Nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống đóng gói kẹo mè xửng truyền thống

Bài viết Nghiên cứu và chế tạo mô hình hệ thống đóng gói kẹo mè xửng truyền thống trình bày quá trình lên ý tưởng, thiết kế và chế tạo một mô hình hệ thống gói mè xửng có năng suất cao. Kẹo mè xửng là một đặc sản ẩm thực của khu vực miền Trung Việt Nam, đặc biệt là tại tỉnh Thừa Thiên Huế.

Trần Quang Khải, Phan Văn Sơn, Nguyễn Thành Duy 56 NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO MƠ HÌNH HỆ THỐNG ĐĨNG GÓI KẸO MÈ XỬNG TRUYỀN THỐNG RESEARCH ON AND FABRICATION OF VIETNAMESE SESAME SEED CANDY PACKAGING SYSTEM Trần Quang Khải, Phan Văn Sơn, Nguyễn Thành Duy Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng; tqkhai@dut.udn.vn Tóm tắt - Trong báo này, nhóm tác giả trình bày q trình lên ý tưởng, thiết kế chế tạo mơ hình hệ thống gói mè xửng có suất cao Kẹo mè xửng đặc sản ẩm thực khu vực miền Trung Việt Nam, đ ặc biệt tỉnh Thừa Thiên Huế Tại tỉnh có số làng nghề thủ công sản xuất mè xửng tiếng Tuy nhiên, quy mô sản xuất làng nghề nhỏ hoạt động sản xuất cịn làm tay, đặc biệt khâu đóng gói Vì đặc thù kẹo mè xửng dẻo có bề mặt dính, ngun liệu gói bánh chủ yếu nilon bám dính, nên việc chế tạo hệ thống khép kín có khả đóng gói tốt khó khăn Mơ hình giới thiệu báo có số ưu điểm bật sau: Khả đóng gói xác, suất cao, dễ bảo trì sửa chữa Abstract - In this paper, the authors propose a concept of a high performance of Vietnamese sesame seed candy packaging model Sesame seed candy is a speciality of the Central Vietnam, especially of Hue, the ancient capital of Vietnam Sesame seed candy is mainly crafted in some traditional villages in Hue Because of handicraft, the performance of packaging process is low, and the appearance of packages is not so attractive Two important physical characteristics of sesame seed candy are stickiness and softness The material used for the package is mainly nylon Those combinations trouble the automatic packaging process The proposed model has the following advantages compared to tackle those obstacles: precise and homogeneous package, high performance, and easy maintenance The model can be studied to make a closed, automatic sesame seed candy manufacturing system in the future Từ khóa - Hệ thống sản xuất; hệ thống đóng gói sản phẩm; sản xuất Key words - Manufacturing system; packaging system; green manufacturing Đặt vấn đề Kẹo mè xửng đặc sản ẩm thực tỉnh Thừa Thiên Huế Kẹo chế biến từ thành phần nguyên liệu gồm đường, lạc (đậu phộng), mạch nha, vani, mè trắng, bột lọc, bột gạo có bánh tráng mỏng [1] Theo Quy chuẩn kỹ thuật địa phương sản phẩm mè xửng Huế [1], có hai loại mè xửng mè xửng dẻo mè xửng giịn Vì đặc tính mè xửng dẻo mềm, dẻo, bề mặt ngồi có tính dính, ngồi ra, bao bì sử dụng nylon mỏng bám dính, nên đóng gói bao bì mè xửng dẻo tương đối khó khăn Trong báo này, nhóm tác giả tập trung vào việc thực đóng gói tự động mè xửng dẻo Hình Quy trình đóng gói thủ cơng kẹo mè xửng Có thể nhận thấy, khâu đóng gói kẹo mè xửng, cần nhiều nhân công để thực dẫn đến số vấn đề tồn sau: - Hình thức bên ngồi giấy gói kẹo khơng đồng nhất, tay nghề cơng nhân khác nhau; Hình Kẹo mè xửng đóng gói Nguồn ảnh: VietnamHueTourism - Năng suất khơng cao, làm tay; - Công đoạ n gia nhiệt để dán phần nylon nhiều làng nghề sử dụng nguồn nhiệt nến dẫn đến khơng đảm