Thiết kế hệ thống đóng gói bột canh tự động

Một trong những sản phẩm của Cơ khí - Tự động hóa là dây chuyền hệ thống đóng gói tự động... Tự động hóa là một quá trình liên quan tới việc áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử, máy tín

MỞ ĐẦU

Trong công cuộc công nghiệp hóa - hiện đại hóa đất nước, cơ khí nói

chung đóng một vai trò rất quan trọng Nhưng ngày nay với sự phát triển vượt bậc của công nghệ, cơ khí truyền thống không thể mang lại hiệu quả cao trong nền kinh thế thị trường Chính vì vậy xuất hiện một xu hướng mới trong công nghệ, đó là sự kết hợp giữa cơ khí, công nghệ thông tin và điện tử để hình thànhmột lĩnh vực mới - Lĩnh vực cơ khí tự động hóa Trên thế giới, cơ khí tự động hóa đã xuất hiện khá lâu đời và phát triển rất mạnh nhưng tại Việt Nam đây là lĩnh vực mới và đang trong quá trình hình thành và phát triển Một trong những sản phẩm của Cơ khí - Tự động hóa là dây chuyền hệ thống đóng gói tự động Nắm bắt được tầm quan trọng của hệ thống, nhóm thực hiện nghiên cứu" Thiết

kế hệ thống đóng gói bột canh tự động " Trong khi thực hiện đề tài, chúng em

đã phân chia nhiệm vụ cho từng thành viên trong nhóm để cố gắng hoàn thành nhiệm vụ đã được giao

Mặc dù chúng em đã cố gắng hết sức để hoàn thiện đề tài nhưng còn nhiều khó khăn về kiến thức chuyên môn cũng như kinh nghiệm thực tế nên không tránh khỏi những thiếu sót Chúng em mong nhân được sự đóng góp của

Quý thầy cô Chúng em xin chân thành cảm ơn thầy Nguyễn Văn Cảnh đã

giúp đỡ chúng em trong suốt thời gian thực hiện đề tài này

Cuối cùng chúng em xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô !

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TỰ ĐỘNG HÓA QUÁ TRÌNH SẢN XUẤT

I Tổng quan về tự động hóa quá trình sản xuất

Là dùng năng lượng phi sinh vật (cơ, điện, điện tử ) để thực hiện một phần hay

toàn bộ quá trình công nghệ mà ít nhiều không cần sự can thiệp của con người

Tự động hóa là một quá trình liên quan tới việc áp dụng các hệ thống cơ khí, điện tử, máy tính để hoạt động, điều khiển sản xuất Công nghệ này bao gồm:

 Những công cụ máy móc tự động

 Máy móc lắp ráp tự động

 Người máy công nghiệp

 Hệ thống vận chuyển và điều khiển vật liệu tự động

 Hệ thống máy tính cho việc soạn thảo kế hoạch, thu thập dữ liệu và

 Đầu tư ban đầu cao cho những thiết kế theo đơn đặt hàng

 Năng suất máy cao

 Tương đối không linh hoạt trong việc thay đổi các thích nghi trong thay đổi sản phẩm.

1.3. Tự động hóa linh hoạt

Là hệ thống tự động hóa có khả năng sản xuất ra nhiều sản phẩm khác nhau mà hầu như không mất thời gian cho việc chuyển đổi từ sản phẩm này sang sản phẩm khác Không mất thời gian cho sản xuất hay cho lập trình lại và thay thế các cài đặt vật lý(công cụ đồ gá, máy móc) Hiệu quả là hệ thống có thể lên kế hoạch kết hợp sản xuất khác nhau thay vì theo từng loại riêng biệt

2. Tự động hóa trong thời đại hiện nay

Ngày nay nhiều nước tiên tiến trên thế giới đã có nhiều đường dây tự động phân xưởng tự động và cả nhà máy tự động gia công các sản phẩm hàng loạt lớn, hàng khối như vòng bi, pittông

Để áp dụng tự động hóa vào sản xuất hàng loạt nhỏ và sản xuất đơn chiếckhi mà số lượng chi tiết trong loạt ít mà chủng loại nhiều, người ta dùng máy điều khiển theo chương trình số Máy này cho phép điều chỉnh máy nhanh khi chuyển sang gia công loạt chi tiết khác Bước phát triển tiếp theo là sự xuất

hiện của trung tâm gia công mà đặc điểm của nó là có ổ trữ dụng cụ để thay thế theo trình tự gia công

