2 Doanh thu thị trường nước đóng chai ở Việt Nam qua các năm Nguồn: Statista Trong những nhà máy sản xuất nước uống đóng chai thì hệ thống dây chuyền chiết rót, đóng nắp là một trong nh
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
Tổng quan về hệ thống chiết rót và đóng nắp chai hiện nay
2.1.1 Giới thiệu hệ thống chiết rót
Chiết rót chất lỏng là lấy một phần nhất định sản phẩm lỏng cho vào trong các loại bao bì hoặc chai lọ Chiết rót sản phẩm lỏng bằng hệ thống dây chuyền máy móc hiện đại được sử dụng rộng rãi trong các ngành: thực phẩm, mỹ phẩm, hóa chất,… Phương pháp này được áp dụng khi mà việc chiết rót bằng tay theo cách truyền thống không thể đảm bảo được độ chính xác, vệ sinh an toàn cũng như không thể đảm bảo về năng suất Vì vậy, thiết bị máy chiết rót chất lỏng ra đời để giải quyết triệt để các vấn đề này
Hình 2 1 Máy chiết rót nước ngọt
2.1.2 Giới thiệu hệ thống đóng nắp
Hệ thống đóng nắp chai tự động là hệ thống được vận hành bởi các loại máy móc đóng nắp chai tạo thành một dây chuyền để tiến hành làm việc Máy đóng nắp chai là một thiết bị được sử dụng để đóng/dập hay siết chặt nút chai bảo quản sản phẩm bên trong khỏi những tác động của môi trường bên ngoài Đây là một thiết bị quan trọng trong dây chuyền đóng gói sản phẩm để đưa sản phẩm đến tay người dùng
Hiện nay, hầu hết ở các doanh nghiệp thì công đoạn này được thay thế bằng máy móc thay vì làm thủ công
7 Cấu tạo của hệ thống đóng nắp chai cũng hết sức đơn giản gồm 4 phần:
- Bộ phận cung cấp nắp chai
- Bộ phận đóng/xiết nắp chai
Hình 2 2 Máy siết nắp chai thủy tinh
Chiết rót và đóng nắp chai là hệ thống máy đang rất được nhiều người sản xuất lựa chọn vì nhu cầu của người tiêu dùng đang hướng tới dòng sản phẩm đóng chai để đảm bảo đủ độ vệ sinh và an toàn, tiện lợi khi sử dụng Lợi thế của hệ thống này là sự kết hợp tuyệt hảo của quá trình chiết rót, lấy nắp và đóng nắp chai để tạo thành chu trình hoàn hảo và nhanh chóng cho cơ sở sản xuất Dây chuyền chiết rót đóng nắp chai tự động bao gồm các khâu súc rửa, chiết rót, đóng nắp chai, sử dụng cho các loại chai nhựa, thủy tinh và chủ yếu để chiết rót các loại đồ uống, gia vị dạng lỏng,… (nước khoáng, rượu vang, nước mắm,…) Đây là dòng sản phẩm lý tưởng cho các nhà sản xuất nhỏ lẻ hoặc các nhà máy ngành công nghiệp, thực phẩm Ưu điểm:
- Tích hợp trong một tổng thể máy 2 chức năng cơ bản cần thiết cho dây chuyền, vừa có thể vận hành chung vừa có thể tách ra hoạt động độc lập
- Dây chuyền khép kín trong quá trình vận hành nên thời gian tiếp xúc giữa nguyên liệu và môi trường bên ngoài được giảm xuống một cách tối đa; đảm bảo nguyên liệu không bị nhiễm bụi bẩn hay vi khuẩn gây hại Ngoài ra, tùy theo nhu cầu sản xuất của mỗi cơ sở, dây chuyền này có thể kết hợp với máy hơ màng co, máy phóng dãn và các loại máy khác
- Máy vận hành ổn định, bền và đáng tin cậy
- Máy được trang bị thêm một thiết bị cho tình trạng quá tải, có thể bảo vệ máy và điều hành an toàn hơn.
