vản vẽ gửi thịnh BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP THIẾT KẾ HỆ THỐNG CHIẾT RÓT, ĐÓNG NẮP VÀ DÁN NHÃN CHAI NƯỚC KHOÁNG TỰ ĐỘNG NGÀNH KỸ THUẬT CƠ KHÍ GIẢNG VIÊN HƯỚNG DẪN ThS BÙI VĂN TÂM Sinh viên thực hiện MSSV Lớp Bùi Chí Phương 1711040073 17DCKA1 Nguyễn Ngọc Thịnh 1711040124 17DCKA1 Nguyễn Tấn Thọ 1711040544 17DCKA1 Tp Hồ Chí Minh, tháng 9 năm 2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ TP HỒ CHÍ MINH ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP.
Tính cấp thiết đề tài
Ngày nay, ứng dụng khoa học kỹ thuật trong sản xuất là nhu cầu thiết yếu, quyết định tăng năng suất lao động và giảm giá thành sản phẩm Việc này không chỉ giảm nhẹ sức lao động mà còn nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu quả kinh tế Đối với một đất nước đang trong thời kỳ công nghiệp hóa hiện đại hóa như Việt Nam, cơ giới hóa hoạt động sản xuất là rất quan trọng và cần thiết.
Sinh viên chuyên ngành Kỹ Thuật Cơ Khí đang tìm hiểu những thành tựu khoa học mới để nâng cao kiến thức thực tế và đáp ứng nhu cầu của nền công nghiệp Việt Nam Nhóm em mong muốn nghiên cứu sâu hơn nhằm củng cố kiến thức đã học, từ đó phục vụ hiệu quả cho sự nghiệp công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Vì lí do đó nên nhóm chúng em đã thống nhất và đi đến quyết định chọn đề tài
Nhiệm vụ nghiên cứu
Đề tài " Thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước khoáng tự động."
• Tìm hiểu các loại nước khoáng đóng chai trên thị trường ;
• Tìm hiểu về nguyên lí hoạt động của hệ thống ;
• Thiết kế từng cơ cấu và thử nghiệm ;
• Đồng thời thiết kế mô hình trên phần mềm solidworks và mô phỏng để có số liệu cho thực tế;
• Tiềm hiểu và chọn các linh kiện cho phù hợp với mô hình ;
• Tiềm hiểu về lập trình Arduino ;
Phương pháp nghiên cứu
• Tổng hợp thông tin kiến thức về hệ thống từ các trang web kỹ thuật trên internet
• Trao đổi ý kiến với giáo viên hướng dẫn và những giáo viên có kinh nghiệm ở trường
• Thu thập kiến thức từ sách, giáo trình có liên quan
• Tìm hiểu thực tế các mô hình ở các nhà máy sản xuất.
Mục đích cần đạt được sau khi hoàn thiện đề tài
• Hoàn thành xây dựng, thiết kế , mô phỏng mô hình
• Hoàn thiện chương trình điều khiển Arduino và đưa vào vận hành hệ thống
• Hiểu được nguyên lí hoạt động và đối tượng áp dụng của cảm biến và xy lanh trong thực tế
• Nâng cao khả năng thiết kế và mô phỏng trên phần mềm Solidword Đối với cá nhân:
Là những người thực hiện đề tài, đây là cơ hội tuyệt vời để tự kiểm tra kiến thức của bản thân và nỗ lực tìm hiểu những vấn đề chưa rõ Việc này không chỉ giúp trang bị kiến thức bổ ích mà còn tạo điều kiện ứng dụng vào thực tế sau này.
• Kĩ năng làm việc theo nhóm, khả năng tìm tòi, học hỏi, phát huy năng lực quan điểm của bản thân.
Kết cấu báo cáo đồ án tốt nghiệp gồm 6 chương
Giới thiệu đề tài
Hệ thống chiết rót chai tự động được ứng dụng rộng rãi trong các ngành thực phẩm, nước uống, dược phẩm, hóa chất và dầu nhớt Sự phát triển của máy chiết rót tự động không chỉ giúp tiết kiệm chi phí nhân công đáng kể cho các nhà sản xuất mà còn nâng cao năng suất chiết đóng sản phẩm vào chai.
