào phương pháp lấy khối thể tích bù trừ để điều chỉnh mức chất lỏng Phương pháp này dựa trên nguyên tắc mức chất lỏng trong chai sẽ sụt xuống đều đặn bất kể thể tích của các chai có bằng nhau hay không, giúp đạt được độ chính xác nhất định Ngoài ra, kỹ thuật sử dụng ống thông hơi giúp chất lỏng dừng lại khi ngập miệng ống, đảm bảo lượng chất lỏng chính xác hơn trong quá trình chiết Tuy nhiên, độ chính xác của phương pháp này còn phụ thuộc vào độ đồng đều của các chai và có thể không đạt mức cao nhất trong các ứng dụng yêu cầu tiêu chuẩn nghiêm ngặt.
Định lượng bằng phương pháp chiết theo thời gian là cách đo thể tích chất lỏng bằng cách cho chất lỏng chảy vào chai trong một khoảng thời gian xác định, giúp xác định lượng chất lỏng một cách dễ dàng và nhanh chóng Phương pháp này phù hợp để đo các sản phẩm có giá trị thấp, không đòi hỏi độ chính xác cao trong lượng Tuy nhiên, do tính chất đơn giản, phương pháp này không thích hợp cho các ứng dụng yêu cầu đo lường chính xác cao.
Hình 1 1 Máy Chiết rót dạng thẳng
( Nguồn https://pms-vietnam.com/may-chiet-rot-piston-dang-thang/ )
1.4.2 Cấp nắp và đóng nắp chai tự động
Máy đóng nắp chai là thiết bị tự động phổ biến trong dây chuyền đóng chai chất lỏng như rượu, nước khoáng và nguyên liệu ngành dược, mang lại giải pháp hiệu quả cho các nhà máy sản xuất thực phẩm và dược phẩm Nó phù hợp với nhiều loại chai khác nhau, có công suất lớn và dễ dàng tích hợp với các máy chiết rót, máy hơ màng để tạo thành dây chuyền đồng bộ Hệ thống cấp nắp được chia thành 4 phần chính gồm: phần cấp nắp, phần xoáy nắp, băng tải khung sườn và phần chuyển động sử dụng động cơ giảm tốc, đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định.
Nắp chai được dẫn từ thùng chứa xuống đường dẫn và xếp đúng chiều để đảm bảo quá trình cấp nắp diễn ra thuận lợi Chai nước sau đó được đưa vào vị trí cấp nắp và cố định để hệ thống cấp nắp hoạt động chính xác Sau khi cấp nắp, chai sẽ được chuyển đến bộ phận vặn nắp để kiểm tra và đảm bảo tất cả các nắp đã đóng kín, nâng cao chất lượng sản phẩm.
Hình 1 2 Máy đóng nắp chai kiểu bàn xoay
( Nguồn https://tpa-fas.com.vn/Tin/tpa-cung-cap-giai-phap-may-dong-nap-chai-tu- dong )
Khả năng ứng dụng vào thực tiễn của dây chuyền chiết rót tự động
1.5.1 Nâng cao tốc độ sản xuất Đầu tiên và quan trọng nhất, máy chiết rót tự động cho phép người đóng gói, đóng chai sản xuất nhiều hơn mức có thể, so với các sản phẩm này được sản xuất làm bằng tay Với chiết rót thủ công hoặc bán tự động, chúng ta cần nhiều người hơn bởi năng suất thủ công rất thấp
Chỉ cần chuẩn bị nguyên liệu đầu vào và cài đặt các thông số phù hợp, sau đó nhấn nút để máy chiết tự động hoạt động Tùy thuộc vào loại máy, bạn chỉ cần từ 1 đến 2 nhân công để đưa bình chứa dung dịch vào và lấy ra sau quá trình chiết Việc vận hành máy chiết tự động giúp tiết kiệm thời gian, nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu sai sót trong quá trình đóng gói dung dịch.
Hệ thống chiết rót định lượng giúp dễ dàng chiết rót và đóng gói đa dạng các loại dung dịch Nó có khả năng tự động làm đầy theo lượng cài đặt sẵn, phù hợp với các sản phẩm từ dạng chảy tự do đến dung dịch có độ nhớt cao như thạch, mật ong, dầu nhớt hoặc bột nhão Nhờ đó, thiết bị có thể xử lý nhiều chai chứa trong mỗi chu kỳ, nâng cao hiệu quả sản xuất và tiết kiệm thời gian.
1.5.2 Độ tin cậy, tính nhất quán, đảm bảo chính xác
Việc chiết rót thủ công có thể gây ra sự chênh lệch về dung tích sản phẩm trong mỗi chai Tuy nhiên, việc sử dụng các thiết bị đo, đong, đếm chính xác như cân, dụng cụ chia dung tích giúp giảm thiểu sai sót và đảm bảo tính nhất quán về thể tích trong các chai, can hoặc chai chuẩn có vạch chia để xếp chiết.
Việc sử dụng máy rót tự động giúp tiết kiệm thời gian trong quá trình chiết và đóng chai, đồng thời đảm bảo độ chính xác trong từng chu kỳ Máy rót tự động cho phép việc bơm đầy được lặp lại nhiều lần một cách đáng tin cậy, phù hợp với các yêu cầu về mức độ, khối lượng, trọng lượng hoặc phép đo chính xác nhất Nhờ đó, quy trình đóng chai được tối ưu hóa, nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong sản xuất.
Máy chiết rót tự động không chỉ phù hợp cho một loại dung tích hoặc sản phẩm duy nhất mà còn có khả năng tùy chỉnh để xử lý đa dạng các hình dạng và kích thước của chai chứa Chất làm đầy chai tự động được thiết kế linh hoạt, giúp doanh nghiệp dễ dàng thích nghi với các yêu cầu sản xuất khác nhau Việc sử dụng máy chiết rót tự động giúp nâng cao hiệu quả và tiết kiệm thời gian trong quy trình đóng gói.
Các máy đóng gói hiện nay có khả năng xử lý nhiều loại sản phẩm khác nhau, từ chất lỏng có độ nhớt thấp đến cao Đặc biệt, thiết bị có tính linh hoạt cao phù hợp với các công ty đóng gói đa dạng sản phẩm trong nhiều loại can, chai với dung tích khác nhau Tính năng này giúp tối ưu hóa quá trình đóng gói và nâng cao hiệu quả sản xuất.
