HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG

Mô tả nhiệm vụ công nghệ Khi người sử dụng đưa cốc vào mâm xoay, cốc rỗng sẽ được mâm xoay đưa lần lượt đến bộ phận chiết rót trà, bộ phận khuấy đều, bộ phận ép màng miệng cốc.Cốc trà s

MÔ TẢ THIẾT BỊ

1 Mô tả nhiệm vụ công nghệ

Khi người sử dụng đưa cốc vào mâm xoay, cốc rỗng sẽ được mâm xoay đưa lần lượt đến bộ phận chiết rót trà, bộ phận khuấy đều, bộ phận ép màng miệng cốc.Cốc trà sữa thành phẩm sau đó được đưa ra vị trí cửa ra cuối cùng của mâm xoay

2 Cấu trúc thiết bị

Cảm biến hồng ngoại Cảm biến hồng ngoại phát hiện vật cản

Hệ thống dán màng cốc trà sữa

Sử dụng cuộn màng dán miệng ly kết hợp mâm nhiệt ETON 220V-300W để ép nhiệt dán cốc trà sữa lại

1 Nội dung báo cáo

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI TỰ ĐỘNG

1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.2 Mục tiêu đề tài

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Mô hình toán học hệ thống truyền động

2.2 Cảm biến hồng ngoại

2.3 Cảm biến điện dung

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

Kết luận

1

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG NẮP CHAI

TỰ ĐỘNG 4

1.1 Lịch sử nghiên cứu 4

1.1.1 Trên thế giới 4

1.1.2 Tại Việt Nam 5

1.2 Mục tiêu của đề tài 6

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài 6

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn 6

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết 6

1.3.3 Các môn học cần nắm vững để phục vụ làm đồ án 7

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 8

2.1 Mô hình toán học hệ thống truyền động 8

2.1.1 Tính toán các thông số hình học của mâm xoay 8

2.1.2 Tính toán máy bơm 8

2.2 Cảm biến hồng ngoại 9

2.3 Cảm biến điện dung 10

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 11

3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển 11

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí 12

3.2.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống 12

3.2.2 Chọn vật liệu phù hợp 13

3.2.3Khái quát các chi tiết 15

KẾT LUẬN 31

PHỤ LỤC 35

TÀI LIỆU THAM KHẢO 36

2

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 1: Hệ thống chiết rót của công ty nước khoáng Vĩnh Hảo 4