bảo an tồn lao động; - Có thể khơng đảm bảo an tồn vệ sinh, cơng nhân tiếp xúc trực tiếp với kẹo dạng trần sau đóng gói tay, muội chì từ nến parafin cơng đoạn dán nylon ám lớp bao bì Việc tự động hố khâu đóng gói giúp tăng suất đảm bảo hình thức bên ngồi gói kẹo đẹp đồng Hiện tại, theo hiểu biết nhóm tác giả, chưa có mơ hình tự động hồn chỉnh mang tính module (để lắp ghép dễ dàng với khâu chế biến) Các làng nghề sản xuất mè xửng tỉnh Thừa Thiên Huế cịn quy mơ nhỏ, suất chưa cao chủ yếu sản xuất thủ cơng tay khâu chế biến đóng gói [2] Quy trình đóng gói tay kẹo mè xửng tóm tắt sau: Nhận kẹo thơ từ khâu chế biến, lấy cắt nylon theo kích thước kẹo, gói kẹo, gia nhiệt nếp gấp để dán cố định nylon kẹo, đưa kẹo ngồi Tình hình thực tế giải pháp Hiện nay, chưa có số liệu thống kê thức suất làm việc thợ đóng gói mè xửng Theo khảo sát nhóm tác giả, người thợ làm kẹo bình thường dán trung bình khoảng 2500 sản phẩm kẹo mè xửng ca làm việc tám tiếng, tức tiêu tốn khoảng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 11.5s/sản phẩm Ngoài , đề cập phần 1, sản xuất thủ công, kẹo dán nylon nguồn nhiệt nến para fin ảnh hưởng đến an tồn lao động an toàn vệ sinh thực phẩm; Thợ làm kẹo cầm kẹo cách trực tiếp ảnh hưởng đến chất lượng vệ sinh viên kẹo 57 tải tới vị trí xylanh A, đồng thời bọc nylon cấp thông qua hệ thống trục dẫn hướng cố định trục ép truyền động nhờ động bước; Cơ cấu cắt dao cắt đứt nylon với kích thước yêu cầu, kẹo xylanh A đẩy tới vị trí phía nylon cắt, đồng thời xylanh B khác đẩy tồn vào khn; Sau qua hai khn việc đóng gói kẹo định hình; Khi hồn tất cơng đoạn gói kẹo kẹo đẩy qua hệ thống gia nhiệt dán kẹo truyền vít me-đai ốc để dán kẹo lại thành sản phẩm hồn chỉnh Mơ hình lắp ráp hồn chỉnh cho Hình Hình Đóng gói mè xửng thủ cơng tay làng nghề Huế Nguồn ảnh: VietnamHueTourism Sau tham khảo số tài liệu thức có liên quan đến quy chuẩn chế biến mè xửng [1], nhóm tác giả đặt số yêu cầu mà mơ hình phải đạt sau: - Đảm bảo vệ sinh an toàn thực phẩm; - Hoạt động ổn định cường độ hoạt động cao; - Bao bì đóng gói đồng đồng theo chuẩn đặt từ trước; - Tỉ lệ đóng gói lỗi thấp; - Dễ lắp ráp, điều khiển, nâng cấp thực địa ; - Dễ chế tạo có giá thành thấp Trong mơ hình này, bước quan trọng gấp dán nylon lại thỏi kẹo mè xửng Thỏi kẹo phải dán phải đảm bảo tính thẩm mỹ khó bị bung vết dán Sau phân tích số phương án, nhóm tác giả đưa số nhận xét sau: - Nếu sử dụng cánh tay robot để gấp nylon: Phải sử dụng đầu gắp mềm nylon vật liệu dễ bị hư hỏng, địi hỏi độ xác hoạt động cao thỏi kẹo có kích thước nhỏ, tốc độ hoạt động chậm, kích thước cồng kềnh chi phí cao [3]; - Nếu sử dụng hệ thống xylanh điện/ khí nén hệ thống cồng kềnh, hoạt động ồn, cần hệ thống đồ gá, định vị xác cao Nhóm tác giả đề xuất sử dụng hai khn định vị kết hợp rãnh dẫn hướng đầu gia nhiệt để tiến hành gói kẹo với ưu điểm sau: - Khuôn dễ chế tạo với giá thành thấp: khuôn in 3D vật liệu nhựa polylactic acid(PLA) an tồn xử lí thực phẩm thân thiện với mơi trường [5, 6, 7]; - Độ xác đóng gói cao; - Đầu gia nhiệt hạn chế tối đa ảnh hưởng từ muội parafin, mối dán đẹp đồng Quy trình cơng nghệ tương ứng với yêu cầu nhận xét tóm tắt sơ đồ Hình Ngun lý hoạt động tổng qt mơ hình mơ tả sau: Đầu tiên, thỏi kẹo vận chuyển theo băng Hình Quy trình cơng nghệ đóng gói kẹo mè xửng dẻo Hình Mơ hình lắp ráp hồn chỉnh hệ thống đóng