1.5.4 Đơn giản dễ vận hành
Mặc dù ban đầu có thể thấy việc thiết lập máy chiết rót tự động khá phức tạp và tốn thời gian, nhưng thực tế người vận hành chỉ cần tương tác đơn giản khi máy hoạt động Máy rót dễ dàng điều chỉnh thủ công để chuyển đổi giữa các loại chai khác nhau, giúp tiết kiệm thời gian và nâng cao hiệu quả vận hành.
Các cài đặt quan trọng như thời gian rót đầy, tốc độ bơm và các thông số khác được thiết lập trực tiếp trên giao diện màn hình cảm ứng trung tâm, giúp người vận hành dễ dàng quản lý và điều chỉnh quá trình Sau khi các cài đặt này được cấu hình cho từng chai và sản phẩm cụ thể, thường bởi nhà chế tạo theo yêu cầu của khách hàng trước khi giao hàng, các nhà khai thác chỉ cần gọi lại hệ thống để thực hiện các điều chỉnh hoặc kiểm tra cần thiết.
“công thức” từ PLC và mọi lúc sẽ chỉ việc lựa chọn theo các kịch bản chiết rót tự động đã có sẵn trên máy.
Một số dây chuyền chiết rót hiện đại
Nhu cầu sử dụng nước đóng chai ngày càng tăng cao, thúc đẩy ngành công nghiệp sản xuất nước đóng chai phát triển mạnh mẽ và nhanh chóng Các công ty cần đẩy mạnh quy mô và tiến độ sản xuất để nâng cao năng suất và chất lượng sản phẩm, nhằm cạnh tranh hiệu quả trên thị trường Sự tự động hóa trong quy trình sản xuất là yếu tố không thể thiếu, giúp tối ưu hóa quá trình, giảm thiểu chi phí và đảm bảo tiêu chuẩn chất lượng cho các doanh nghiệp trong ngành.
Hình 1 3 Dây chuyền sản xuất Coca-Cola ( Nguồn https://www.vietnamplus.vn/le-monde-cocacola-chi-8-trieu-euro-thao-tung- ket-qua-nghien-cuu/568541.vnp)
Dây chuyền sản xuất bia tại Công Ty Bia Sài Gòn là một hệ thống hiện đại, đảm bảo quy trình sản xuất đạt tiêu chuẩn chất lượng cao Theo nguồn từ vnautomate.net, quy trình này được thiết kế tối ưu để nâng cao năng suất và đảm bảo độ tươi ngon của sản phẩm Dây chuyền sử dụng công nghệ tiên tiến, giúp giảm thiểu yếu tố thất thoát và tối ưu hóa vận hành, phù hợp với xu hướng sản xuất bia hiện đại Bằng việc áp dụng hệ thống tự động hóa, Công Ty Bia Sài Gòn đã khẳng định vị thế hàng đầu trong ngành bia tại miền Bắc.
Giới thiệu chung về hệ thống
Tự động hóa là công nghệ giúp giảm thiểu sự can thiệp của con người vào các quy trình Điều này đạt được bằng cách xác định trước các tiêu chí quyết định, các mối quan hệ của quy trình con và các hành động liên quan, sau đó thể hiện chúng trong hệ thống máy móc Tự động hóa giúp tối ưu hóa hiệu suất làm việc và đảm bảo tính chính xác trong quá trình vận hành.
Thuật ngữ tự động hóa lần đầu xuất hiện trong ngành công nghiệp ô tô vào năm 1946 để mô tả sự gia tăng sử dụng các thiết bị và hệ thống điều khiển tự động trong quy trình sản xuất Việc ứng dụng tự động hóa đã góp phần nâng cao hiệu quả, giảm thiểu sai sót và tiết kiệm lao động trong các dây chuyền sản xuất ô tô cơ giới hóa Tự động hóa là yếu tố then chốt thúc đẩy quá trình sản xuất hiện đại, giúp ngành công nghiệp ô tô phát triển bền vững và cạnh tranh trên thị trường toàn cầu.
Tự động hóa ngày nay đã được thực hiện thông qua nhiều phương tiện khác nhau như thiết bị cơ khí, thủy lực, khí nén, điện tử và máy tính, thường kết hợp nhiều công nghệ để tối ưu hóa hiệu quả Các hệ thống tự động phức tạp, đặc biệt trong các nhà máy hiện đại, máy bay và tàu thủy, thường sử dụng sự tích hợp của các kỹ thuật này để đạt hiệu suất tối đa Lợi ích lớn của tự động hóa bao gồm tiết kiệm lao động, giảm lãng phí, giảm chi phí điện năng, vật liệu và nâng cao chất lượng, độ chính xác trong quá trình sản xuất.
Hình 2 1 Ứng dụng tự động hóa trong sản xuất nước ngọt ( Nguồn https://tpapack.com/day-chuyen-san-xuat-nuoc-giai-khat/ )
2.1.2 Vai trò của hệ thống tự động
Tự động hóa các quá trình sản xuất giúp tối ưu hóa hiệu quả lao động trong nhà máy hiện đại, đặc biệt trong các ngành công nghiệp có sản lượng lớn như đinh, bóng đèn điện, khóa kéo và phụ kiện cửa tự động Việc sử dụng công nghệ tự động hóa không chỉ đáp ứng được khối lượng sản phẩm khổng lồ trong năm mà còn giúp giảm thiểu chi phí sản xuất, đảm bảo giá thành cạnh tranh trên thị trường Các quy trình tự động hóa chính là giải pháp tối ưu để tăng năng suất, cải thiện chất lượng sản phẩm và đáp ứng nhanh nhu cầu tiêu dùng ngày càng tăng cao.
Trong nhiều trường hợp, lợi nhuận riêng của một đơn vị sản phẩm là rất nhỏ, do đó, chỉ có sản xuất tập trung với số lượng lớn trên các dây chuyền tự động, năng suất cao mới giúp giảm giá thành sản phẩm và nâng cao hiệu quả kinh tế Sử dụng các quy trình sản xuất tự động hóa ở mức độ cao là cần thiết để tối ưu hóa chi phí và nâng cao năng suất trong những trường hợp này.