Hệ thống chiết rót, đóng nắp liên quan đến đền tài thực hiện
Ứng dụng của hệ thống chiết rót và đóng nắp chai tự động:
- Ngành thực phẩm: Máy thích hợp để chiết rót các sản phẩm dạng lỏng, sánh như nước chấm, dầu đậu phộng, dầu ăn, nước cốt dừa, gia vị dầu hào, xì dầu, nước mắm, nước tương, cháo dinh dưỡng trẻ em, sữa tươi, sữa chua, mật ong (với máy trộn- mixer),…
- Ngành nước uống, bia rượu và nước giải khát: đóng chai nước tinh khiết, rượu, bia, nước uống không có ga, nước ép hoa quả, trà sữa, trà xanh và đồ uống có gas
- Ngành công nghiệp hóa chất: dầu bôi trơn, dầu máy, hóa chất tẩy rửa, bình xịt sơn, hóa chất, keo, silicone, sơn nước,…
- Ngành mỹ phẩm: chai dầu gội đầu, sữa tắm, sữa rửa mặt, kem đánh răng, nước hoa,…
- Ngành dược phẩm và y tế: chai dịch, chai nước cất, thuốc nhỏ mắt, xịt mũi, chai thuốc dạng xịt, gel, ống thuốc dạng lỏng,…[10]
Và nhiều ngành nghề khác cũng cần sử dụng đến
Hình 2 3 Hệ thống chiết rót đóng nắp tự động chuyên nghiệp
2.3 Một số máy chiết rót trên thị trường hiện nay
2.3.1 Máy chiết rót bằng bánh răng
Hệ thống chiết rót bằng đầu bơm rotary (bơm bánh răng) và điều khiển bởi motor AC với biến tần mang lại nhiều ưu điểm và tiện ích trong quá trình chiết rót sản phẩm Dưới đây là một số điểm ưu điểm về hệ thống này:
- Rót mềm mại và điều chỉnh lưu lượng dễ dàng: Sử dụng motor AC với biến tần giúp điều khiển tốc độ và lưu lượng của bơm một cách linh hoạt
- Hạn chế tạo bọt: Hệ thống bơm bánh răng thường có khả năng hạn chế tối đa việc tạo bọt trong quá trình chiết rót
- Dung tích chiết rót đa dạng: Dung tích chiết rót của máy chiết bơm bánh răng có thể được điều chỉnh từ khoảng 250ml đến 5000ml, giúp bạn linh hoạt trong việc đáp ứng các yêu cầu sản xuất khác nhau
- Vòi ngâm không làm tràn: Loại vòi ngâm được sử dụng thường không làm tràn chất lỏng lên chai và băng tải, đảm bảo quá trình chiết rót sạch sẽ và hiệu quả
- Bảo vệ toàn diện cho hệ thống: Hệ thống bơm và động cơ băng tải thường được bảo vệ một cách toàn diện để đảm bảo rằng sự sụt áp hoặc các sự cố khác không ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động trong quá trình vận hành
Hình 2 4 Máy chiết rót bằng bơm bánh răng
2.3.2 Máy chiết rót bằng bơm trục vít
Máy chiết rót bằng bơm trục vít (hay còn gọi là máy chiết rót tự động 8 đầu bơm trục vít) là một thiết bị phổ biến trong ngành sản xuất dầu nhớt và các loại dầu thủy lực khác
Dưới đây là một số điểm ưu điểm về hệ thống này:
- Chiết rót chính xác: Bơm trục vít có khả năng chiết rót chính xác và ổn định, giúp đảm bảo rằng lượng dầu được đóng gói vào chai luôn đạt đúng quy định
- Thích hợp cho dầu nhớt và dầu thủy lực: Bơm trục vít thường được thiết kế để làm việc với các chất lỏng có độ nhớt cao như dầu nhớt và dầu thủy lực
- Tích hợp đầu chiết nắp: Máy chiết rót bằng bơm trục vít thường được thiết kế với đầu chiết nắp tích hợp, giúp tự động hóa toàn bộ quy trình chiết rót và đóng nắp một cách liền mạch và hiệu quả