Hình 1 2: Hệ thống sản xuất nước ngọt có gas của công ty Bidrico 5

Hình 1 3: Một đoạn hệ thống sản xuất Aseptic của Tân Hiệp Phát 5

Hình 2 1: Cảm biến hồng ngoại 10

Hình 2 2: Cảm biến điện dung 10

Hình 3 1: Tổng quan hệ thống 13

Hình 3 2: Tấm nhựa ABS trong công nghiệp 13

Hình 3 3: Tấm hợp kim AL-6XN trong công nghiệp 14

Hình 3 4: Ứng dụng của hợp kim AL-6XN trong hệ thống chiết rót công nghiệp 15

Hình 3 5: Cốc nhựa trà sữa trên bản thiết kế 15

Hình 3 6: Cốc nhựa trà sữa thực tế 16

Hình 3 7: Trục mâm xoay trên bản thiết kế 16

Hình 3 8: Vỏ khung mâm xoay trên thiết kế 17

Hình 3 9: Mâm xoay trên thiết kế 18

Hình 3 10: Vòi chiết rót trên thiết kế 18

Hình 3 11: Giá kẹp vòi chiết rót trên thiết kế 19

Hình 3 12: Giá đứng vòi chiết và trạm khuấy trên thiết kế 20

Hình 3 13: Giá đỡ motor trên thiết kế 20

Hình 3 14: Con lăn trên thiết kế 21

Hình 3 15: Nắp máy ép trên thiết kế 22

Hình 3 16: Máng ép giữ miệng cốc trên thiết kế 22

Hình 3 17: Mâm nhiệt ETON 23

Hình 3 18: Xy lanh khí nén cho hệ thống khuấy 24

Hình 3 19: Xy lanh điện cho hệ thống dán miệng cốc 24

Hình 3 20: Động cơ giảm tốc DS400 (24VDC) 25

Hình 3 21: Động cơ motor 775 24V 26

Hình 3 22 : Muống khuấy sử dụng cho hệ thống 27

Hình 3 23 : Máy nén khí Pegasus 27

Hình 3 24 : Van khí nén 5/2 26

3

Hình 3 25 : Nguồn tổ ong 24V 30

Hình 3 26 : Rơ le 5V-DC 31

Hình 3 27 : Nguồn 5V-DC 31

Hình 3 28 : Máy bơm 7W 32

Hình 3 29 : Cảm biến hồng ngoại 33

Hình 3.30: Cảm biến tiệm cận điện dung 33

4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT VÀ ĐÓNG

NẮP CHAI TỰ ĐỘNG 1.1 Lịch sử nghiên cứu

1.1.1 Trên thế giới

Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai diễn ra từ nửa cuối thế kỷ 19 đã thúc đẩy các ngành sản xuất biến chuyển nhanh chóng với hàng loạt dây chuyền sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng, tự động hóa Các hệ thống có sự tự động hóa ngày càng cao, cũng như độ chính xác trong quá trình làm việc

Dây chuyền sản xuất tự động hóa có thể được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực công nghiệp khác nhau như: Công nghiệp chế biến thực phẩm, Công nghiệp chế tạo ô tô… Đặc biệt là trong sản xuất và đóng chai đồ uống, nhiều quốc gia có nhà máy sản xuất, đóng chai đồ uống rất lớn

Năm 1990 với sự phát triển mạnh mẽ của nước uống đóng chai, hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động từ đó được chú trọng nghiên cứu và phát triển

Hình 1 1: Hệ thống chiết rót của công ty nước khoáng Vĩnh Hảo

5

1.1.2 Tại Việt Nam

Ngành sản xuất nước đóng chai đang có tốc độ tăng trưởng cao, giàu tiềm năng phát triển do nhu cầu tiêu thụ đang lớn hơn sản lượng sản xuất Các công ty xuất hiện với nhiều quy mô khác nhau giúp thúc đẩy sự cạnh tranh mạnh mẽ của thị trường đồng thời đẩy mạnh sự phát triển của quá trình sản xuất Sự tự động hóa trong quá trình sản xuất là yêu cầu bắt buộc với mọi tập đoàn sản xuất

Hình 1 2: Hệ thống sản xuất nước ngọt có gas của công ty Bidrico

Hình 1 3: Một đoạn hệ thống sản xuất Aseptic của Tân Hiệp Phát

6

1.2 Mục tiêu của đề tài

Nghiên cứu khảo sát hệ thống chiết rót trà sữa tự động sử dụng vi điều khiển Arduino UNO R3, hệ thống mâm xoay được thiết kế để vận chuyển và tạo ra một cốc trà sữa hoàn chỉnh Đồ án này sẽ đi vào nghiên cứu những vấn đề sau:

• Tính toán, thiết kế kết cấu cơ khí cho hệ thống

• Xây dựng bản vẽ tổng thể và chi tiết của hệ thống trên phần mềm SolidWork 2019

• Nghiên cứu tạo dựng sơ đồ kết nối phần điện tử cho hệ thống

• Khảo sát thực tế và chạy thử nghiệm

Ngoài việc tìm các phương pháp giải các bài toán liên quan đến cơ khí và điện

tử của hệ thống thì các chương trình mô phỏng kết cấu và chuyển động 3D (SolidWork 2019), mô phỏng mạch điện (PROTEUS) được áp dụng để minh họa cũng như phục

vụ cho phân tích thiết kế hệ thống

1.3 Phương pháp thực hiện đề tài

1.3.1 Phương pháp nghiên cứu thực tiễn

• Ứng dụng các phần mềm Solidwork 2019,PROTEUS 8.0,AutoCAD

2019 để phục vụ thiết kế,mô phỏng hệ thống

• Nghiên cứu và ứng dụng các phần gia công cơ khí để chế tạo hệ thống chiết rót trà sữa

• Sử dụng Board Arduino UNO R3 làm phần điều khiển

• Tìm hiểu kĩ về cảm biến hồng ngoại và cảm biến tiệm cận điện dung

• Cơ cấu chấp hành sử dụng động cơ DC 12V, DC Servo, Xy lanh điện

DC 24V tác động 1 chiều,Van điện từ 5/2 12V,mâm nhiệt ETON 300W

220V-1.3.2 Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

• Thiết lập các công thức tính toán lưu lượng nước để chọn loại máy bơm chiết rót có công suất phù hợp và thời gian chiết rót hợp lý.Tách hệ thống ra thành từng phần khảo sát hệ lực trên từng phần Tìm các vật liệu phù hợp cho từng chi tiết