Tự động hóa đã thay đổi căn bản tính chất công việc, giúp cải thiện điều kiện làm việc của công nhân, đặc biệt trong các khâu độc hại, nặng nhọc và lặp đi lặp lại nhàm chán Công nghệ tự động hóa góp phần khắc phục sự khác biệt giữa lao động trí óc và lao động chân tay, nâng cao năng suất và giảm bớt gánh nặng cho người lao động.
Quy trình sản xuất tự động giúp lập trình sẵn các thông số sản phẩm, đảm bảo thành phẩm có độ chính xác cao và tỷ lệ lỗi thấp Nhờ vào tự động hóa, doanh nghiệp giảm thiểu sai sót liên quan đến yếu tố con người, nâng cao độ đồng đều và chất lượng sản phẩm Tỷ lệ lỗi thấp không chỉ nâng cao hiệu quả sản xuất mà còn giúp giảm chi phí nguyên vật liệu và chi phí sửa chữa hoặc sản xuất bù do lỗi sản phẩm.
2.1.3 Khó khăn trong việc ứng dụng hệ thống tự động
Hệ thống tự động dễ bị hư hỏng do giới hạn của trí thông minh nhân tạo và khả năng gặp sự cố gây ra những vấn đề ngoài dự kiến Vì vậy, việc kiểm tra và bảo trì định kỳ là rất cần thiết để duy trì hiệu suất hoạt động tốt và đảm bảo an toàn cho hệ thống.
Chi phí phát triển hệ thống tự động hóa không thể dự đoán trước, khi các nghiên cứu và phát triển có thể vượt quá khoản tiết kiệm mang lại từ việc tự động hóa Điều này khiến doanh nghiệp cần cân nhắc kỹ lưỡng để đảm bảo hiệu quả kinh tế khi triển khai các dự án tự động hóa quy trình.
Chi phí ban đầu cao của tự động hóa đòi hỏi một khoản đầu tư lớn vào thiết bị và công nghệ mới, mặc dù các chi phí này có thể được phân bổ qua nhiều sản phẩm theo thời gian Tuy nhiên, việc tự động hóa có thể dẫn đến tình trạng thất nghiệp, khi các máy móc thay thế lao động chân tay, làm giảm giờ làm việc và yêu cầu người lao động phải có kiến thức cao hơn để thích nghi với công việc mới.
Các thiết bị chiết rót đang sử dụng trên thị trường
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Vận hành đơn giản chỉ với thao tác gạt lên, gạt xuống cần chiết rót, dung tích định lượng có thể thay đổi dễ dàng
- Năng suất tương đối cao, cùng với khả năng chiết rót tất cả các loại dung dịch từ dạng lỏng tới dạng đặc
- Do máy được vận hành hoàn toàn thủ công nên không tốn điện, không tốn chi phí bảo trì, đồng thời giá thành rẻ và dễ dàng vệ sinh
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
- Máy không chiết rót được những dung dịch có thành phần lẫn chất rắn hoặc quá đặc
502 Bad GatewayUnable to reach the origin service The service may be down or it may not be responding to traffic from cloudflared
Tốn nhiều thời gian và công sức, độ chính xác không cao
Máy chiết rót chai tự động được sử dụng lớn, nâng cao năng suất chiết đóng thành phẩm vào chai
Máy chiết rót chai tự động ngày càng được ưa chuộng trong các cơ sở sản xuất và đóng gói, thay thế cho dòng máy bán tự động Thiết bị này có chức năng chiết rót và định lượng nguyên liệu chính xác, giúp nâng cao hiệu quả sản xuất và đảm bảo chất lượng sản phẩm Với khả năng tự động hóa cao, máy chiết rót chai PET tự động hỗ trợ doanh nghiệp giảm thiểu nhân công và tiết kiệm thời gian trong quá trình đóng gói.
Máy chiết rót hiện đại ngày nay được chế tạo dựa trên công nghệ tiên tiến, giúp đạt độ chính xác cao và năng suất vượt trội so với các loại máy cắt rót truyền thống Điều này đóng vai trò quan trọng trong chiến lược cạnh tranh về giá cả, khi giảm thiểu tối đa chi phí sản xuất và đóng gói Tuy nhiên, máy chiết rót tự động cũng có những ưu điểm và nhược điểm cần xem xét để lựa chọn phù hợp với nhu cầu doanh nghiệp.
- Tiết kiệm chi phí sản xuất và nhiên liệu
- Độ chính xác và chất lượng cao
- Năng suất làm việc cao
- Giảm thiểu nhân công lao động
- Chi phí đầu tư lớn
2.2.3 Thiết bị bán tự động
Máy chiết rót bán tự động là thiết bị chuyên dụng để chiết rót các sản phẩm dạng lỏng vào bao bì và chai lọ, đảm bảo chất lượng cho hàng hóa Thiết bị này thường được sử dụng trong các cơ sở sản xuất và xí nghiệp vừa và nhỏ nhằm nâng cao năng suất và hiệu quả công việc Sử dụng máy chiết rót bán tự động giúp tiết kiệm thời gian, giảm thiểu sai sót và đảm bảo quy trình đóng gói chuyên nghiệp.
Các giai đoạn của hệ thống
- Hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động kết hợp xử lí ảnh gồm 5 giai đoạn như sau:
- Giai đoạn cấp chai và chiết rót: Chai được đặt trên băng tải đầu vào rồi đi tới vị trí vòi chiết rót
Giai đoạn cấp nắp bắt đầu sau khi chai đã được chiết đầy nước và di chuyển đến vị trí cấp nắp Hệ thống cấp nắp tự động sẽ thực hiện việc đặt nắp lên miệng chai một cách chính xác và hiệu quả, đảm bảo quy trình đóng gói diễn ra nhanh chóng và an toàn.
Giai đoạn đóng nắp là bước cuối cùng trong quy trình sản xuất chai Sau khi được cấp nắp, chai sẽ được mâm xoay chuyển đến vị trí đóng nắp tự động Tại đây, cơ cấu đóng nắp sẽ được hạ xuống và xoay tự động để xoắn chặt nắp vào cổ chai một cách chính xác và an toàn, đảm bảo tính kín khít của sản phẩm.
Trong giai đoạn xử lý hình ảnh, sau khi vặn nắp xong, chai được đưa lên băng tải để kiểm tra Tại đây, hệ thống kiểm tra hình ảnh xác định các sản phẩm lỗi không có nắp và loại bỏ chúng khỏi dây chuyền Các sản phẩm đạt yêu cầu về nắp sẽ tiếp tục được chuyển sang các bước tiếp theo trong quá trình sản xuất.
