Đề tài thiết kế và thi công máy đóng gói cà phê dạng bột

Tuy nhiên, lượng cà phê được tiêu thụ chủ yếu lại là sản phẩm của các doanh nghiệp nhỏ lẻ, có quy mô sản xuất ở cấp độ hộ gia đình và đây cũng là lực lượng chế biến cà phê chủ yếu ở nước

Phần Mở Đầu

Lý do chọn đề tài

Khoa học kỹ thuật thế giới ngày càng phát triển và đã đạt được những thành tựu rất lớn Nước ta là nước đi sau về khoa học kỹ thuật, nhưng nhờ những chính sách đúng đắn của Đảng và Nhà nước nên đã biết đi tắt đón đầu để nhanh chóng tiếp thu trình độ khoa học kỹ thuật của thế giới, nhanh chóng bắt kịp và nghiên cứu phát triển nhiều đề tài có ảnh hưởng đến sự phát triển của khoa học công nghệ nước nhà nói riêng và thế giới nói chung

Việt Nam là nước sản xuất cà phê lớn nhất nhì thế giới và là nước có tốc độ tăng trưởng tiêu thụ cà phê cao nhất (31% năm 2010 theo thống kê của hiệp hội cà phê ca cao Việt Nam) [7] Mỗi năm chúng ta xuất sang thị trường nước ngoài hàng triệu tấn cà phê nhưng chủ yếu là cà phê nguyên liệu, lượng cà phê thương phẩm được tiêu thụ cũng rất nhiều nhưng chủ yếu là thị trường trong nước và một số ít suất khẩu Để đáp ứng nhu cầu tiêu dùng tăng cao, hiện nay trong nước đã có rất nhiều doanh nghiệp chuyên sản xuất, chế biến cà phê thành phẩm điển hình như Trung Nguyên, Vina cà phê, Mê Trang… Tuy nhiên, lượng cà phê được tiêu thụ chủ yếu lại là sản phẩm của các doanh nghiệp nhỏ lẻ, có quy mô sản xuất ở cấp độ

hộ gia đình và đây cũng là lực lượng chế biến cà phê chủ yếu ở nước ta (chiếm đến 70%), chính điều này đã tạo nên sự cạnh tranh khốc liệt trên thị trường trong

đó giá thành và chất lượng sản phẩm luôn là những vấn đề được đặt lên hàng đầu.[7]

Hình 0.1 Biểu đồ sản lượng cà phê thế giới qua các năm

Đứng trước những yêu cầu đó, rất nhiều cơ sở chế biến đã mạnh dạn đầu tư

hệ thống máy móc dây chuyền sản xuất, chế biến cà phê nhằm nâng cao năng suất

và hạ giá thành sản phẩm Nhưng chi phí của các hệ thống, dây chuyền này không

hề rẻ và không phải cơ sở nào cũng có khả năng đầu tư Hơn nữa, hầu hết các loại máy trên thị trường chủ yếu đóng gói với khối lượng nhỏ từ 50g đến 100g, một số

ít có khối lượng lớn hơn 200g đến 500g và chủ yếu sử dụng các loại túi nylon được ép trực tiếp (từ 1 cuộn lớn) trong quá trình đóng gói, trong khi đó hầu hết các

cơ sở sản xuất nhỏ lẻ đều sử dụng túi có sẵn (đã ép 3 mặt).[7]

Vấn đề đặt ra là cần có 1 loại máy có thể nâng cao năng suất, giảm chi phí

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

Thiết kế, chế tạo máy định lượng đóng gói cà phê tự động theo yêu cầu của các

cơ sở sản xuất nhỏ lẻ

Phương pháp nghiên cứu của đề tài

• Xây dựng ý tưởng: Sử dụng môi trường internet và sách báo trong thư viện trường, nhóm đã xây dựng ý tưởng xử lý từng phần trong hệ thống