- Tự động hóa và tăng năng suất: Máy chiết rót tự động 8 đầu bơm trục vít giúp tăng năng suất sản xuất bằng cách chiết rót đồng thời trên nhiều chai, tiết kiệm thời gian và công sức lao động
- Bảo quản và vệ sinh tốt: Thiết kế bơm trục vít thường không tạo nhiều bọt khí hoặc sự cản trở trong quá trình chiết rót, giúp bảo quản sản phẩm tốt hơn
Hình 2 5 Máy chiết rót bằng bơm trục vít
2.3.3 Máy chiết rót kiểu đối lưu
Máy chiết rót kiểu đối lưu (đẳng áp) là một giải pháp hiệu quả trong việc chiết rót ước khoáng, nước ép trái cây và các chất lỏng có tính chất tương tự
Dưới đây là một số điểm ưu điểm về hệ thống này:
- Đẳng áp đảm bảo chất lượng: Máy chiết rót kiểu đối lưu hoạt động dựa trên nguyên tắc giữ cho áp suất trong chai và áp suất ngoài cân bằng
Các phương pháp định lượng nước
2.4.1 Định lượng bởi bình định lượng
Nước được định lượng sẵn chuẩn xác bởi bình định mức ban đầu rồi sau đó mới chiết rót vào chai
Hình 2 8 Nguyên lý hoạt động của bình định lượng
- Cấu trúc của phương pháp tương đối đơn giản
- Không đòi hỏi thiết bị phụ trợ và dễ dàng sử dụng
- Dễ dàng thay đổi thể tích dung dịch bơm vào chai
- Không thích hợp với các yêu cầu đòi hỏi độ chính xác định lượng cao
- Độ chính xác thể tích của vỏ chai cũng có thể ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của lưu lượng rót
Là phương pháp dùng bộ đếm thời gian của các loại vi xử lý để xác định thời gian cần thiết đề bơm đúng lượng nước định trước
Hình 2 9 Hình ảnh timer minh hoạ
- Phương pháp không cần phải thêm phần cứng ngoài
- Dễ dàng thay đổi dung tích bơm theo thời gian
- Có thể lưu trữ được giá trị để tiến hành theo dõi giám sát
- Cần phải thí nghiệm cẩn thận trước khi đưa vào chạy thực tế
- Không thể kiểm tra được độ chính xác khi chạy thực tế nếu không kết hợp thêm phần cứng ngoài
2.4.3 Định lượng bằng bơm piston
Bơm piston hoạt động bằng cách sử dụng một buồng bơm có hình dạng xylanh và thay đổi thể tích của buồng bơm thông qua chuyển động tiến tới của piston trong lòng xylanh Lưu lượng của bơm có thể điều chỉnh được nhờ sự thay đổi độ dài hành trình của piston
Hình 2 10 Phương pháp định lượng bơm định lượng bằng piston
- Định lượng chính xác dung tích chất lỏng cần bơm
- Dễ dàng thay đổi thể tích chất lỏng bơm vào chai
- Lưu lượng nước bơm vào chai rất mạnh, giảm thời gian của quá trình bơm
- Kết cấu cơ khí khá lớn
2.4.4 Định lượng bằng cảm biến lưu lượng
Khi nước chảy qua van, nước làm quay roto, lưu lượng nước lớn hay nhỏ sẽ làm thay đổi tốc độ của roto, điều này được quan sát bằng tín hiệu dạng xung ở đầu ra của cảm biến từ Hall
Hình 2 11 Nguyên lý hoạt động của cảm biến
- Định lượng chính xác dung tích chất lỏng cần bơm
- Dễ dàng thay đổi thể tích chất lỏng bơm vào chai
- Cần lắp thêm cảm biến trên đường bơm nước
- Giải quyết vấn đề nhiễu cảm biến nếu có Đánh giá : Với một hệ thống có quy mô nhỏ và yêu cầu về độ sai số không quá khắt khe thì phương pháp định lượng cảm biến lưu lượng là sự lựa chọn của nhóm Sự sai số về mặt thiết bị có thể hạn chế bằng thí nghiệm và ước lượng để giảm chi phí thi công.