Hệ thống hoạt động như một dây chuyền sản xuất hoàn chỉnh, nơi các công đoạn được tự động hóa cao Con người chỉ tham gia vào việc điều khiển vận hành, quản lý đầu vào và đầu ra của quá trình sản xuất.
Tình hình nghiên cứu đề tài
Cuộc cách mạng công nghiệp lần thứ hai vào nửa cuối thế kỷ 19 đã thúc đẩy sự chuyển mình nhanh chóng của các ngành sản xuất thông qua việc áp dụng dây chuyền sản xuất, tiêu chuẩn chất lượng và tự động hóa Sự tự động hóa ngày càng tăng cường độ chính xác trong quy trình sản xuất, tạo ra những hệ thống hiệu quả hơn.
Dây chuyền sản xuất tự động hóa đang được áp dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, bao gồm chế biến thực phẩm, chế tạo cơ khí và ngành công nghiệp ô tô Đặc biệt, trong lĩnh vực sản xuất và đóng chai đồ uống, nhiều quốc gia đã phát triển các nhà máy sản xuất và đóng chai quy mô lớn.
Vào năm 1990, sự bùng nổ của ngành nước uống đóng chai đã thúc đẩy nghiên cứu và phát triển hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động.
Hình 2.1: Hệ thống chiết rót đóng nắp chai tự động của công ty VERALL
Ngành sản xuất nước đóng chai đang trải qua sự tăng trưởng mạnh mẽ nhờ vào nhu cầu tiêu thụ vượt xa sản lượng sản xuất Sự xuất hiện của nhiều công ty với quy mô khác nhau đã tạo ra một môi trường cạnh tranh khốc liệt, thúc đẩy quá trình phát triển sản xuất Đặc biệt, tự động hóa trong quy trình sản xuất đã trở thành yêu cầu thiết yếu cho mọi tập đoàn trong ngành này.
Việt Nam, với vai trò là một quốc gia đang phát triển, đang đối mặt với nhu cầu hiện đại hóa trong ngành công nghiệp, điều này rất quan trọng cho sự phát triển kinh tế và quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước.
Hình 2.2: Công nghệ Aseptic của Đức tại nhà máy của công ty Tân Hiệp Phát
Hình 2.3: Hệ thống sản xuất nước uống có gas của công ty Bidrico
Các vấn đề
Để mô hình hoạt động hiệu quả, cần chú ý đến một số vấn đề quan trọng Đầu tiên, cần xác định cách đưa chai vào hệ thống và cách giữ chai trong quá trình vận hành Tiếp theo, việc xác định lượng nước cần rót vào chai là rất cần thiết để đảm bảo chất lượng sản phẩm Bên cạnh đó, cần có cơ chế để chai dừng lại đúng vị trí khi đóng nắp và cũng như khi dán nhãn, nhằm tăng cường hiệu suất và độ chính xác trong quy trình sản xuất.
Để giải quyết vấn đề thiết kế hệ thống chiết rót, đóng nắp và dán nhãn chai nước khoáng tự động, trước tiên cần xác định nguyên lý vận hành của hệ thống và xây dựng sơ đồ khối để xác định cơ cấu vận hành cho từng khối Nhóm thực hiện cần nắm vững kiến thức về cơ khí, điện tử và Arduino, đồng thời tìm hiểu thêm tài liệu liên quan qua các trang mạng để củng cố kiến thức Mô hình hệ thống bao gồm hai phần chính: phần cứng và phần mềm, do đó cần có giải pháp cho cả hai loại này.
Giải pháp phần cứng bao gồm các thành phần thiết yếu như cơ cấu chiết rót, cơ cấu cấp nắp, cơ cấu đóng nắp, cơ cấu dán nhãn và các thiết bị hỗ trợ như băng tải và mâm xoay.