• Tính toán, mô phỏng: Dựa trên kiến thức môn “Nguyên lý chi tiết máy”,

“Sức bền vật liệu”, nhóm thực hiện tính toán về kích thước cũng như lựa chọn nguyên vật liệu thực hiện hệ thống Nhóm đồng thời sử dụng phần mềm Inventor thực hiện vẽ và mô phỏng hệ thống

• Thi công và hiệu chỉnh hệ thống: Nhóm được sự hỗ trợ của các thầy ở Xưởng thực hành cơ khí, PLC_Lab để thực hiện thi công và hiệu chỉnh dựa trên các thông số tính toán

• Lập trình hệ thống: Nhóm sử dụng PLC OMRON CQM1 để lập trình điều khiển hệ thống

• Thử nghiệm thực tế: Hệ thống được thử nghiệm tại Xưởng thực hành cơ khí

Khả năng ứng dụng vào thực tế

Sau khi hoàn thành sẽ được đưa vào hoạt động kết hợp với các loại máy khoác ngoài doanh nghiệp

Mục đích, yêu cầu, và giới hạn của đề tài

• Mục đích: Thiết kế hệ thống định lượng đóng gói cà phê 500g tự động Đưa công nghệ tiên tiến vào dây chuyền sản xuất, thay thế lao động chân tay bằng máy móc hiện đại, tăng cao năng xuất và chất lượng sản phẩm,

giảm chi phí mà doanh nghiệp phải chi trả cho công nhân.

• Yêu cầu: Hệ thống hoạt động tự động với công suất 360 sản phẩm/giờ

• Giới hạn: Chỉ định lượng được ở 2 mức cố định túi 250g và 500g

Hình 1.1 Cà phê nhân

Cà phê nhân sau khi phơi/sấy và tuyển chọn kĩ càng được được đưa vào lò rang

ở nhiệt độ khoảng 190 - 230 độ C đến khi hạt đã chín và đạt độ ẩm yêu cầu

Hình 1.2 Quá trình rang cà phê

Khi hạt đã chín, nó được ướp và tẩm gia vị để giữ gìn, bảo quản hương vị sau

đó được làm nguội tự nhiên hoặc dùng quạt gió để thổi Hạt đã nguội được đánh tơi và đem xay nhuyễn Cuối cùng sẽ định lượng và đóng vào gói 500g

Hình 1.3 Cà phê đã rang chín

Hình 1.4 Quá trình ướp và tẩm gia vị

Hình 1.5 Cà phê đã được ướp và tẩm gia vị

Hình 1.6 Cà phê bột

Hình 1.7 Một loại cà phê trên thị trường

1.2 Vấn đề đặt ra

Hiện nay, tại các cơ sở chế biến cà phê nhỏ lẻ, các công đoạn như rang, xay và đóng gói chủ yếu được thực hiện bằng tay và bán tự động Điều này đã gây nên một khó khăn đối với doanh nghiệp là độ đồng đều của các sản phẩm tương đối thấp và chi phí nhân công tăng cao Nhìn thấy rõ những vấn đề mà doanh nghiệp của mình đang gặp phải, lãnh đạo doanh nghiệp đã chủ động tiếp cận, tìm hiểu về các dây chuyền đóng gói tự động trên thị trường hiện nay, tuy nhiên giá thành của

năng suất và độ ổn định tương đương các loại máy trên thị trường nhưng giá thành chỉ khoảng vài chục triệu, thấp hơn gần 10 lần so với giá trên thị trường.

Hình 1.8 Quy trình đóng gói cà phê

1.3 Một số máy đóng gói đang có trên thị trường

Trên thế giới hiện nay có rất nhiều nước sản xuất máy đóng gói cà phê dạng bột như Đài Loan, Hàn Quốc, Nhật Bản…, những máy này hoạt động hoàn toàn tự động từ việc định hình túi đến định lượng và đóng gói Tuy nhiên việc nhập khẩu khó khăn vì giá thành khá cao lên đến hàng chục nghìn USD