Các phương pháp đóng nắp
Máy đóng nắp chai tự động, máy dập nắp chai là dòng máy không thể thiếu trong khâu đóng gói sản phẩm tại các nhà máy sản xuất dược phẩm, mỹ phẩm, thực phẩm… Đặc biệt đối với những nhà máy sản xuất công suất lớn thì vai trò của loại thiết bị này lại càng quan trọng Máy hoạt động theo dây chuyền tự động nên ít sử dụng sức người, năng suất lao động, độ chính xác cao, tiết kiệm được chi phí sản xuất Ưu điểm của việc sử dụng máy đóng nắp chai tự động:
- Tăng năng suất: Máy đóng chai tự động có thể xử lý một lượng lớn chai trong thời gian ngắn, giúp tăng năng suất lao động
- Độ chính xác cao: Đảm bảo mỗi chai đều được đóng nắp chính xác và đồng đều, giảm thiểu sai sót do con người gây ra
- Tiết kiệm chi phí nhân công: Giảm thiểu nhu cầu thuê nhân công, do đó tiết kiệm chi phí nhân công và các chi phí liên quan đến tiền lương, bảo hiểm, và phúc lợi
- Tính nhất quán: Đảm bảo sự nhất quán trong quá trình đóng nắp chai, do đó duy trì chất lượng chai đồng đều
- Bảo vệ sản phẩm: Đóng nắp tự động giúp bảo vệ sản phẩm khỏi hư hỏng, tăng khả năng sử dụng và duy trì chất lượng
- Tính linh hoạt: Nhiều loại máy đóng nắp bán tự động có thể điều chỉnh để phù hợp với nhiều loại chai và nắp khác nhau, giúp tăng cường tính linh hoạt trong công việc
- Bảo vệ sản phẩm: Đóng nắp chắc chắn giúp bảo vệ sản phẩm khỏi ô nhiễm, kéo dài thời gian lưu trữ và duy trì chất lượng
- An toàn lao động: Hạn chế nguy cơ tai nạn lao động liên quan đến việc đóng nắp thủ công
Thường có 2 cách thức đóng nắp trong cơ chế đóng nắp:
- Cơ chế siết nắp là sử dụng tay siết xoay tròn để xoáy nắp chai vào thân chai thay thế cho siết nắp bằng thay thủ công
- Cơ chế đóng – dập nắp là sử dụng lực ép thuỷ lực để dập nắp cố định vào thân chai
Chức năng của con lăn vặn nắp
- Hỗ trợ vặn nắp : Con lăn vặn nắp giúp tăng lực vặn và giữ nắp chắc chắn trong quá trình đóng nắp
- Giảm ma sát: Con lăn làm giảm ma sát giữa nắp và chai, giúp việc vặn nắp dễ dàng hơn và ít tốn sức lực
Cấu tạo của con lăn vặn nắp
- Trục lăn: Phần chính của con lăn, thường được làm từ kim loại hoặc nhựa cứng, giúp chuyển động mượt mà
- Vòng bi : Giúp con lăn quay trơn tru, giảm thiểu ma sát và tăng độ bền
- Khung giữ: Cố định con lăn và trục lăn vào đúng vị trí, đảm bảo sự ổn định trong quá trình vặn nắp
Ứng dụng của con lăn vặn nắp
- Dây chuyền sản xuất tự động : Con lăn vặn nắp thường được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động, giúp tăng năng suất và độ chính xác
- Máy đóng nắp thủ công: Có thể được tích hợp vào các máy đóng nắp thủ công để hỗ trợ người vận hành
- Tăng hiệu quả: Giúp vặn nắp nhanh chóng và chính xác hơn.-
- Giảm công sức: Người dùng không cần dùng quá nhiều lực để vặn nắp
- Bảo vệ sản phẩm: Đảm bảo nắp được vặn chặt, bảo vệ sản phẩm bên trong khỏi bị rò rỉ hoặc nhiễm bẩn
Hình 2 12 Máy đóng nắp con lăn vặn nắp
Con lăn vặn nắp là một bộ phận quan trọng trong quá trình đóng nắp chai lọ, đặc biệt là trong các dây chuyền sản xuất hiện đại Với những ưu điểm vượt trội như tăng hiệu quả, giảm công sức và bảo vệ sản phẩm, con lăn vặn nắp đóng góp quan trọng vào việc nâng cao chất lượng sản phẩm và hiệu suất sản xuất