- Giai đoạn thành phẩm: Chai nước đi đến cuối băng tải và được lấy ra
- Sử dụng 2 nguồn điện chính: Nguồn điện xoay chiều 220V AC và nguồn điện 1 chiều 24V DC
- Thiết bị điện sử dụng gồm có: PLC, cảm biến tiệm cận, relay trung gian, van điện từ, động cơ giảm tốc, công tắc, nút nhấn, CB, xilanh, Camera
- Phần tủ điện của mô hình phải được thiết kế gọn gàng, hợp lý, an toàn, ngăn nắp, dễ vận hành, bảo trì, sửa chữa một cách dễ dàng.
Nội dung cần nghiên cứu
Trong đề tài "Thiết kế và chế tạo hệ thống chiết rót tự động kết hợp xử lý ảnh để nhận diện sản phẩm lỗi", chúng tôi tập trung nghiên cứu phát triển hệ thống tự động giúp nâng cao hiệu quả sản xuất Hệ thống này sử dụng công nghệ xử lý ảnh để nhận diện chính xác các sản phẩm lỗi trên dây chuyền, từ đó giảm thiểu sai sót và nâng cao chất lượng sản phẩm Phương pháp chiết rót tự động kết hợp xử lý ảnh không chỉ tối ưu hóa quá trình sản xuất mà còn giảm thiểu nhân công và chi phí vận hành Kết quả nghiên cứu góp phần tạo ra giải pháp tự động hóa hiện đại, phù hợp với yêu cầu của ngành công nghiệp sản xuất hiện nay.
Trong quá trình nghiên cứu, cần tìm hiểu các đề tài mà mô hình hiện có, nắm bắt nguyên lý hoạt động và tham khảo thiết bị sử dụng để đưa ra phương án thiết kế phù hợp nhất cho đề tài của mình Việc này giúp đảm bảo sự chính xác và tối ưu trong quá trình phát triển dự án, đồng thời nâng cao hiệu quả thực hiện và ứng dụng công nghệ phù hợp.
Thiết kế bản vẽ 2D, 3D và sơ đồ khối cho hệ thống đảm bảo hình dung rõ ràng các thành phần, cấu trúc Quá trình này giúp tối ưu hóa thiết kế và tăng tính chính xác trong thi công Đồng thời, việc tính toán và lựa chọn linh kiện, thiết bị, động cơ phù hợp cho từng giai đoạn của hệ thống là yếu tố quyết định đảm bảo hoạt động hiệu quả, độ bền và tiết kiệm chi phí Việc chọn đúng linh kiện cũng giúp nâng cao hiệu suất vận hành và dễ dàng bảo trì, nâng cấp trong tương lai.
✓ Nội dung 3: Thiết kế hệ thống điều khiển
✓ Nội dung 4: Thi công mô hình
✓ Nội dung 5: Kết quả đạt được
✓ Nội dung 6: Đánh giá kết quả và đưa ra phương hướng phát triển.
Phương pháp và phương tiện nghiên cứu
Dựa trên các cơ sở lý thuyết đã có và quá trình khảo sát, đúc kết từ các mô hình thực tế, nhóm đã đề xuất các phương pháp thực hiện đề tài đồ án một cách rõ ràng, phù hợp với yêu cầu đề ra.
Nghiên cứu lý thuyết, đưa ra giải pháp phù hợp để thực hiện đồ án
Phương pháp tính toán: Tính toán lựa chọn các linh kiện, động cơ, thực nghiệm điều chỉnh thông số cho phù hợp yêu cầu
Phương pháp mô phỏng bằng mô hình nhỏ, thiết kế trên lý thuyết Nhóm đã thực hiện thiết kế và chế tạo sản phẩm
Nhóm chưa có nhiều kinh nghiệm trong việc chế tạo mô hình thật, khiến họ gặp nhiều khó khăn trong quá trình thiết kế, chế tạo và kết nối các sản phẩm lại với nhau Việc thiếu kỹ năng và kiến thức chuyên môn đã ảnh hưởng đến chất lượng và tiến độ dự án, đòi hỏi nhóm cần tích lũy thêm kinh nghiệm để hoàn thiện các bước thực hiện Để nâng cao hiệu quả công việc, nhóm nên tìm hiểu thêm về kỹ thuật chế tạo mô hình và các phương pháp kết nối phù hợp, từ đó cải thiện khả năng thi công và đảm bảo thành công cho dự án.
Phương án giải quyết
Hình 3.1 trình bày mô hình 3D của cơ cấu chiết nước, tích hợp công nghệ cảm biến lưu lượng để nâng cao hiệu quả và độ chính xác trong quá trình chiết rót Nhờ ứng dụng công nghệ cảm biến lưu lượng vào hệ thống, quá trình chiết rót đảm bảo chất lượng sản phẩm và giảm thất thoát nguyên liệu Hệ thống sử dụng bơm định lượng kết hợp với cảm biến lưu lượng, giúp kiểm soát chính xác lượng nước được chiết rót và đo lường tốc độ dòng chảy của vòi chiết một cách hiệu quả Công nghệ này không chỉ tối ưu hóa quá trình sản xuất mà còn nâng cao độ chính xác và tiết kiệm chi phí vận hành.
Nguyên lý hoạt động của hệ thống bắt đầu khi chai nước di chuyển trên băng tải đầu vào, đến vị trí vòi chiết được cảm biến phát hiện Khi đó, băng tải dừng lại để tiến hành quá trình chiết rót đầy chai, đảm bảo chính xác và an toàn Sau khi chai đã đầy, cảm biến lưu lượng xác nhận và bơm nước tự động dừng, giúp tiết kiệm năng lượng và tăng hiệu quả vận hành Cuối cùng, băng tải tiếp tục vận hành, đưa chai đã hoàn thiện ra khỏi quá trình.
Hình 3 2 Hình ảnh cơ cấu cấp nắp tự động
Hệ thống cấp nắp tự động sử dụng động cơ DC giảm tốc, giúp quá trình đưa nắp vào thùng phân loại diễn ra chính xác và hiệu quả Nắp sẽ được đưa vào thùng phân loại, trong đó nắp úp sẽ được đẩy ra ngoài và di chuyển đến đầu cấp tự động, trong khi nắp ngửa sẽ không được đưa ra Quá trình cấp nắp liên tục hoạt động cho đến khi cảm biến phát hiện thùng chứa đã đầy hoặc không còn nắp Sau khi chai được chiết đầy, mâm xoay sẽ đưa chai đến vị trí cấp nắp, và khi chai đi ngang qua, nắp sẽ được đặt chính xác lên miệng chai để đảm bảo đóng kín và an toàn.