Những năm gần đây trên thế giới đặc biệt là các nước tư bản có khuynh hướng mạnh hệ thống sản xuất linh hoạt Ưu điểm nổi bật của nó là hệ số sử dụng thiết bị cao (85%) năng suất cao và tính linh hoạt rất cao Nó được áp

dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp máy công cụ, máy ô tô, máy kéo và công nghiệp hàng không Trong hệ thống sản xuất linh hoạt có thể áp dụng tự động hóa toàn bộ quá trình sản xuất từ công đoạn thiết kế tự động chi tiết, tự động thiết kế quy trình công nghệ, thiết kế tự động chương trình gia công, tự động điều khiển quá trình sản xuất, tự động kiểm tra chất lượng sản phẩm Đây là hình thức tự động hóa tiến bộ nhất đưa lại hiệu quả kinh tế lớn

3. Sự cần thiết của tự động hóa

Các công ty hỗ trợ các dự án về vấn đề tự động hóa vì nhiều lý do khác nhau

3.1 Nâng cao năng suất

Tự động hóa các quá trình sản xuất hứa hẹn việc nâng cao năng suất lao động Điều này có nghĩa tổng sản phẩm đầu ra đạt năng suất cao hơn so với hoạt động bằng tay tương ứng

3.2 Chi phí nhân công cao

Xu hướng trong xã hội công nghiệp của thế giới là chi phí cho công nhân không ngừng tăng lên Kết quả là đầu tư cao lên trong các thiết bị tự động hoá

đã trở nên kinh tế hơn để có thể thay đổi chân tay Chi phí cao của lao động đang ép các nhà lãnh đạo doanh nghiệp thay thế con người bằng máy móc Bởi

vì máy móc có thể sản xuất ở mức cao, việc sử dụng tự động hoá đã làm cho chi phí trên một đơn vị sản phẩm thấp hơn

3.3 Sự thiếu lao động

Trong nhiều quốc gia phát triển, có sự thiếu hụt lớn lực lượng lao động Chẳng hạn như Tây Đức đã bị ép buộc phải nhập khẩu lao động để làm tăng

nguồn cung cấp lao động của mình Việc thiếu hụt lao động cũng kích thích sự phát triển của tự động hoá.

3.3.1 Xu hướng dịch chuyển của lao động về thành phần dịch vụ

Sự phát triển của lực lượng lao động văn phòng được thuê, được chính phủ liên bang, tiểu bang và địa phương đã tiêu thụ một phần lao động mà đáng

lẽ đã phải tiêu thụ ở khu vực sản xuất Ngoài ra, còn có xu hướng xem công việc là tẻ nhạt, không có ý nghĩa là bẩn thỉu Quan điểm này đã khiến cho mọi người tìm kiếm việc làm trong thành phần dịch vụ của nền kinh tế ( Chính phủ,bảo hiểm, dịch vụ cá nhân, pháp luật bán hàng …)

3.3.2 Sự an toàn.

Bằng việc tự động hoá các hoạt động và chuyển người vận hành máy từ vịtrí tham gia tích cực sang vai trò đốc công, công việc trở nên an toàn hơn Sự antoàn và thoải mái của công nhân đã trở thành mục tiêu quốc gia với sự ban hànhđạo luật sức khoẻ và an toàn nghề nghiệp (1970) Nó cũng là sự tự động hoá

3.3.3 Giá nguyên vật liệu cao

Giá cao của nguyên vật liệu tạo ra nhu cầu sử dụng các nguyên vật một cáchhiệu quả hơn Việc giảm phế liệu là một trong những lợi ích của tự động hoá

3.3.4 Nâng cao chất lượng sản phẩm

Các hoạt động tự động hoá không chỉ sản xuất với tốc độ nhanh hơn so với làm bằng tay mà còn sản xuất với sự đồng nhất cao hơn và sự chính xác đốivới các tiêu chuẩn chất lượng