Chứ năng của con múm vặn nắp
- Tăng ma sát: Giúp tăng ma sát giữa nắp và tay hoặc dụng cụ vặn, giúp việc vặn nắp dễ dàng hơn
- Giảm trơn trượt: Giảm thiểu tình trạng trơn trượt khi vặn nắp, đảm bảo nắp được vặn chặt và đúng cách
- Hỗ trợ lực vặn: Giúp người dùng hoặc máy móc dễ dàng truyền lực vặnlên nắp, đặc biệt quan trọng khi nắp và cổ chai có ren khít chặt
Cấu tạo của con múm vặn nắp
- Vật liệu: Thường được làm từ cao su, silicone hoặc nhựa cứng để tạo độ bám tốt và độ bền cao
- Hình dạng: Thường có các gờ hoặc bề mặt không đồng đều để tăng độ ma sát và khả năng cầm nắm
- Kích thước: Được thiết kế để vừa vặn với kích thước của nắp chai, đảm bảo sự khớp nối tốt
Ứng dụng của con múm vặn nắp
- Dây chuyền sản xuất: Được sử dụng trong các dây chuyền sản xuất tự động để tăng tốc độ và độ chính xác khi vặn nắp
- Sử dụng thủ công: Giúp người vận hành dễ dàng vặn và tháo nắp bằng tay, đặc biệt hữu ích trong các ngành công nghiệp thực phẩm, dược phẩm và mỹ phẩm
- Hiệu quả cao: Tăng cường hiệu quả của quá trình vặn nắp, giúp tiết kiệm thời gian và công sức
- An toàn: Giảm nguy cơ nắp bị vặn không đúng cách hoặc bị rò rỉ, bảo vệ chất lượng sản phẩm bên trong
- Độ bền: Được làm từ vật liệu bền bỉ, đảm bảo tuổi thọ dài và sử dụng liên tục trong môi trường công nghiệp
Hình 2 13 Máy con núm vặn nắp
Con múm vặn nắp là một phụ kiện quan trọng trong quá trình đóng nắp chai, giúp tăng cường hiệu quả và độ an toàn của quá trình này Với thiết kế đặc biệt để tăng độ ma sát và hỗ trợ lực vặn, con múm vặn nắp đóng vai trò không thể thiếu trong việc đảm bảo sự kín khít và bảo quản chất lượng sản phẩm.
Băng tải
Băng tải là thiết bị chuyên dùng cho vận chuyển với tính chất bền bỉ, được sử dụng trong phân phối hàng hóa và kho bãi tự động, cũng như các nhà máy sản xuất Kết hợp với hệ thống pallet, băng tải giúp tăng hiệu trong quá trình sản xuất Đây được coi là một hệ thống tiết kiệm nguồn lực về nhân công sức người, cho phép khối lượng lớn vật liệu di chuyển nhanh chóng trong quá trình sản xuất, giúp các công ty vận chuyển hoặc nhận hàng với khối lượng lớn hơn trong không gian lưu trữ nhỏ hơn và chi phí lao động thấp hơn so với việc thuê nhân công
- Động cơ giảm tốc cho trục vít và một bộ kiểm soát tốc độ
- Hệ thống khung đỡ băng tải
- Hệ thống dây băng hoặc con lăn
- Bộ con lăn, bộ truyền lực chủ động
Hình 2 14 Hình ảnh cấu tạo của băng tải
2.6.2 Một số loại băng tải phổ biến hiện nay
2.6.3 Tính toán giá trị moment cho động cơ kéo băng tải
𝐹 𝐴 - Ngoại lực tác động lên băng tải (N)
𝑚 - Tổng khối lượng dây belt và phôi (kg) μ - Hệ số ma sát
∅ - Góc nghiêng của băng tải với mặt phảng ngang (rad)
𝑆 𝑓 - Hệ số an toàn η – Hiệu suất con lăn và băng tải
+ Tốc độ quay của đầu ra trục hộp số: 𝑁 𝐺 = 𝑉∙60
𝜋∙𝐷 (𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄ ) (2.1) Trong đó : V - vận tốc băng tải theo yêu cầu (𝑚𝑚 𝑠⁄ )
D - Đường kính con lăn (mm)
𝑁 𝐺 (2.2) Trong đó: 𝑉 đ𝑐 - Vận tốc động cơ (𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄ )
𝑁 𝐺 - Tốc độ quay của đầu ra trục hộp số (𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄ )
+ Lực ma sát trên mặt trượt: 𝐹 = 𝐹 𝐴 + 𝑚 ∙ 𝑔(sin(∅) + μ ∙ cos(∅)) (N) (2.3)
Trong đó: 𝐹 𝐴 - Ngoại lực tác động lên băng tải (N)
𝑚 - Tổng khối lượng dây belt và phôi (kg) μ - Hệ số ma sát (0.3 ~ 0.5)
∅ - Góc nghiêng của băng tải với mặt phảng ngang (rad)
Trong đó: 𝑆 𝑓 - Hệ số an toàn (1.5 ~ 2.0)
𝐹 - Lực ma sát trên mặt trượt (N)
D - Đường kính con lăn (m) η - Hiệu suất con lăn và băng tải (0.8 ~ 0.9)
Xi lanh khí nén
Xi lanh khí nén là một thiết bị cơ học bằng việc sử dụng sức mạnh của khí nén để tạo ra lực cung cấp cho các chuyển động Năng lượng sẽ được chuyển hóa từ khí nén thành
23 động năng và tác dụng lên piston của xi lanh khiến nó chuyển động theo hướng mong muốn
Xi lanh khí nén là dạng cơ cấu vận hành có chức năng biến đổi năng lượng tích lũy trong khí nén thành động năng cung cấp cho các chuyển động
Xi lanh khí nn hay còn được gọi là pen khí nén là các thiết bị cơ học tạo ra lực, thường kết hợp với chuyển động, và được cung cấp bởi khí nén (lấy từ máy nén khí thông thường)
Xi lanh khí nén được phân ra làm 2 loại chủ yếu:
- Xi lanh khí nén 1 chiều: hay còn gọi là xi lanh khí nén tác động đơn Loại xi lanh khí nén này sử dụng khí nén để dịch chuyển piston theo một hướng chuyển động nhất định Piston trở về vị trí ban đầu nhờ lực tác động của lò xò hoặc một lực đẩy từ bên ngoài
- Xi lanh khí nén 2 chiều: hay còn gọi là xi lanh khí nén tác động kép Đây là loại xi lanh khí nén có cơ cấu dẫn động ở cả 2 đầu Xi lanh khí nén 2 chiều sử dụng lực đẩy của khí nén để tác động đẩy ra và rút lại
Một số loại xi lanh khí nén phổ biến khác:
- Xi lanh khí nén dạng xoay
- Xi lanh khí nén dạng trượt (xi lanh trượt khí nén)
- Xi lanh điện khí nén
- Xi lanh khí nén kẹp
- Xi lanh khí nén vuông
Hình 2 15 Hình ảnh các xilanh
Cấu tạo của xilanh khí nén bao gồm các thành phần: Thân trụ(Barrel), piston và trục piston (piston rod), cổng khí vào (cap-end port), cổng khí ra (rod- end port)
Hình 2 16 Hình ảnh cấu tạo xilanh
Cylinder Stroke (hành trình xa nhất mà piston rod có thể di chuyển): được thiết kế tùy biến theo nhà sản xuất Đơn vị khoảng 5mm, bạn có thể yêu cầu nhà sản xuất thay đổi lưu lượng chạy tùy ý yêu cầu Thông thường có 20; 25; 30 thì thể sử dụng loại 25 rồi đặt sensor hoặc có thể lắp stopper để đảm bảo stroke yêu cầu và ngược lại vì vậy nên thiết kế chạy theo lượng phù hợp với tiêu chuẩn của sản xuất
2.7.4 Tính toán lựa chọn xilanh khí nén
- Xilanh khí nén có hai kiểu tác động là đơn và kép, vậy nên tùy thuộc vào mục đích ứng dụng để lựa chọn ra xilanh phù hợp nhất
- Khi chọn xilanh nên lưu ý đến hành trình, áp lực khí, đường kính và thời gian hành trình, tải trọng, áp lực khí nén giữa xilanh và hệ thống
Công thức tính lực Xilanh: 𝐹 = 𝑃 𝐴 (2.5) Trong đó: F - lực đẩy của Xilanh (N)
P - áp suất khí nén cung cấp vào PA(kg/𝑐𝑚2)
Vận tốc khi piston tác động: 𝑉 =1,000,000∙𝑄
60∙𝐴 (2.6) Trong đó: V - Vận tốc khi piston tác động (𝑚𝑚
Q - Lưu lượng khí nén cung cấp (𝐿
Van điện từ khí nén