Tại Việt Nam đã có rất nhiều cơ sở sản xuất máy đóng gói nhưng tỷ lệ nội địa hóa của các loại máy này chỉ khoảng 50%, vì vậy giá thành của các loại máy trong nước vẫn còn cao

Hình 1.9 Máy đóng gói đứng ( xuất sứ Trung Quốc)[14]

(khối lượng túi 1- 100g kích thước túi 70mm x 120 mm)

Hình 1.10 Máy đóng gói cốc đong(xuất sứ Hàn Quốc)[14]

(dung tích định lượng 1g-100g, kích thước bao bì 80mm x 150mm)

Chương 2: Cơ Sở Lý Thuyết

2.1 Các thiết bị khí nén

2.1.1 Máy nén khí

• Ký hiệu và hình ảnh:

Hình 2.1 Một số sản phẩm máy nén khí CECCATO

Máy nén khí được phân loại theo áp suất hoặc theo nguyên lý hoạt động Đối với nguyên lý hoạt động ta có:

• Máy nén theo nguyên lý thể tích: máy nén pít tông, máy nén cánh gạt

• Máy nén tua bin: được dùng cho công suất rất lớn và không kinh tế khi

sử dụng lưu lượng dưới mức 600m3/phút Không mang lại áp suất cần thiết cho ứng dụng điều khiển khí nén và hiếm khi sử dụng

• Giới thiệu từng loại máy:[11]

• Máy nén khí pít tông (Reciprocating compressors):

Máy nén pít tông là máy nén phổ biến nhất và có thể cung cấp năng suất đến 500m3/phút Máy nén 1 pít tông có thể nén khí khoảng 6 bar và ngoại lệ có thể đến

10 bar, máy nén kiểu pít tông có hai cấp có thể nén đến 15 bar, 3-4 cấp lên đến

250 bar

Lưu lượng của máy nén pít tông:

Q v = V.n.η v 10 -3 [lít/phút][11]

Trong đó:

V - Thể tích của khí nén phải đi trong một vòng quay [cm3]

n - Số vòng quay của động cơ máy nén [vòng/phút]

ηv–Hiệu suất nén [%]

• Máy nén kiểu cánh gạt (Rotary compressors):

Hình 2.2 Máy nén khí kiểu pít tông

2.1.2 Cylinder khí nén

Là thiết bị chấp hành khi cuộn Selenoid có tín hiệu kích hoạt Cylinder có nhiệm vụ biến đổi năng lượng thế năng hay động năng của lưu chất thành năng lượng cơ học (chuyển động thẳng hay chuyển động quay <360o)

Cylinder được chia làm 2 loại: Cylinder lực và Cylinder quay Trong Cylinder lực, chuyển động tương đối giữa pít tông với cylinder là chuyển động tịnh tiến Trong Cylinder quay chuyển động giữa pít tông với cylinder là chuyển động quay.[2]

• Ký hiệu và hình ảnh:

12 – Đế cylinder

• Phương pháp chọn cylinder

Tính toán lực tác động của Pít tông:

• Lực tác động của Pít tông phụ thuộc vào các yếu tố như: Áp suất không khí nén, đường kính cylinder và sự ma sát của các bộ phận làm kín Về mặt lý thuyết lực Pít tông được tính gần đúng bằng công thức:

F th = A* P [2]

Trong đó

Fth: là lực Pít tông

A: Diện tích tác dụng của Pít tông (m2)

P: Áp suất hoạt động (Pa)

• Lực tác động lên cần pít tông của cylinder tác động kép, khi pít tông đi ra:

F A = A 1 * Pc 2 * ŋ[2]

Trong đó :

FA[da.N]: Lực tác động khi cần Pít tông đi ra

A1[cm2]: Diện tích mặt đáy Pít tông A1 = ∏ *D2/4

D[cm]: Đường kính mặt đáy Pít tông

Pc2[Bar]: Áp suất khí nén trong cylinder

Ŋ: Hiệu suất cylinder (thông thường ŋ = 0.8)

• Lực tác động khi cần Pít tông đi vào:

F E = A2 * Pc2 * ŋ[2]