Hệ thống đóng nắp chai được ứng dụng rộng rãi trong ngành sản xuất đồ uống, thực phẩm, mỹ phẩm và hóa chất công nghiệp, mang lại hiệu quả cao trong quá trình đóng gói Thiết bị đảm bảo đóng kín chai nhựa một cách chính xác, giúp ngăn ngừa rò rỉ chất lỏng ra ngoài, bảo vệ sản phẩm và nâng cao chất lượng Với công nghệ tiên tiến, hệ thống đóng nắp chai tự động giúp tăng năng suất và giảm thiểu sai sót trong quá trình đóng gói Đây là giải pháp tối ưu cho các nhà sản xuất cần tiết kiệm thời gian và đảm bảo an toàn cho sản phẩm.
Bộ phận này ứng dụng công nghệ hiện đại giúp đảm bảo độ chính xác cao trong quá trình vận hành Việc đóng nắp đúng cách rất quan trọng để ngăn ngừa nhiễm khuẩn cho nước, đảm bảo an toàn vệ sinh thực phẩm Tuy nhiên, nếu nắp được đóng quá chặt có thể làm biến dạng chai trong quá trình sản xuất, gây ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm Do đó, hệ thống sử dụng động cơ điều chỉnh lực đóng nắp một cách chính xác để đảm bảo vừa đủ chặt mà không gây hư hỏng cho chai.
DC giảm tốc được sử dụng trong quá trình cấp nắp, giúp tạo ra moment xoắn vừa đủ để vặn nắp mà không gây lỗi Nhờ hệ thống cấp nắp tự động, quá trình này đảm bảo không xảy ra hiện tượng nắp bị ngửa hoặc lệch khi đặt lên chai, tăng tính chính xác và hiệu quả trong sản xuất.
Hình 3 3 Hình ảnh cơ cấu cấp nắp do nhóm thiết kế
Nguyên lý hoạt động của hệ thống đóng nắp chai bắt đầu khi chai được đưa vào vị trí nhờ mâm xoay, sau đó cảm biến cảm biến 2 phát hiện chai và dừng mâm xoay Tiếp theo, xi lanh hoạt động đẩy motor đóng nắp xuống, thực hiện quá trình đóng nắp trong thời gian đã thiết lập sẵn Sau khi đóng nắp xong, xi lanh lại đi lên để sẵn sàng cho chu trình tiếp theo, giúp quá trình đóng nắp diễn ra chính xác và hiệu quả.
3.2.4 Hệ thống phân loại chai lỗi
Hệ thống phân loại chai lỗi hiện nay được ứng dụng phổ biến nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm, giảm thiểu công lao động giám sát và tăng tính linh hoạt cho các dây chuyền sản xuất hiện đại.
Có nhiều phương pháp để xử lý phân loại sản phẩm khác nhau cho từng dây chuyền khác nhau:
- Phân loại màu sắc cho các dây chuyền phân loại sản phẩm như hoa quả,…
- Phân loại bằng phương pháp bắt tọa độ ,…
Hình 3 4 Hình ảnh mô hình 3D giai đoạn xử lý chai lỗi
Sau khi chai được đặt lên băng tải đầu ra, hệ thống camera xử lý hình ảnh sẽ kiểm tra Nếu phát hiện chai không có nắp đậy hoặc nắp chưa được đóng chặt, xi lanh sẽ đẩy chai ra ngoài để đảm bảo chất lượng sản phẩm.
Hình 3 5 Hình ảnh cơ cấu băng tải nhìn từ trên
Hệ thống băng tải đóng vai trò chính trong quá trình chuyển chai nước từ khâu đưa vào đến khi hoàn tất các công đoạn chiết rót và đóng nắp Hệ thống giúp tối ưu hóa năng suất sản xuất, đảm bảo quá trình vận hành liên tục và hiệu quả Sau khi hoàn thành các bước, băng tải sẽ đưa chai nước ra ngoài để chuẩn bị cho các công đoạn tiếp theo hoặc đóng gói thành phẩm Thiết kế của hệ thống băng tải conver phù hợp với quy trình sản xuất chai nước, nâng cao hiệu quả và giảm thiểu sai sót trong quá trình vận hành.
Cơ cấu mâm xoay có nhiệm vụ đưa chai đến từng giai đoạn của hệ thống chiết rót đóng nắp
Hình 3 6 Hình ảnh cơ cấu mâm xoay 3D.
Quy trình nghiên cứu
- Tham khảo các hệ thống và mô hình chiết rót thông qua sách vở và internet, từ đó đưa ra giải pháp cho mô hình
- Tìm hiểu các phương án cho băng tải, chiết rót , cấp nắp và xử lý ảnh
- Tìm hiểu và đưa ra phương án thiết kế cho mâm xoay và hệ thống cấp nắp
- Tính toán, phân tích và lựa chọn kết cấu cơ khí, thiết bị động lực và điều khiển
- Tính toán hiệu suất, khả năng làm việc của mô hình
- Thiết kế bản vẽ 2D và 3D cho mô hình
- Cho chạy thử linh kiện để xác định các thông số và đảm bảo thiết bị không bị lỗi trước khi lắp ráp
- Chạy thử mô hình hoàn chỉnh để xem có đúng với thông số ban đầu đưa ra để có phương án sửa chữa và khắc phục hợp lý
- 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:
- Tính toán thông số kỹ thuật cho băng tải và động cơ băng tải Từ đó tiến hành chọn băng tải phù hợp
- Hoàn thiện bản vẽ và thi công phần cứng mâm xoay, hệ thống cấp nắp và vặn nắp
- Xác định dung tích chai và thiết kế cơ cấu chiết rót
- Chọn động cơ cho mâm xoay, hệ thống cấp nắp và vặn nắp
- Lắp ráp và hoàn thiện cơ cấu
- Thực nghiệm và xác định thông số mô hình.