7

• Ứng dụng lý thuyết từ các môn chuyên ngành đã được học vào nghiên cứu và thiết kế

1.3.3 Các môn học cần nắm vững để phục vụ làm đồ án

• Thủy lực đại cương

• Lý thuyết điều khiển tự động

• Kỹ thuật tự động hóa

• CAD

• Tự động hóa trong quá trình sản xuất

• Cảm biến và hệ thống đo lường

• Thực hành cơ điện tử

8

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mô hình toán học hệ thống truyền động

2.1.1 Tính toán các thông số hình học của mâm xoay

Bán kính vòng ngoài của mâm:

R1 = R0 + r (1) Trong đó: R0: Bán kính từ tâm cốc trà đến tâm mâm xoay R0 =190 mm

Chiều cao của mâm xoay:

Chiều cao của cốc h = 97mm, ta có thể lấy chiều cao của mâm gần bằng chiều cao của cốc Ta lấy H = 94mm

2.1.2 Tính toán máy bơm

Thông số ban đầu:

Chiết 1 cốc, mỗi cốc 0.5 lít

Thời gian chiết mỗi cốc là 5 giây

Suy ra lưu lượng đầu chiết là 0.36 m3/h

Dung dịch trà ở nhiệt độ 5-10oC

Vận tốc dung dịch khi chiết rót là 0,5 m/s

Khối lượng riêng của dung dịch cần chiết là 1060kg/m3

Các thống số kĩ thuật máy bơm:

* Cột áp máy bơm (H):

H1+H2 (2) Trong đó: H1 : chiều sâu hút của máy (m)

H2 : chiều cao xả của máy (m)

9

Thay số vào công thức ta có: H = H1 + H2 = 1.4 + 0.3 = 1.7(m)

* Tính công suất bơm: (P) (kW)

.102

H T Q P



=

(3) Trong đó:

H: Cột áp(m)

T: Tỉ trọng trà sữa (1060kg/m3)

Q: Lưu lượng dung dịch chiết trong ống (m3/s)

Thay số vào công thức ta có:

1, 7.1060.0,36

0, 0029( ) 2,9(W)102.0, 6.3600

Cảm biến hồng ngoại hay còn được gọi là IR Sensor, chúng là một thiết bị điện

tử có khả năng đo và phát hiện bức xạ hồng ngoại trong môi trường xung quanh

Cảm biến hồng ngoại sẽ hoạt động bằng cách sử dụng một cảm biến ánh sáng

cụ thể để phát hiện bước sóng ánh sáng chọn trong phổ hồng ngoại (IR) Bằng cách sử dụng đèn LED tạo ra ánh sáng có cùng bước sóng với cảm biến đang tìm kiếm, bạn có thể xem cường độ của ánh sáng nhận được Khi một vật ở gần cảm biến, ánh sáng từ đèn LED bật ra khỏi vật thể và đi vào cảm biến ánh sáng Điều này dẫn đến một bước nhảy lớn về cường độ, mà chúng ta đã biết có thể được phát hiện bằng cách sử dụng một ngưỡng

2.3 Cảm biến tiệm cận điện dung

Cảm biến tiệm cận điện dung (hoặc cảm biến điện môi) là sử dụng điện dung để

đo hằng số điện môi của môi trường xung quanh Cấu trúc giống như đầu dò neutron nơi ống tiếp cận được làm bằng nhựa PVC được lắp đặt trong đất; các đầu dò cũng có thể là mô-đun (giống như lược) và được kết nối với bộ ghi

Hình 2 2: Cảm biến điện dung

Là cảm biến báo mức dạng điện dung dùng để báo mức nước trên các đường ống dẫn nước hoặc trong các khu vực chứa nước cần báo mức

Cảm biến tiệm cận điện dung đo mức chất lỏng chất rắn hoặc báo mức nước báo đầy báo cạn bằng cách gắn cảm biến điện dung vào các khu vực chưa nước; chất rắn khối lượng nhẹ Trong các hệ thống chiết rót, việc sử dụng cảm biến điện dung là không thể thiếu