3.3.5 Rút ngắn thời gian sản xuất

Tự động hoá cho phép nhà sản xuất rút ngắn thời gian giữa việc đặt hàng của khách hàng và thời gian giao sản phẩm Điều này tạo cho người có ưu thế cạnh tranh trong việc tăng cường dịch vụ khách hàng tốt hơn

3.3.6 Giảm bớt phôi liệu đang sản xuất

Lượng hàng tồn kho khi đang sản xuất tạo ra một chi phí đáng kể cho nhà sản xuất vì nó giữ chặt vốn lại Hàng tồn kho khi đang sản xuất không có giá

trị Nó không đóng vai trò như nguyên vật liệu hay sản phẩm Tương tự như

nhà sản xuất sẽ có lợi khi giảm tối thiểu lượng phôi tồn đọng trong sản xuất Tựđộng hoá có xu hướng thực hiện mục đích này bởi việc rút ngắn thời gian gia công toàn bộ sản phẩm phân xưởng

3.3.7 Tự động hóa mang lại hiệu quả nhanh, năng suất chất lượng ổn định

Đầu tư vào các dây chuyền tự động hóa mang lại hiệu quả nhanh hơn so với việc đầu tư đào tạo con người Đồng thời năng suất, chất lượng sản phẩm

CHƯƠNG II

NHỮNG VẤN ĐỀ CHUNG CỦA MÁY ĐÓNG GÓI

Trong xã hội hiện nay, mọi sản phẩm sau khi sản xuất ra đều phải được bao gói dưới nhiều dạng khác nhau nhằm mục đích bảo quản sản phẩm lâu dài, giữ vệ sinh, tiện lợi trong vận chuyển, tăng tính thẩm mỹ cho sản phẩm Mặt khác, đóng gói cũng

là một cách để định lượng nhất là đối với những mặt hàng tiêu dùng và thực phẩm

Tùy theo hình dạng và kết cấu của sản phẩm mà có những cách đóng gói khác nhau Các loại máy đóng gói có thể được phân loại như sau :

- Máy đóng gói vật liệu dạng khối : máy đóng gói mì ăn liền, bánh kẹo, xà bông …

- Máy đóng gói vật liệu dạng lỏng: máy đóng gói sữa, dầu sa- tế, dầu gội đầu

Cơ cấu định lượng theo thể tích thường được dùng với vật liệu dạng rời, có ưu điểm là đơn giản và dễ chế tạo nhưng không thể mang lại độ chính xác cao khi so sánh với cơ cấu định lượng theo trọng lượng Định lượng theo thể tích có thể dùng kiểu tang quay, kiểu đĩa, kiểu vít xoắn, kiểu rung …

Vật liệu để chế tạo cơ cấu định lượng dùng trong các máy đóng gói thực phẩm thường là inox để đảm bảo tính thẩm mỹ cũng như chất lượng và vệ sinh thực phẩm.Ngoài ra cũng có thể sử dụng nhựa hay các loại vật liệu khác nhưng không phổ biến

Máy đóng gói thường gặp phải sai số ở bộ phận cắt bao (cắt không đúng vị trí vạch đánh dấu) do đó phải có một cơ cấu làm nhiệm vụ bù trừ sai số này (có thể dùng hệ thống bánh răng vi sai hoặc bù trong quá trình điều khiển)

Máy đóng gói bột canh được thiết kế trong bài tập lớn này thuộc dạng máy đóng gói vật liệu rời với kiểu định lượng bằng thể tích, có khả năng thay đổi trọng lượng cần định lượng và thay đổi kích thuớc bao

CHƯƠNG III

THIẾT KẾ SƠ BỘ MÁY ĐÓNG GÓI BỘT CANH

I Yêu cầu kỹ thuật của máy

Máy dùng để đóng gói sản phẩm là gói bột canh ( ví dụ như bột canh Hải Châu)

có trọng lượng 100 ÷ 500 g / gói, năng suất từ 30 đến 45 gói trong 1 phút với ba đường hàn ( hai đầu bao và dọc theo chiều dài bao)

Chất liệu bao gói là màng OPP dạng cuộn có đường kính từ 250 ÷ 450 mm bề rộng bao là 230 mm

Kích thước của gói 190 g :

Hình 2

Mặt cắt ngang của bao 190 g (khi được căng theo hai chiều) :

Hình 3

Bề rộng các mép hàn là 10 mm, độ sai lệch cho phép là 0,5 mm

Yêu cầu quan trọng của máy là phải cắt bao đúng vị trí những đường vạch trên mép bao (vạch màu trắng trên nền nâu) do đó cần có các cảm biến nhận diện vị trí cắt và phải tiến hành bù trừ đi sai số phát sinh do việc chế tạo máy không chính xác, sai số do in sai vị trí vạch, sai số do biến dạng nhiệt của bao và của máy.