Yêu cầu hệ thống
✓ Phần cơ khí của hệ thống phải đảm bảo chắc chắn, gọn nhẹ, dễ dang tháo lắp
✓ Động cơ băng tải phải có lực kéo đủ lớn để có thể đảm bảo quá trình hoạt động
✓ Cơ cấu bơm nước phải đảm bảo chính xác để không xảy ra hiện tượng thiếu nước hoặc thừa nước khi chiết rót vào chai
✓ Moment xoắn của cơ cấu vặn nắp phải đủ lớn để nắp được đảm bảo vặn chặt
✓ Hệ thống cấp nắp hoạt động liên tục để đảm bảo nắp đươc cấp đầy đủ trong quá trình chiết
✓ Áp dụng xử lý ảnh bằng phương pháp phân loại màu sắc, bắt điểm hoặc tọa độ.
Phương án thiết kế phần mềm
4.3.1.1 Lưu đồ giải thuật chung của hệ thống
Hình 4 2 Hình ảnh lưu đồ giải thuật chung của hệ thống
4.3.1.2 Lưu đồ giải thuật chế độ Main
Hình 4 3 Hình ảnh lưu đồ giải thuật chế độ Ma
4.3.2 Thiết kế phần điều khiển
8 Chảm biến chai vào (quang) Input X7
9 Cảm biến vị trí mâm (quang) Input X10
10 Cảm biến đóng nắp (quang) Input X11
11 Phân loại nắp bằng labview Input X12
1 Băng tải đầu vào Output Y0
2 Băng tải đầu ra Output Y1
4 Động cơ mâm xoay Output Y3
5 Động cơ vặn nắp + xilanh Output Y4
7 Động cơ phân loại nắp Output Y6
Bảng 4 1 Bảng in put, out put các thiết bị
4.3.2.2 Mạch điều khiển bằng PLC
Hình 4 4 Hình ảnh bảng vẽ mạch điều khiển PLC
Hình 4 5 Mạch động lực xilanh
Hình 4 6 Hình ảnh thiết kế tủ điện.
Phương án thiết kế phần cứng
4.4.1.1 Phương án băng tải xích nhựa
Băng tải xích là ngành sản phẩm sử dụng trong các ngành công nghiệp nhẹ, vận chuyển linh hoạt và đơn giản
Hệ thống băng tải xích nhựa được thiết kế đa năng theo chiều ngang hoặc chiều dọc của sản phẩm
Các mắt xích nhựa trong hệ thống băng tỉa đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo độ chặt chẽ và độ bền của cấu trúc Chúng còn giúp hệ thống vận hành linh hoạt, hỗ trợ việc vận chuyển đa cấp một cách dễ dàng và thuận tiện Nhờ đó, người dùng dễ dàng thao tác và tiếp cận các chức năng của hệ thống một cách hiệu quả.
Băng tải xích nhựa được cấu hình bằng dây chuyền tiêu chuẩn phù hợp với yêu cầu của sản xuất như: cấu hình, nhiệt độ, độ bền
✓ Cấu tạo của băng tải xích
- Vật liệu khung: Inox, nhôm định hình
- Vật liệu xích: Plastic POM, màu nâu, trục được làm băng thép không gỉ
- Tang truyền động: Theo bộ tải xích nhựa
- Hệ thống điện: Motor, biến tần điều khiển tốc độ, tủ điện điều khiển, thiết bị cảm biến, PLC,
- Nguồn điện sử dụng 1 pha 220V hoặc 3 pha 380V
- Động cơ giảm tốc chuyển động: Là động cơ giảm tốc có công suất 0.2, 0.4, 0.75, 1.5, 2.2KW Ưu điểm và nhược điểm
- Khối lượng băng tải nhẹ giúp tiết kiệm điện năng sử dụng
- Không gây tiếng ổn trong quá trình làm việc, độ bền cao, khả năng chống mài mòn tốt và chi phí bảo trì thấp
- Không bị trượt khi kéo tải
- Dễ dàng tháo lắp và di chuyển
- Có cơ cấu cơ khí đơn giản, dễ dàng tháo lắp dật và bảo trì
- Chi phí sản xuất cao
- Phải thường xuyên bảo trì xích
- Khả năng chịu tải không lớn
- Dễ bị biến đổi trong môi trường có nhiệt độ cao
Băng tải con lăn được sử dụng để vận chuyển các kiện hàng theo tuyến ngang hoặc nghiêng, phù hợp với nhiều ứng dụng trong vận chuyển hàng hóa Các loại băng tải con lăn được phân chia dựa trên phương pháp tác động, gồm băng tải không dẫn động và băng tải dẫn động, đáp ứng các yêu cầu vận chuyển khác nhau Băng tải con lăn không dẫn động được lắp đặt với góc nghiêng phù hợp, sử dụng trọng lực để giúp vật chuyển động dễ dàng trên hệ thống.
✓ Cấu trúc băng tải con lăn:
Băng tải con lăn được cấu tạo từ nhiều phụ kiện nhẹ, mỗi thành phần có nguyên liệu riêng biệt nhằm đảm bảo hoạt động trơn tru và hiệu quả của hệ thống băng tải Các phụ kiện chất lượng cao giúp nâng cao độ bền và tuổi thọ của băng tải con lăn, phù hợp với nhiều ứng dụng công nghiệp khác nhau Việc sử dụng các nguyên liệu đa dạng trong các phụ kiện của băng tải con lăn đảm bảo sự ổn định và giảm thiểu sự cố trong quá trình vận hành.
- Hệ thống khung của băng tải con lăn được chế tạo bằng thép hoặc inox, dễ dàng để tháo ráp hoặc lắp đặt
Các nhà thiết kế thường chọn sử dụng khung nhôm định hình cho băng tải con lăn khi cần tải hàng nhẹ, vì đây là giải pháp tối ưu giúp tối ưu hóa trọng lượng và độ bền của hệ thống.
- Trục con lăn thường được sử dụng trục thép không rỉ nguyên khối hoặc inox
- Vật liệu để làm con lăn khá đa dạng như thép không gỉ, cao su, inox,…
Bề mặt chịu lực của con lăn được mạ kẽm, bọc cao su hoặc bọc nhựa nhằm nâng cao độ bền và khả năng chịu lực của băng truyền con lăn Ưu điểm của băng tải con lăn gồm khả năng vận hành ổn định, tuổi thọ cao và dễ thay thế, trong khi nhược điểm có thể là chi phí đầu tư ban đầu cao và đòi hỏi bảo trì định kỳ để duy trì hiệu suất hoạt động tối ưu.