Cơ cấu chiết rót sử dụng cảm biến lưu lượng để đảm bảo lượng nước rót vào chai đúng yêu cầu Bên cạnh đó, còn có các phương pháp định lượng khác như bơm định lượng, cảm biến mức, timer và cảm biến thẩm thấu, giúp nâng cao độ chính xác trong quá trình chiết rót.
• Cơ cấu cấp nắp: Cấp nắp tự động cho chai sau khi chai đã được bơm đủ lượng nước và đến quá trình đóng nắp
• Cơ cấu đóng nắp: đóng nắp theo kiểu vặn dùng động cơ xoay và xy lanh đẩy
• Cơ cấu dán nhãn: dùng các con lăn xoay và xy lanh đẩy ép nhãn dính vào chai
• Mâm xoay, băng tải: vận chuyển chai đến các cơ cấu khác
Giải pháp phần mềm: Xây dụng lưu đồ giải thuật, lập trình code Arduino cho hệ thống
Kết cấu của hệ thống
• Hệ thống thực hiện việc chiết rót chai nước có thể tích V = 330 ml
• Độ bền cao, kết cấu vững chắc
• Thiết kế đảm bảo an toàn, thân thiện
• Băng tải có kích thước hợp lí, gọn gàng, phù hợp với không gian
• Nắp chai được vặn chặt
• Giảm thiểu tối đa sai số trong quá trình hoạt động
• Đảm bảo tính kinh tế cho hệ thống
➢Với những yêu cầu trên, nhóm đề xuất sơ đồ công nghệ của hệ thống như sau :
Hình 4.1: Sơ đồ công nghệ của hệ thống
4.1.2 Hệ thống này bao gồm
• Băng tải đầu vào: đưa chai rỗng đến vị trí mâm xoay
• Cơ cấu bơm nước: bơm nước vào chai theo đúng thể tích 330ml đã quy định
• Mâm xoay: đưa chai đến các vị trí để thực hiện các chức năng bơm nước, cấp nắp, đóng nắp và vặn nắp
• Băng tải đầu ra: đưa chai đã được vặn nắp đến vị trí dán nhãn
• Cơ cấu dán nhãn chai: dán nhãn vào chai đã đóng nắp.
Các cơ cấu cơ khí của hệ thống
Mâm xoay đóng vai trò quan trọng trong việc đưa chai rỗng đến các vị trí bơm nước, đóng nắp và vặn nắp chai Có nhiều phương án thiết kế khác nhau cho mâm xoay, nhưng nhóm đã lựa chọn mâm xoay 2 tầng với 4 lỗ đựng chai vì những lý do cụ thể.
• Mâm xoay có 2 tầng giúp cố định phía trên và dưới của chai, giúp chai không dễ bị nghiêng đổ lúc di chuyển
• Đảm bảo số lượng vị trí dừng cho các cơ cấu hoạt động một cách hiệu quả
• Kích thước nhỏ gọn, dễ lắp ráp và chế tạo
Trong nghiên cứu này, đối tượng được khảo sát là chai nước 330 ml với đường kính 60 mm Thiết kế lỗ đựng chai được chọn có kích thước 64 mm, trong khi kích thước toàn bộ mõm xoay là 420 mm.
3 Thanh cố định khung đỡ chai
5 Trục nối tấm xoay trên và xoay dưới
7 Trục nối động cơ với mâm xoay
9 Thanh dẫn chai ra băng tải 2
❖ Sau khi có tín hiệu báo từ cảm biến, mâm xoay sẽ tiến hành xoay 1/4 vòng
(90 độ) và dừng cố định tại các vị trí I, II, III, IV
• Vị trí I: Vị trí tiếp nhận vỏ chai rỗng và bơm nước
• Vị trí II: Cấp nắp
• Vị trí III: Đóng nắp
• Vị trí IV: Sau khi đóng nắp từ vị trí III qua, chai được được đưa vào băng tải tiếp theo để đến công đoạn dán nhãn
Tính và chọn động cơ cho mâm xoay
Cơ cấu sử dụng động cơ bước mang lại độ chính xác cao hơn so với động cơ giảm tốc, với moment xoắn đủ để đáp ứng yêu cầu Để tăng cường độ chính xác điều khiển, có thể kết hợp sử dụng công tắc hành trình và phương pháp hãm động năng cho động cơ Động cơ được kết nối trực tiếp với mâm xoay qua nối trục, không cần bộ truyền, vì đã đảm bảo moment cho mâm xoay, và phương pháp hãm được thực hiện thông qua cách đấu nối Relay.