Van điện từ khí nén (solenoid valve) là loại kiểm soát lưu lượng, tốc độ và áp suất không khí đi qua hệ thống ống dẫn khí Van hoạt động dựa trên các cuộn hút điện từ (còn gọi là coil van điện từ) cuộn hút này có chức năng kích hoạt và điều khiển trạng thái van hoạt động
Hiện nay loại van được phổ biến sử dụng là loại van 5/2 và cũng có khá nhiều tên gọi khác nhau như van điện từ 5/2, van solenoid 5/2, van điện từ 5 của 2 vị trí là loại van dùng để điều khiển xylanh khí nén (tác động kép hay còn gọi là xylanh 2 chiều)
Hình 2 17 Sơ đồ nguyên lý van điện khí nén 5/2
26 Loại van này thường có thông số áp suất từ 1,5 – 8kg/𝑐𝑚2 (loại sử dụng piston thép áp suất có thể cao hơn lên đến 10kg/𝑐𝑚2)
Van có 2 trạng thái: chỉ điều khiển xylanh dịch chuyển qua lại 2 trạng thái đó là trạng thái đi hết hành trình và trạng thái về hết hành trình
Van có 5 cổng gồm: cổng cấp áp suất khí vào, đây là cổng chúng ta cấp áp suất từ máy nén khí vào, có kí hiệu (P) hoặc (1)… (Tuỳ thuộc vào ký hiệu riêng của các hãng sản xuất), cổng này thường nằm ở vị trí giữa 2 cổng xả (R) hoặc (5) và (S) hoặc (2) ( hình bên dưới)
Van điện từ 5/2 hoạt động dựa theo nguyên lý đơn giản khi cấp điện vào vào đầu coil van điện từ piston sẽ chuyển động và mở lỗ cấp khí ra, lúc này lượng khí sẽ được đi vào van và đi các hệ thống sử dụng khí nén Khi ngắt nguồn điện piston sẽ quay về vị trí ban đầu nhờ vào lực đàn hồi của lò xo nằm trong van và chặn lỗ khí, lúc này van đóng, lỗ thoát khí mở ra, các lượng khí nén được đưa ra bên ngoài
Van điện từ 5/2 ở trạng thái bình thường sẽ là lỗ 1 thông lỗ 2, lỗ 4 thông với lỗ 5 Khi cấp điện và khí nén đi vào van lỗ 1 sẽ thông với lỗ 4, lỗ 2 thông với lỗ 3 và lỗ 5 bị chặn lại Điện áp làm việc: DC 12V; DC 24V; AC 110V; AC 220V…
Hình 2 18 Van điện từ khí nén Airtac
Động cơ bước
2.9.1 Giới thiệu động cơ bước Động cơ bước (stepper motor) là động cơ không chổi than, là một động cơ đồng bộ dùng để biến đổi các tín hiệu điều khiển dưới dạng các xung điện rời rạc kế tiếp nhau thành các chuyển động góc quay phụ thuộc vào số lượng xung cấp vào động cơ Loại động cơ này có nhiều cuộn dây bên trong được sắp xếp theo từng nhóm gọi là “pha” Bằng cách cung cấp năng lượng (nguồn điện) cho từng pha theo từng giai đoạn riêng biệt, động cơ sẽ quay từng bước một Động cơ này được điều khiển rất chính xác về vị trí và tốc độ, chính vì đặc điểm này, nên động cơ bước được lựa chọn trong nhiều ứng dụng cần đến việc điều khiển chính xác
[3] Nguyên lý hoạt động: Step motor di chuyển theo từng bước một, nhờ vậy nó có độ chính xác cao về mặt điều khiển học Động cơ bước hoạt động dựa trên các bộ chuyển mạch điện tử nó đưa các tín hiệu của lệnh điều khiển chạy vào stator theo thứ tự lần lượt và một tần số nhất định Tổng số góc quay của từng con rotor tương ứng với tổng số lần mà động cơ được chuyển mạch Đồng thời, chiều quay và tốc độ quay của con rotor còn phụ thuộc vào số thứ tự chuyển đổi cũng như tần số chuyển đổi của nó
Hình 2 19 Nguyên lý hoạt động động cơ bước
- Động cơ bước biến từ trở
- Động cơ bước nam châm vĩnh cửu
- Động cơ bước hỗn hợp
2.9.4 Phương pháp điều khiển động cơ bước