- Kết cấu đơn giản, chi phí không cao so với các băng tải khác là giải pháp hiệu quả nâng cao năng lực sản xuất cho doanh nghiệp
- Hệ số ma sát thấp, không thấm nước và bụi, hệ thống làm kín hiệu quả
- Ống thép chính xác cao đảm bảo các con lăn hoạt động với độ rung và tiếng ồn thấp
- Chịu lực tốt đảm bảo tuổi thọ lâu dài, chạy ổn định và chất lượng tốt
- Thường xuyên phải bảo dưỡng
- Cần 1 không gian lớn để hoạt động
Băng tải PVC được làm từ chất liệu nhựa tổng hợp poly clorua với đặc tính đàn hồi cao, giúp nâng cao hiệu quả vận chuyển hàng hóa Nhờ vào tính linh hoạt và độ bền vượt trội, băng tải PVC được ứng dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hiện đại như sản xuất, logistics, và chế biến thực phẩm Với khả năng chịu lực tốt và dễ dàng bảo trì, loại băng tải này là giải pháp tối ưu cho các hệ thống vận chuyển hàng hóa linh hoạt và hiệu quả.
✓ Cấu tạo băng tải PVC:
Hệ thống mặt băng tải PVC là loại băng chuyền được chế tạo từ chất liệu nhựa dẻo tổng hợp Poly Vinyl Clorua, mang đặc điểm nổi bật là độ đàn hồi cao, đảm bảo vận chuyển hàng hóa một cách nhẹ nhàng và hiệu quả Băng tải PVC thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất và logistics nhờ tính linh hoạt, độ bền và khả năng chịu lực tốt của vật liệu Các hệ thống băng tải PVC giúp nâng cao năng suất làm việc, giảm thiểu rủi ro hư hỏng hàng hóa và tối ưu hóa quá trình vận chuyển.
- Động cơ giảm tốc, bộ điều khiển kiểm soát tốc độ, biến tần, sensor, timer, cảm biến, PLC,…
- Bộ con lăn kộo (con lăn truyền lực chủ động) bằng thộp mạ kẽm hoặc nhụm ỉ50, ỉ60, ỉ76, ỉ89, ỉ102 …
- Bộ truyền động xích hoặc đai
- Hệ thống khung băng tải thường được làm bằng nhôm định hình, thép sơn tĩnh điện hoặc Inox.( khung, chân, thành chắn) Ưu điểm và nhược điểm
- Hoạt động linh hoạt, có khả năng chống thấm, chống mùi ẩm mốc tốt và có độ co dãn thấp nên có tuổi thọ rất cao
- Năng suất hoạt động cao, không gây tiếng ồn, luôn hoạt động ổn định và đảm bảo an toàn trong quá trình vận chuyển hàng hóa
- Phù hợp với nhiều đối tượng khách hàng và đa dạng các ngành sản xuất
- Trọng lượng nhẹ, dễ dàng lắp đặt và vệ sinh
- Không thể vận chuyển các loại hàng hóa có khối lưng và kích thước lớn
- Sản phẩm dễ bị trượt trên băng tải
✓ Kết luận: Nhóm lựa chọn băng tải PVC có thông số kỹ thuật như sau :
- Chiều dài băng tải: 80 cm
- Chiều rộng băng tải: 10 cm
✓ Lí do chọn băng tải PVC:
Hình 4 7 Hình ảnh băng tải PVC
( Nguồn https://bangchuyentai.com.vn/san-pham/bang-tai-pvc-1 )
4.4.2 Chọn động cơ điện cho hệ thống băng tải, mâm xoay, cấp nắp và vặn nắp 4.4.2.1 Phương án động cơ DC
Động cơ DC giảm tốc là loại động cơ điện một chiều (DC - Direct Current Motor) được sử dụng phổ biến, hoạt động dựa trên dòng điện có hướng riêng biệt Động cơ này chuyển đổi năng lượng điện thành cơ năng với khả năng quay liên tục, mang lại hiệu suất cao trong các ứng dụng công nghiệp và tự động hóa Đầu dây của động cơ gồm hai dây chính là dây nguồn (VCC) và dây tiếp đất (GND), giúp điều khiển hoạt động của motor một cách dễ dàng và chính xác.
Động cơ điện 1 chiều thường sử dụng các cặp nam châm vĩnh cửu hoặc nam châm điện để tạo ra từ trường Roto của động cơ gồm các cuộn dây quấn được kết nối với nguồn điện một chiều, giúp tạo ra lực từ để quay rotor Bộ phận chỉnh lưu đóng vai trò quan trọng trong việc đổi chiều dòng điện liên tục trong quá trình rotor quay, đảm bảo hoạt động mượt mà của động cơ Thường thì hệ thống chỉnh lưu gồm có bộ cổ góp và chổi than tiếp xúc với cổ góp để chuyển đổi dòng điện một chiều một cách hiệu quả.
- Ưu điểm nổi bật của động cơ điện 1 chiều là có moment mở máy lớn, do đó sẽ kéo được tải nặng khi khởi động
- Khả năng điều chỉnh tốc độ và quá tải tốt
- Bền bỉ, tuổi thọ lớn
- Giá thành đắt mà công suất không cao
- Hay hư hỏng trong quá trình vận hành nên cần bảo dưỡng sửa chữa cẩn thận thường xuyên
- Tia lửa điện phát sinh trên cửa góp và chổi than có thể gây nguy hiểm, nhất là trong môi trường dễ cháy nổ
4.4.2.2 Phương án động cơ servo Động cơ Servo được chia thành 2 loại: Động cơ servo AC, động cơ servo DC AC servo có thể xử lý các dòng điện cao hơn và có xu hướng được sử dụng trong máy móc công nghiệp DC servo không được thiết kế cho các dòng điện cao và thường phù hợp hơn cho các ứng dụng nhỏ hơn
✓ Cấu tạo của động cơ AC Servo bao gồm 3 phần: Stator, rotor (thường là loại nam châm vĩnh cửu) và encoder
- Stator bao gồm một cuộn dây được quấn quanh lõi, được cấp nguồn để cung cấp lực cần thiết làm quay rotor
- Rotor được cấu tạo bởi nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh
- Encoder được gắn sau đuôi động cơ để phản hồi chính xác tốc độ và vị trí của động cơ về bộ điều khiển
Hình 4 9 Cấu tạo động cơ Servo AC ( Nguồn https://dattech.com.vn/dong-co-servo-la-gi/ )
Về nguyên tắc, động cơ Servo là một thiết bị độc lập Tuy nhiên động cơ Servo chỉ có ý nghĩa thực tiễn khi hoạt động trong hệ thống Servo
Chế độ hoạt động của servo dựa trên hệ thống hồi tiếp vòng kín, giúp điều khiển chính xác vị trí và tốc độ của động cơ Động cơ servo nhận tín hiệu xung điện PWM từ bộ điều khiển để hoạt động ổn định Bộ mã hóa (encoder) đóng vai trò quan trọng trong việc kiểm soát và điều chỉnh quá trình hoạt động của servo, đảm bảo độ chính xác cao trong điều khiển vị trí và vận tốc.