gói kẹo mè xửng Bảng Các chi tiết/ cụm chi tiết mơ hình Khung máy Đường dẫn kẹo Xy lanh khí nén Bộ phận cấp bao Tủ điều khiển 10 Cuộn ni lông Cụm cấp làm kẹo 11 Động bước Băng tải 12 Bộ truyền vít me-đai ốc Khn 13 Lò xo nén Bộ phận cắt bao 2.1 Cơ cấu cấp kẹo Kích thước thỏi kẹo mè xửng dài × rộng × cao = 38 × 38 × 13 (mm) với khối lượng trung bình Trần Quang Khải, Phan Văn Sơn, Nguyễn Thành Duy 58 35g Cơ cấu cấp kẹo có nhiệm vụ vận chuyển kẹo chế biến đến cấu đóng gói (gấp dán nylon) Trong mơ hình đề xuất, mè xửng cấp hệ thống băng tải cao su (Hình 5, cụm chi tiết (5)) Ngồi ra, trước vào băng tải, thỏi kẹo mè xửng cho qua cấu làm định hướng (Hình 5, cụm chi tiết (4)) Hệ thống băng tải cao su có lớp phủ chống dính để hạn chế tối đa tượng dính kẹo băng tải 2.2 Cơ cấu cấp gói nylon tự động tay robot hệ thống xylanh để gói, thỏi kẹo sau đặt vào gói nylon, xylanh đẩy qua hệ thống hai khuôn lắp nối trình tự sau: - Khn có nhiệm vụ làm định vị bọc nylon lên bốn mặt bên bánh; - Khuôn tạo đường nếp gấp cố định đường nếp gấp Cơ cấu cấp gói nylon tự động cho Hình Mè xửng loại thực phẩm bảo quản lâu điều kiện bình thường đóng gói kín Nylon vật liệu chọn để đóng gói thỏi kẹo mè xửng tính kín, dai, bền, thấm nước [4] Nhóm tác giả sử dụng cuộn nylon cơng nghiệp có sẵn thị trường có kích thước chiều rộng 130mm (1) Thỏi kẹo có dạng vng nên kích thước nylon gói chọn 130 × 130 (mm) Hình Khn Hình Cơ cấu cấp gói nylon tự động Cơ cấu cấp gói nylon gồm cụm ba trục dẫn hướng căng nylon (2), hai cặp trục ép (4) để dẫn nylon gói tới vị trí Cơ cấu cắt nylon (5) dẫn động truyền vít me-đai ốc thơng qua động bước truyền động (3) Hình Khn Hình 10 Trình tự gấp kẹo Hình Nylon cuộn cơng nghiệp 2.3 Cơ cấu gói kẹo Điểm hệ thống gói kẹo mè xửng tự động báo hệ thống khn gói kẹo Hệ thống hai khn mơ tả Hình Hình Thay sử dụng cánh 2.4 Cơ cấu dán kẹo Cơ cấu dán kẹo tự động Hình 11 điểm so với hình thức làm thủ cơng truyền thống Mơ hình sử dụng đầu gia nhiệt (1) có kiểm sốt nhiệt độ tự động hệ thống cảm biến vi điều khiển Đầu gia nhiệt hạn chế tối đa việc sản sinh muội carbon đảm bảo mối dán đồng Nhiệt độ đầu gia nhiệt trì nhiệt độ từ 150-250 độ C điện trở nhiệt giám sát hệ thống cảm biến nhiệt Để đảm bảo điều kiện làm việc lâu dài, cấu gia nhiệt có thêm quạt tản nhiệt điều khiển PWM để làm mát cho chi tiết cấu gần đầu gia nhiệt Cơ cấu cam (4) động bước (5) gá đồ gá (3) làm cấu dán nylon gói kẹo ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ - ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, VOL 18, NO 5.1, 2020 59 Hình 13 Kẹo gói mơ hình, mặt đen đánh dấu mặt dán vào cấu dán Kết luận Hình 11 Cơ cấu gia nhiệt dán nylon gói kẹo 2.5 Hệ thống điều khiển Vì dừng lại mức mơ hình chi phí khơng cho phép, nhóm tác giả sử dụng vi điều khiển Atmega 2560 [8] làm điều khiển trung tâm cho hệ thống Thông qua vi điều khiển, hệ thống hoạt động thông qua bốn khối điều khiển quan trọng sau: - Khối cảm biến bao gồm cảm biến nhiệt độ để thu thập liệu nhiệt độ phận dán kẹo để điều chỉnh nhiệt độ phù hợp, cảm biến tiệm cận hồng ngoạ i cảm biến quang trở để xác định hành trình xylanh để kiểm tra hết kẹo, hết bao nylon; - Khối mạch relay gồm kênh có nhiệm vụ điều khiển van điện tử, bật tắt động băng tải, bật tắt điện trở nhiệt, bật tắt đèn còi báo động; - Khối mạch bao gồm Drive TB6560 Drive TB6600 để điều khiển động