Thiết kế trên yêu cầu mâm xoay phải chịu tải trọng tối đa của 4 chai nước (tương đương Fmax = 13N) Moment quán tính tạo ra bởi Fmax:
Khi chọn hệ số an toàn k = 1.5, động cơ cần có moment định mức lớn hơn 1Nm Để đảm bảo điều khiển chính xác và tải ổn định, nên lựa chọn động cơ có tốc độ chậm hơn và moment lớn hơn nhiều so với yêu cầu Do đó, nhóm đã quyết định chọn động cơ bước 17HS8401.
Hình 4.3: Động cơ bước 17HS8401 (Nguồn Internet)
14 Điện áp định mức 12V DC
Dòng điện định mức 1.2A
Momen xoắn định mức 4Nm
Quán tính 57g-cm2 Điện áp phù hợp 6VDC - 12VDC
Kích thước động cơ 42x42x38
Bảng 4.1: Thông số kỹ thuật động cơ bước 17HS8401
Có nhiều phương án thiết kế cơ cấu bơm nước, bao gồm số lượng bơm và vị trí đặt bơm như trên băng tải hay trên mâm xoay Đối với quy mô đồ án, nhóm đã chọn phương án sử dụng một bơm đặt trên mâm xoay và sau đó lắp nắp lại Phương án này mang lại nhiều ưu điểm.
• Đồng bộ thời gian với cơ cấu đóng nắp, vặn nắp
• Tránh dừng băng tải nhiều lần làm giảm tuổi thọ động cơ
Hình 4.4: Sơ đồ khối của bơm nước
Cơ cấu bơm nước bao gồm
• Cảm biến tiệm quang nhận biết chai để chiết rót
• Cảm biến từ nhận biết vị trí đưa chai vào đĩa xoay
Tính chọn động cơ bơm nước
Trong các hệ thống chiết rót quy mô công nghiệp, động cơ bơm nước xoay chiều AC thường được ưa chuộng nhờ công suất lớn, tuổi thọ cao và khả năng hoạt động liên tục Ngược lại, đối với các dự án quy mô nhỏ, động cơ bơm nước một chiều DC là lựa chọn ưu tiên do kích thước nhỏ gọn, tiết kiệm năng lượng và chi phí thấp.
Dựa trên yêu cầu bơm đầy nước trong chai 330 mm trong thời gian 20 giây, tốc độ bơm của động cơ cần đạt 1 lít/phút Nhóm đã quyết định lựa chọn động cơ bơm nước P385 với các thông số kỹ thuật phù hợp.
Hình 4.5: Động cơ bơm nước P385 (Nguồn Internet)
Loại động cơ DC 385 Điện áp sử dụng 6-12VDC
Dòng điện sử dụng 0,5-0.7A
Lưu lượng bơm tối đa 1-2l/phút
Bảng 4.2: Thông số kỹ thuật động cơ bơm nước P385
Chọn cảm biến lưu lượng là bước quan trọng để đảm bảo lượng nước được bơm vào một cách đồng đều Nhóm quyết định sử dụng cảm biến đo lưu lượng nước chảy S201 để đạt được hiệu quả tối ưu trong quá trình vận hành.
Hình 4.6: Cảm biến lưu lượng nước (Nguồn Internet)
Thông số kỹ thuật của cảm biến
• Điện áp hoạt động từ 5 – 24 VDC • Nhiệt độ hoạt động < 120°C
• Dòng tiêu thụ