Khi động cơ vận hành, bộ mã hóa (encoder) gửi tín hiệu phản hồi về tốc độ và vị trí của động cơ về mạch điều khiển Bất kỳ yếu tố nào gây cản trở chuyển động hoặc làm sai lệch tốc độ và vị trí mong muốn sẽ được phản hồi lại qua tín hiệu từ hệ thống hồi tiếp Bộ điều khiển Servo sẽ so sánh tín hiệu phản hồi với lệnh điều khiển, từ đó đưa ra các điều chỉnh phù hợp nhằm đảm bảo động cơ hoạt động chính xác theo yêu cầu về tốc độ và vị trí.
✓ Cấu tạo động cơ DC Servo động cơ DC Servo cũng bao gồm 2 bộ phần chính là stato và roto và mọt số bộ phận khác như:
- Nam châm vĩnh cửu (stato)
Động cơ Servo DC hoạt động dựa trên hệ thống hồi tiếp vòng kín, giúp điều chỉnh vị trí chính xác của trục động cơ Nguyên lý hoạt động của nó dựa trên việc cảm biến theo dõi vị trí và truyền thông tin trở lại bộ điều khiển để điều chỉnh đầu ra phù hợp, từ đó đảm bảo hoạt động chính xác và ổn định Nhờ cơ chế này, động cơ Servo DC có khả năng kiểm soát tốc độ và vị trí một cách hiệu quả trong các ứng dụng yêu cầu độ chính xác cao.
Bộ phận roto của động cơ là một nam châm vĩnh cửu có từ trường mạnh, đảm bảo hoạt động ổn định và hiệu quả Stator của động cơ được cuốn bằng các cuộn dây riêng biệt và cấp nguồn theo trình tự thích hợp, giúp quay rotor chính xác Chuyển động quay của rotor phụ thuộc vào tần số, pha, phân cực và dòng điện chạy trong các cuộn dây stator, đặt yếu tố chính xác của dòng điện là chìa khóa để đảm bảo hiệu suất vận hành của động cơ.
Hình 4 10 Cấu tạo động cơ Sevo DC ( Nguồn https://uniduc.com/vi/blog/dong-co-servo-dc-la-gi-uu-nhuoc-diem-cua-dong- co-servo-dc )
- Khả năng điều khiển tốc độ, vị trí và momen cực kì chính xác
- Tốc độ đáp ứng và phản hồi nhanh, quán tính thấp (gần như không có quán tính)
- Hiệu suất hoạt động cao tới hơn 90%, ít sinh nhiệt và hầu như không dao động
- Tốc độ cao và tần suất làm việc thay đổi nhanh, liên tục
- Hoạt động êm ái, nhẹ, tiết kiệm điện năng
- Điều khiển phức tạp (Servo AC)
- Dễ gây tiếng ồn (Servo DC)
- Nhiệt độ cao khi vận hành
- Quán tính cao khi giảm tốc độ
4.4.2.3 Phương án động cơ bước Động cơ bước hay còn gọi là Step Motor là một loại động cơ chạy bằng điện có nguyên lý và ứng dụng khác biệt với đa số các động cơ điện thông thường Chúng thực chất là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay hoặc các chuyển động của rôto có khả năng cố định roto vào các vị trí cần thiết
Step Motor có cấu tạo như sau:
Tính toán động cơ
4.5.1 Lực kéo động cơ băng tải
Dây chuyền sản xuất gồm hai hệ thống băng tải, gồm băng tải đầu vào và đầu ra Do tải trọng của hai hệ thống không chênh lệch nhiều và cấu trúc của chúng tương tự nhau, nên ta chỉ tiến hành tính toán cho băng tải đầu ra Các số liệu của băng tải đầu vào được lấy theo các dữ liệu tương tự để đảm bảo chính xác và tiết kiệm thời gian phân tích.
✓ Trong đó: v: là vận tốc băng tải (m/s). g1: là khối lượng một sản phẩm (kg) t: là khoảng cách trọng tâm sản phẩm trên băng tải (m)
✓ Công suất dẫn động băng tải
- 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’ = 0,376 (T/h)
- k1: Hệ số phụ thuộc vào chiều rộng băng Với B = 100 (mm) thì k1 = 0,015
- K2: Hệ số phụ thuộc vào chiều dài vận chuyển Với L = 60 cm thì k2 = 1,12
Xác định lực kéo của băng tải
Vì số lượng chai nước di chuyển trên băng tải đầu ra từ 3 đến 5 nên suy ra lực kéo lớn nhất mà băng tải chịu được là
Vậy băng tải hoạt động ổn định
4.5.2 Tính động cơ mâm xoay
✓ Khối lượng cơ cấu mâm xoay:
- Khối lượng mỗi chai khi bơm đầy là 330 g
M = khối lượng chai + khối lượng mâm = 0,33.3 + 1.5 = 2,49 kg
Lực kéo cần thiết để kéo mâm xoay:
Vậy nhóm chọn động cơ giảm tốc JGB – 375 – 20
- Tốc độ không tải 22 RPM
- Moment xoắn không tải 13,5 kg.cm
4.5.3 Tính toán động cơ vặn nắp và cấp nắp
Vì tải của cơ cấu vặn nắp và cấp nắp không quá lớn nên nhóm chọn động cơ giảm tốc ZGB 37 - 3520 - 48RPM
- Tốc độ không tải 48 RPM
Dụng cụ để thi công mô hình
Kìm tuốt và cắt dây điện Đồng hồ đo
Bảng 4 3 Bảng dụng cụ dùng để thi công đồ