bước; - Khối xy lanh khí nén gồm hai xylanh khí nén hai van đảo chiều điện từ cửa vị trí để điều khiển xylanh Trên van có van tiết lưu khí nén lắp hai đầu đường dẫn khí để thay đổi tốc độ xylanh theo yêu cầu Để chống nhiễu cuộn dây van điện lúc đóng mở van, diode sử dụng để dập xung gây nhiễu cho hệ thống Mơ hình thực tế hệ thống sau lắp ráp hồn chỉnh cho Hình 12 Hình 12 Mơ hình hồn chỉnh hệ thống Mơ hình thực tế chạy thử nghiệm với tỉ lệ lỗi đóng gói thấp (< 1%), sản phẩm gói đồng chắn Năng suất làm việc đạt 6s/sản phẩm, tức khoảng 4800 sản phẩm/ca làm việc tiếng, gấp đơi thợ làm việc bình thường Kích thước tổng thể mơ hình nhỏ (dài × rộng × cao = 850 × 260 × 640mm), cho phép lắp đặt sở sản xuất nhỏ lẻ Do dừng lại cấp độ mơ hình nên số chi tiết vật liệu sản phẩm chưa đáp ứng yêu cầu công nghiệp Tuy nhiên, thiết kế theo dạng module, tương lai, cá c chi tiết vật liệu hồn tồn thay để đáp ứng yêu cầu khắt khe sản xuất công nghiệp quy mô lớn TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Uỷ ban nhân dân Tỉnh Thừa Thiên Huế, Quyết định 40/2019/QĐUBND Quy chuẩn kỹ thuật mè xửng Huế tỉnh Thừa Thiên Huế, UBND Tỉnh Thừa Thiên Huế, 2019 [2] Nguyen Hoang Ngoc Linh, “Assessing the status of building collective marks for craft village products in Thua Thien Hue province”, Hue University Journal of Science: Economics and Development, 128(5C), 2019, 169-183 [3] Venketesh N.Dubey & Jian S Dai, “A packaging robot for complex cartons”, Industrial Robot: An International Journal, 33(2), 2006, 82-87 [4] Del Nobile, M A., Buonocore, G G., Altieri, C., Battaglia, G., & Nicolais, L., “Modeling the water barrier properties of nylon film intended for food packaging applications”, Journal of food science, 68(4), 2003, 1334-1340 [5] Bergstroem, J S., & Hayman, D., “An overview of mechanical properties and material modeling of polylactide (PLA) for medical applications”, Annals of biomedical engineering, 44(2), 2016, 330-340 [6] Wojtyła, S., Klama, P., & Baran, T., “Is 3D printing safe? Analysis of the thermal treatment of thermoplastics: ABS, PLA, PET, and nylon”, Journal of occupational and environmental hygiene, 14(6), 2017, D80-D85 [7] Letcher, T., & Waytashek, M., “Material property testing of 3Dprinted specimen in PLA on an entry-level 3D printer”, ASME 2014 international mechanical engineering congress and exposition, American Society of Mechanical Engineers Digital Collection, 2014, 1-8 [8] Lipps, C., Weinand, A., Krummacker, D., Fischer, C., & Schotten, H D., “Proof of concept for IoT device authentication based on SRAM PUFs using ATMEGA 2560-MCU”, 1st International Conference on Data Intelligence and Security (ICDIS), 2018, 36-42 (BBT nhận bài: 19/02/2020, hoàn tất thủ tục phản biện: 25/3/2020) ... theo băng Hình Quy trình cơng nghệ đóng gói kẹo mè xửng dẻo Hình Mơ hình lắp ráp hồn chỉnh hệ thống đóng gói kẹo mè xửng Bảng Các chi tiết/ cụm chi tiết mơ hình Khung máy Đường dẫn kẹo Xy lanh... kẹo Điểm hệ thống gói kẹo mè xửng tự động báo hệ thống khn gói kẹo Hệ thống hai khn mơ tả Hình Hình Thay sử dụng cánh 2.4 Cơ cấu dán kẹo Cơ cấu dán kẹo tự động Hình 11 điểm so với hình thức làm... cấu cấp kẹo có nhiệm vụ vận chuyển kẹo chế biến đến cấu đóng gói (gấp dán nylon) Trong mơ hình đề xuất, mè xửng cấp hệ thống băng tải cao su (Hình 5, cụm chi tiết (5)) Ngoài ra, trước vào băng