Nhiệt độ cần thiết để hàn bao là khoảng 160ºC

Khung máy làm bằng thép ống vuông 40×40 mm gắn với nhau bằng mối hàn vàđược bọc bên ngoài bằng tole inox 1.5 mm

Tấm đỡ các trục là thép tấm dày 8 mm được hàn vào khung máy Đế của khung máy cũng được làm bằng thép tấm 10 mm

Do yêu cầu về mặt chất lượng bôt canh và đảm bảo vệ sinh thực phẩm nên các

cơ cấu tiếp xúc trực tiếp với bao gói và bột canh như các con lăn căng bao, bộ phận tạo hình, phễu cấp liệu, trục con lăn ép mâm gạt bột cơ cấu định lượng đều được làmbằng inox

Dưới chân máy có thể lắp các bánh xe để di chuyển tiện lợi

Máy không được quá cao gây khó khăn cho quá trình cấp liệu

Ngoài ra, còn có các yêu cầu về mặt thẩm mỹ và kết cấu hợp lý để khi vận hànhngười công nhân không bị vướng víu gây khó khăn, yêu cầu về việc vận hành phải đơn giản, bảo quản và bảo dưỡng máy dễ dàng

II Các phương án thiết kế máy

1) Phương án 1 – Máy đóng gói hoạt động theo nhịp

Ở phương án này máy hoạt động theo nhịp sản xuất được tạo bởi ly hợp hay cơ cấu Man Vì làm việc theo nhịp, lực căng của cuộn bao gói sẽ thay đổi liên tục do đócần có cơ cấu điều hòa lực căng để máy hoạt động chính xác Ưu điểm của dạng thiết kế này là hệ thống điều khiển đơn giản, mỗi khi cảm biến quang phát hiện thấy vạch định vị thì bộ phận điều khiển phát lệnh cấp liệu và hàn (hàn dọc bao và hàn hai đầu bao đều bằng thanh kẹp, không dùng con lăn) do đó không cần hệ thống bù

vi sai, hoạt động chính xác hơn Nhược điểm lớn nhất của loại này là năng suất không cao do có những khoảng thời gian chờ giữa các động tác của các cơ cấu do ảnh hưởng của quán tính

2) Phương án 2 – Máy đóng gói hoạt động liên tục

Đây là phương án được dùng phổ biến vì cho năng suất cao Đặc điểm của hệ thống loại này là luôn luôn xuất hiện sai số ở vị trí cắt giữa các gói, sai số này xuất hiện do nhiều nguyên nhân, trong đó hai nguyên nhân chủ yếu là sai số hệ thống của máy và sai số ngẫu nhiên ở khoảng cách của hai vạch liên tiếp trên bao gói (do sự biến dạng nhiệt hoặc do in sai vị trí) Do đó hệ thống này đòi hỏi phải có cơ cấu bù trừ sai số này, cơ cấu này sẽ hoạt động liên tục làm cho sai số dao động trong một phạm vi cho phép Ngoài ra ta cũng có thể bù trừ sai số này bằng giải thuật điều khiển

Qua phân tích ở trên, ta thấy phương án hai đáng lựa chọn hơn vì trong hoạt động sản xuất ngày nay, yếu tố năng suất luôn được đặt lên hàng đầu và việc chế tạo

hệ thống bù trừ sai số vị trí cắt cũng không quá phức tạp Như vậy phương án hai sẽ được sử dụng trong khuôn khổ đồ án này với việc bù trừ sai số bằng giải thuật điều khiển

III Nguyên lý làm việc của máy

Sơ đồ nguyên lý của máy :