11

CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Tính toán, thiết kế hệ thống điều khiển

Các biến đầu vào:

3 I0.2 Cảm biến cốc 1 Cảm biến quang tại vị trí ban

đầu,nhận biết có cốc hay chưa

3 Q0.2 Van điện từ 5/2 một phía Điều khiển xy lanh khí nén ( tại vị

trí khuấy) đi xuống

khấy trà

6 Q0.5 Xi lanh điện 1 chiều A Tác động lực đẩy mâm ép nhiệt vào

miệng cốc

7 Q0.6 Xi lanh điện 1 chiều B Tác động lực đẩy gá giữ miệng cốc để ép

12

3.2 Tính toán, thiết kế hệ thống cơ khí

3.2.1 Sơ đồ thiết kế hệ thống

Bảng sơ đồ thiết kế hệ thống:

6 Giá kẹp vòi chiết rót Thép AL-6XN Gia công CNC

7 Giá đứng vòi chiết rót Thép AL-6XN Gia công CNC

12 Giá đỡ motor và xy lanh Thép AL-6XN Gia công CNC

19 Máng ép giữ miệng cốc Thép AL-6XN Gia công CNC

Hình 3 2: Tấm nhựa ABS trong công nghiệp

14

Nhựa ABS có tên đầy đủ là Acrylonitrin Butadien Styren, có công thức hóa học (C8H8· C4H6·C3H3N) Hạt nhựa ABS là một trong những hạt nhựa nguyên sinh và được người tiêu dùng ưa chuộng nhất trên thị trường hiện nay

Hạt nhựa ABS có đặc tính cứng, rắn nhưng không giòn, cách điện, không thấm nước, bền với nhiệt độ và hóa chất vì vậy không làm biến dạng sản phẩm,bên cạnh đó,với giá thành vừa phải (410.000 vnd/kg) nên tương đối phù hợp với hệ thống này

3.2.2.2 Thép AL-6XN

Hợp kim AL-6XN (tên của UNS N08367 ) là một loại thép không gỉ có thể hàn được , bao gồm hợp kim niken (24%), chromium (22%) và molybden (6,3%) với các nguyên tố khác như nitơ

Hình 3 3: Tấm hợp kim AL-6XN trong công nghiệp

Các thành phần niken và molybden cao của hợp kim AL-6XN cho khả năng chống ăn mòn tốt trên sự nứt vỡ do ăn mòn clo Molybdenum mang lại sức đề kháng đối với móng clorua Hàm lượng nitơ làm tăng thêm sức cản và cũng tạo ra sức mạnh cao hơn thép không rỉ austenit 300 điển hình, và do đó thường cho phép nó được sử dụng ở các phần mỏng hơn

Kim loại này thường được sử dụng thay cho thép không rỉ 300 series ở nhiệt độ cao và ứng dụng pH thấp trong chế biến thực phẩm Ví dụ, nước ép cà chua sẽ ăn mòn thép không gỉ 316L ở nhiệt độ thanh trùng ở nhiệt độ 210 ° F (100 ° C) AL-6XN sẽ chống lại sự ăn mòn tốt hơn trong khi vẫn mang lại những đặc tính có lợi cho thép không gỉ

15

Hình 3 4: Ứng dụng của hợp kim AL-6XN trong hệ thống chiết rót công nghiệp

3.2.3 Khái quát các chi tiết

3.2.3.1 Cốc nhựa plastic

(1) Cốc

Là sản phẩm thông dụng, được làm hoàn toàn từ nhựa nguyên sinh Cốc có nhiều chất liệu nhưng dù thành phần chính là gì vẫn đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm Cốc dùng 1 lần chủ yếu sử dụng cho đồ ăn nhanh, nước uống tại các văn phòng, nơi công cộng Ưu điểm của chúng là dễ sử dụng, nhanh chóng, gọn lẹ và giá thành cực rẻ Cuộc sống hiện đại quá hối hả nên những vật dụng nào càng tiện lợi thì càng trở nên thông dụng Với chất liệu nhựa cốc như hiện nay thì nhiệt độ khoảng 160-170

độ là thích hợp để ép miệng ly

Hình 3 5: Cốc nhựa trà sữa trên bản thiết kế

16

Hình 3 6: Cốc nhựa trà sữa thực tế

Thông tin chi tiết:

• Giá dự tính : 850 vnd/chiếc

• Chất liệu : Nhựa Plastic

• Nơi đặt mua : Facebook Trang Cốc nhựa dùng 1 lần Hà Nội

3.2.3.2 Bàn phân độ (mâm xoay)

(2) Trục mâm xoay

Đặc điểm: Một thanh trục kim loại thẳng dài giữ cố định cho 2 mâm xoay trên

và dưới bằng những cặp bu-lông gá trên những đường ren được tiện sẵn,trục gia công bằng phương pháp tiện trên máy CNC

Hình 3 7: Trục mâm xoay trên bản thiết kế

17

Thông tin chi tiết:

• Nơi thiết kế : Công Ty Cổ Phần Cơ Khí Chính Xác PTV

• Giá dự tính : 20.000 vnd

• Chất liệu: Hợp kim AL-6XN

• Phương pháp thiết kế: gia công CNC

(3) Khung hệ mâm xoay

Đặc điểm: Vỏ khung của hệ thống mâm xoay có tác dụng giữ cốc,chống lại lực quán tính khiến cốc văng ra ngoài trong quá trình vận hành,không chỉ vậy,vỏ khung còn tạo lực ép với mâm xoay làm cho vỏ cốc dù rất mỏng nhưng vẫn có thể đứng thẳng khi rót đầy trà sữa và khi mâm nhiệt tác động lực dập lên miệng cốc

Hình 3 8: Vỏ khung mâm xoay trên thiết kế

Thông tin chi tiết:

• Chất liệu: Nhựa ABS

• Phương pháp thiết kế: In 3D

• Nơi thiết kế : In 3Ds Hà Nội

• Giá dự tính : 50.000 vnd

(4) Mâm phân độ trên(*)

(5) Mâm phân độ dưới(*)

(*) Mâm phân độ trên và mâm phân độ dưới:

Đặc điểm: Cặp mâm phân độ trên và dưới có đường kính là 400mm có tác dụng quay và đưa cốc đến vị trí làm việc Cặp mâm được chia làm 6 vị trí với góc chia là 60 độ,đựng được tối đa 6 cốc

18

Hình 3 9: Mâm xoay trên thiết kế

Thông tin chi tiết:

• Chất liệu: Nhựa ABS

Hình 3 10: Vòi chiết rót trên thiết kế

(8) Giá kẹp vòi chiết

Đặc điểm: Giá kim loại cố định vòi chiết với giá đứng sao cho chiều vòi hướng vuông góc xuống dưới để rót trà sữa vào cốc,giá có vòng đai kẹp vòi chiết để tùy chỉnh

độ cao thấp cho phù hợp với mọi chiều cao cao cốc của các quán trà sữa khác nhau

Hình 3 11: Giá kẹp vòi chiết rót trên thiết kế

Thông tin chi tiết:

• Chất liệu: Thép AL-6XN

• Phương pháp thiết kế: Gia công CNC

• Nơi thiết kế : Công Ty Cổ Phần Cơ Khí Chính Xác PTV

• Giá dự tính : 20.000 vnd

3.2.3.4 Hệ thống khuấy

(9) Giá đứng trạm khuấy(**)

(**) Giá đứng vòi chiết và giá đứng trạm khuấy:

Đặc điểm: Giá kim loại cứng có đế nằm bẹt với 4 lỗ vít khoan cố định sao cho giá vuông góc với mặt bàn làm việc

20

Hình 3 12: Giá đứng vòi chiết và trạm khuấy trên thiết kế

Thông tin chi tiết:

• Chất liệu: Thép AL-6XN

• Phương pháp thiết kế: Gia công CNC

• Nơi thiết kế : Công Ty Cổ Phần Cơ Khí Chính Xác PTV

• Giá dự tính : 160.000 vnd

(12) Giá đỡ motor

Đặc điểm: Giá được khoan 6 lỗ vít, 2 lỗ để bắt cố định với xy lanh và 4 lỗ vít để

cố định với động cơ khuấy.Xy lanh được gắn cố định với giá đứng, khi cần xy lanh tịnh tiến đi xuống theo phương vuông góc với mặt phẳng làm việc, giá đỡ mang theo motor khuấy đi xuống và khuấy đều trà trong cốc

Hình 3 13: Giá đỡ motor trên thiết kế