Trong đó :

FE[da.N]: Lực tác động khi cần Pít tông đi vào

A2[cm2]: Diện tích vòng găng Pít tông

A 2 = ∏ * (D 2 –d 2 ) / 4 [2]

D(cm): Đường kính mặt đáy Pít tông.

d (cm): Đường kính cần Pít tông

Pe2[Bar]: Áp suất khí nén trong cylinder

Ŋ: Hiệu suất cylinder Thông thường ŋ = 0.8

• Tải trọng cho phép của cần Pít tông:

Hình 2.6 Hình mô phỏng tải trọng cho phép của cần pít tông

2.1.3 Van tiết lưu một chiều.

• Nguyên lý hoạt động:

Dòng lưu chất sẽ đi từ A qua B còn chiều ngược lại thì van một chiều bị mở

ra dưới tác dụng của áp suất dòng lưu chất, do đó chiều này không đảm bảo được tiết lưu Có tác dụng điều chỉnh liều lượng khí vào cylinder [7]

Hình 2.7 Ký hiệu van tiết lưu một chiều

• Hình ảnh và ký hiệu:

Hình 2.8 Bộ van khí nén [7]

Có tác dụng đóng cắt khí trong cylinder khi nhận tín hiệu điều khiển từ bộ PLC.

2.2 Các thiết bị điện

2.2.1 Nút ấn (PB –Pushbutton)

Nút ấn là loại khí cụ điện dùng để đóng ngắt các thiết bị điện bằng tay Các cặp tiếp điểm trong nút ấn sẽ chuyển trạng thái khi có ngoại lực tác động, còn khi bỏ lực tác động thì nút ấn sẽ trở lại trạng thái cũ Đó chính là điểm khác biệt cơ bản giữa nút ấn và công tắc [9]

Trong mạch điện công nghiệp, nút ấn thường được dùng để khởi động, dừng, đảo chiều quay động cơ thông qua contactor hoặc rơle trung gian

2.2.2 Công tắc hành trình nam châm

Là một thiết bị hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Hoạt động

Hình 2.10 Công tắc từ công nghiệp[7]

Công tắc từ trường chỉ sử dụng để phát hiện những vật có từ trường Công tắc này được lắp đặt trên thân các cylinder khí nén có pít tông từ trường để nhận biết hành trình của nó

Hình 2.11 Công tắc từ trên pít tông

2.2.3 Cảm biến sợi quang

Cảm biến sợi quang là loại cảm biến dùng ánh sáng để nhận biết vật thể Cảm biến sợi quang bao gồm:

• Bộ phận phát: Phát ra ánh sáng hồng ngoại đã được mã hóa theo tần số

• Bộ phận thu: Chỉ nhận ánh sáng hồng ngoại đã được mã hóa theo tần

số (để tránh các yếu tố gây nhiễu của môi trường xung quanh) [8]

• Hình ảnh và ký hiệu:

Hình 2.12 Cảm biến sợi quang

• Công dụng:

Dùng để nhận biết túi đã được đặt vào khay chứa hay chưa

Trong hệ thống sử dụng cảm biến sợi quang FS-V11 của hãng Keyence

2.2.4 Cảm biến tiệm cận điện cảm

Là loại cảm biến dùng để nhận biết vật kim loại [8]

• Hình ảnh và ký hiệu:

• Công dụng:

Dùng để đếm số lần mở nắp của bộ định lượng nhằm xác định lượng cà phê

đổ vào phễu chứa đã đủ hay chưa

Cảm biến tiệm cận dùng trong máy là loại NBN5-F7-EO của hãng Fuchs

Pepperl-2.2.5 Cảm biến chân không

Là thiết bị dùng để nhận biết áp suất chân không đã đạt được giá trị mong muốn hay chưa

Hình 2.14 Cảm biến chân không KOGANEI[5]

thuộc rất lớn vào chất liệu Do vậy mới cho ra các chủng loại cặp nhiệt độ, mỗi loại cho ra 1 sức điện động khác nhau: E, J, K, R, S, T.