Ban đầu vỏ túi bột canh được cuốn trong tag cuốn tại số 10,nhờ động cơ 11 quay tạo ra chuyển động quay kéo vỏ túi bằng 2 thanh lăn ép sát nhau, kéo vỏ túi

đi xuống hệ thống ống và hàn túi.Cùng lúc đó động cơ 3 quay truyền chuyển động cho cơ cấu dót bột canh 2 Cơ cấu 2 đã được tính toán để chiết dót đủ lượng bột canh.Khi bao đi qua, cơ cấu số 5 sẽ thực hiện hàn túi theo chiều dọc,túi chuyển động được nhờ vào cơ cấu kéo số 6 Nhờ vào cảm biến số 4, khi dót xong bột canh,cơ cấu số 7 sẽ thực hiện việc hàn miệng túi, đồng thời cắt đứt để chờ túi tiếp theo, trong quá trình hàn miệng túi thứ 1 cũng là lúc hàn đáy túi thứ 2

Hình 6

Bộ phận định lượng là một hộp vuông có thể tích chứa đủ lượng vật liệu cần cấp

cho mỗi gói Hộp định lượng (hình 7) được đẩy bởi một xylanh khí nén làm hộp di

chuyển qua lại giữa cửa cấp và cửa xả Để cho bột canh không đóng thành vòm trên cửa cấp (hiện tượng rất thường gặp đối với vật liệu rời) và để trộn di chuyển vật liệu từ nhữngnơi khác đến cửa cấp liệu ta dùng một cơ cấu tay gạt quay quanh tâm của thùng chứa liệu với tốc độ được điều chỉnh bằng biến tần sao cho phù hợp với tốc độ đóng mở của cửa cấp liệu (chỉ cần phù hợp một cách tương đối)

Hình 7

C c u giơ cấu giữ ấu giữ ữ

Cơ cấu sinh nhiệt

Hình dáng trục con lăn ép mí bao như sau :

Hình 9

Vì trục con lăn hàn mí bao hoạt động ở nhiệt độ cao (khoảng 160°C) nên ta không dùng ổ lăn mà dùng ổ trượt (bạc thay) tự chế tạo và được chỉnh sửa kỹ trong quá trình chạy thử máy để đảm bảo máy hoạt động tốt ở nhiệt độ yêu cầu

Do sự sai lệch ngẫu nhiên của khoảng cách giữa hai vạch chia liên tiếp trên chiều dài bao và sai số trong việc chế tạo các chi tiết cơ khí của máy nên sau một thời gian vận hành máy sẽ xuất hiện sai lệch cắt bao do đó đòi hỏi phải có một cơ cấu bù sai số Thông thường có hai dạng bù sai số là bù bằng cơ khí và bù bằng điều khiển Trong khuôn khổ đồ án này tôi xin chọn phương pháp bù bằng cách thay đổi thời gian đóng mở cửa cấp liệu và đóng mở hệ thống hàn và cắt đáy bao thông qua một encoder đo góc quay của trục cuốn kết hợp với cảm biến quang nhận diện chiều dài bao và cảm biến từ gắn ở bộ phận hàn và cắt bao

Động cơ cần nhiều tốc độ hoạt động (để tiện cho việc cân chỉnh máy và lắp đặt bao gói và hệ thống lúc đầu mỗi chu kỳ hoạt động) nên ta cần dùng bộ phận thay đổi

tốc độ động cơ, trong trường hợp này ta dùng biến tần Biến tần hoạt động theo nguyên lý thay đổi tần số cung cấp cho động cơ dẫn đến làm thay đổi vận tốc động cơ.

Chương III

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÁY

I Tính động học máy

Năng suất của máy : khoảng 40 gói/phút

Động cơ được sử dụng là loại động cơ ba pha không đồng bộ Do yêu cầu cần

có những tốc độ khác nhau khi vận hành và điều chỉnh máy nên động cơ được điềuchỉnh tốc độ bằng biến tần

Suy ra tỷ số truyền của hộp giảm tốc uh = 35/2,5 = 14.

Ở đây ta sử dụng loại động cơ có gắn sẵn hộp giảm tốc với uh = 14

Vậy số vòng quay trục cuốn ứng với tỷ số truyền được chọn như sau

độ cuốn bao bằng biến tần

Vận tốc dài của bao là :