• Hình ảnh và ký hiệu:

Hình 2.15 Cảm biến nhiệt độ.[3]

• Công dụng:

Dùng để đo nhiệt độ của bộ ép nhiệt

Cảm biến được sử dụng trong máy là cảm biến loại K do hãng RKC sản xuất

2.2.7 Bộ nguồn 24V DC

Hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng điện từ Với nguồn cung cấp là 220 VAC vào cuộn sơ cấp của biến thế và lấy ở dầu ra ở cuộn thư cấp là 24 VAC Nguồn 24 VAC được chỉnh lưu thành nguồn 24 VDC và được ổn áp để cung cấp nguồn cho máy hoạt động [6]

• Hình ảnh và ký hiệu:

Hình 2.16 Bộ nguồn của máy.

2.3.1 Giới thiệu PLC CQM1 của hãng Omron.

PLC CQM1 do hãng Omron chế tạo, là một loại PLC có tốc độ cao và nhỏ gọn Số lượng các ngõ ra và vào có thể mở rộng lên đến 256 I/O, cho phép có thể điều khiển được những hệ thống vừa và nhỏ Là một PLC dễ sử dụng cũng như kết nối phần cứng nên CQM1 được sử rất rộng rãi trong công nghiệp hiện nay.[4]

Hình 2.18 PLC CQM1-CPU21 của hãng Omron

Hình 2.19 Cấu hình của hệ thống sử dụng PLC CQM1.

2.3.2 Bộ điều khiển nhiệt độ.

Bộ điều khiển nhiệt độ là thiết bị dùng để điều khiển nhiệt độ ổn định theo giá trị đã cài đặt sẵn

Trong công nghiệp, bộ điều khiển nhiệt độ được sử dụng nhiều trong các lò nung, lò sấy

Bộ điều khiển nhiệt độ được sử dụng là loại REX-C100 do hãng RKC chế tạo

Hình 2.20 Bộ điều khiển nhiệt độ REX-C100 của hãng RKC.

• Mô tả:

Hình 2.21 Mô tả giao diện của bộ điều khiển nhiệt độ REX-100[3]

• Hiển thị giá trị đo được 5- Phím Shift

• Hiển thị giá trị đặt 6- Phím xuống

• Phím thiết lập

Chương 3: Thiết Kế Và Thi Công

Máy Đóng Gói Cà Phê Dạng Bột

3.1 Sơ đồ khối

Sau khi trải qua quá trình quan sát thao tác của người công nhân thực hiện công đoạn đóng gói và yêu cầu của cơ sở Nhóm đã đưa ra sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của máy đóng gói

• Chức năng của từng khối

• Túi chứa: loại túi sử dụng cho máy có kích thước 112 x 250 mm, đã

được hàn kín 3 mặt

• Khay chứa: là nơi đặt túi vào, tại đây túi sẽ được lấy và vận chuyển đến

các khâu của hệ thống

• Cơ cấu lấy túi: có nhiệm vụ lấy túi từ khay chứa và đem đến trạm 1.

• Trạm I: là trạm đầu tiên của cơ cấu vận chuyển, trạm 1 có nhiệm vụ lấy

túi đã được chờ ở khâu trước và đem đến khâu trung gian

• Khâu trung gian: có tác dụng làm chậm quá trình vận chuyển túi từ khâu

lấy túi đến khâu vào bịch nhằm tạo khoảng thời gian trễ để cà phê được

đổ hoàn toàn vào túi chứa

• Cà phê: sử dụng loại cà phê bột được xay nhuyễn với độ ẩm và độ mịn

theo yêu cầu

• Bể chứa: là nơi nhập và cung cấp nguyên liệu (cà phê bột) cho cơ cấu

• Phễu đổ: dẫn hướng cho cà phê đã định lượng khi thực hiện quá trình đổ

vào túi

• Trạm II (khâu vào túi): sau khi cà phê đã được định lượng xong và túi

đã được vận chuyển đến thì tại đây, túi chứa sẽ được mở ra và cà phê theo phễu dẫn hướng sẽ đi vào túi

• Trạm III (gia nhiệt): tại trạm III, cà phê sau khi đổ vào túi sẽ được gia

nhiệt và ép chặt ở mặt còn lại, đảm bảo kín với môi trường bên ngoài

• Tóm tắt hoạt động của máy

Cà phê sau khi xay nhuyễn và đảm bảo về độ mịn, độ ẩm được đưa vào bể chứa của máy, đồng thời túi được đưa vào khay chứa túi Sau khi túi đã được lấy và đưa đến vị trí đổ, bộ phận định lượng sẽ lấy đúng lượng cà phê cần thiết (500g) và cho vào túi chứa tại khâu vào túi sau đó vận chuyển đến khâu ép nhiệt

3.2 Tính toán, thiết kế và phác thảo phần cơ khí.

3.2.1 Cụm cơ cấu định lượng

3.2.1.1 Bể chứa nguyên liệu (cà phê bột)

Bể chứa nguyên liệu được thiết kế để chứa khoảng 50kg cà phê bột tương đương thể tích gần 67,35 dm³ ( 67,35 lít), từ yêu cầu thiết kế ta tính toán được các kích thước của bể, vật liệu để gia công bể là nhôm tấm dày 2mm

Hình 3.2 Thiết kế bể chứa nguyên liệu

Hình 3.3 Chi tiết bể chứa nguyên liệu

3.2.1.2 Tấm cố định thân bể chứa

Tấm cố định bể chứa được làm bằng sắt có độ dày 8mm và khả năng chịu lực

Hình 3.5 Phác thảo và chi tiết vòng cố định thành bể chứa

3.2.1.4 Trụ đỡ bể chứa

Trụ đỡ được thiết kế với chiều cao 980mm và được làm bằng thép hình trụ tròn với độ dày 2mm, có khả năng chịu lực trên 650N

Hình 3.6 Phác thảo và chi tiết trụ đỡ bể chứa

3.2.1.5 Cốc định lượng

Dựa vào số liệu thực tế khi đo thể tích của 20 mẫu túi cà phê 500g với độ mịn hạt từ 0.1÷1,2(mm) và độ ẩm không quá 5% thì thấy thể tích của 500g cà phê bột dao động từ 1,1÷1,3(dm³), do đó để đảm bảo năng suất và độ sai lệch nằm trong phạm vi cho phép nhóm đã chọn thể tích của mỗi cốc định lượng tương đương với 250g Các cốc định lượng được thiết kế với hình dạng lăng trụ tròn với kích thước R=50mm, h=80mm, việc thiết kế cốc với hình dạng lăng trụ tròn sẽ giúp việc tính toán, gia công cốc được dễ dàng hơn

- Thể tích của cốc: 50² x π x 80 = 628,000 mm³ = 0.628 lít

Từ kết quả tính toán, nhóm đã phác thảo hình ảnh cốc định lượng

3.2.1.6 Khay chứa cốc định lượng

Do thể tích cần định lượng của cà phê tương đối lớn nên khay chứa được thiết kế với 4 ô chứa (tương ứng với 4 cốc định lượng) được đặt đối xứng từng cặp

và cách đều nhau Để đảm bảo cà phê sẽ rơi đều và lấp đầy các cốc định lượng, 4

ô chứa sẽ nằm cách đều nhau trên đường tròn có bán kính 210mm, với tốc độ ước chừng ban đầu là 5 vòng/phút thì năng suất của máy sẽ tương ứng là 10 túi/phút

Hình 3.8 Phác thảo và chi tiết khay chứa cốc định lượng

Hình 3.9 Phác thảo và chi tiết mâm xoay

3.2.1.8 Nắp đậy

Nắp đậy được thiết kế để có thể che được phần đáy cốc định lượng, đồng thời

có khả năng đóng mở linh hoạt Nắp được thiết kế đóng mở với cơ cấu đòn bẩy