- Điều khiển dạng sóng (Wave): là phương pháp điều khiển cấp xung điều khiển lần lượt theo thứ tự chọn từng cuộn dây pha
- Điều khiển bước đủ (Full step): là phương pháp điều khiển cấp xung đồng thời cho 2 cuộn dây pha kế tiếp nhau
- Điều khiển nửa bước (Half step ): là phương pháp điều khiển được kết hợp cả 2 phương pháp điều khiển dạng sóng và điều khiển bước đủ Khi điều khiển theo phương pháp này thì giá trị góc bước nhỏ hơn 2 lần tương ứng số bước của động cơ bước tăng lên
2 lần so với phương pháp điều khiển bước đủ tuy nhiên phương pháp này có nhược điểm cần bộ phát xung điều khiển phức tạp
- Điều khiển vi bước (Microstep): là phương pháp mới được áp dụng trong việc điều khiển động cơ bước cho phép động cơ bước dừng và định vị tại vị trí nửa bước giữa 2 bước đủ Ưu điểm của phương pháp này là động cơ có thể hoạt động với góc bước nhỏ, độ chính xác cao Do xung cấp có dạng sóng nên động cơ hoạt động êm hơn, hạn chế được vấn đề cộng hưởng khi động cơ hoạt động
2.9.5 Tính toán lựa chọn động cơ bước
Nếu trong t (giây) ta thực hiện n lần dịch bước (mỗi lần chúng ta dịch 1 bước) thì ta có tần số dịch bước 𝒇 = 𝒏
Và mỗi lần dịch một bước tương ứng ∅° thì ta cần dịch 𝟑𝟔𝟎
⁄∅ bước để động cơ quay được 1 vòng
Từ đó ta có vận tốc trung bình của động cơ bước trong thời gian t giây là:
𝑟 ∙ 𝑣 2 (N) (2.9) Trong đó: m - Tổng khối lượng tải và mâm xoay(kg) r - Bán kính mâm xoay (m) v - Vận tốc mâm xoay (𝑟𝑒𝑣
𝑀 = 𝐹 𝑟 (𝑁 𝑚) (2.10) Trong đó: 𝐹 - Lực kéo (N) r - Bán kính mâm xoay (m)
Bộ điều khiển động cơ bước
2.10.1 Giới thiệu về bộ điều khiển động cơ bước
Microstep driver là bộ điều khiển dành cho động cơ bước được sử dụng nhằm tăng độ chính xác và độ phân phải cho động cơ bước Động cơ bước được điều khiển bằng cách đưa tín hiệu xung vào các đầu cuộn dây của động cơ, động cơ sẽ xoay một góc nhất định theo thông số cài đặt trước tùy vào số lượng xung được cấp vào các đầu dây của động cơ Việc sử dụng tín hiệu xung gây ra nhược điểm sự nhảy bước trong quá trình điều khiển động cơ dẫn đến giảm độ chính xác trong quá trình điều khiển
Với Microstep driver sử dụng một chuỗi tín hiệu xung để điều khiển động cơ bước Khi nhận chuỗi tín hiệu xung, động cơ bước sẽ quay một góc rất nhỏ, thường được chọn 1
⁄32 của góc xoay động cơ bước thường Điều này giúp tăng độ chính xác và độ phân giải của động cơ sẽ giảm thiểu hiện tượng mất bước
- Khối nguồn: Sử dụng nguồn 12 ~ 24VDC để cấp cho động cơ
- Khối thiết lập chế độ: người dùng sử dụng các switch để thiết lập các chế độ điều khiển dành cho động cơ như: dòng điện cấp vào động cơ, điều chỉnh chế độ vi bước cho động cơ
- Khối cách li: cách li tín hiệu điều khiển với mạch động lực của động cơ
- Khối tín hiệu điều khiển: gồm 6 chân lần lượt là:“ Enable+” , “Enable-” là chân tín hiệu cho phép module được kích hoạt hay không kích hoạt.“ Pulse+” , “Pulse-” là chân cấp tín hiệu xung điều khiển động cơ bước.“ Dir+” , “Dir-” là chân tín hiệu điều khiển chiều quay của động cơ
- Khối động cơ: gồm 4 chân A+, A-, B+, B- kết nối với 4 dây của động cơ bước, điều khiển góc quay của động cơ tùy thuộc vào số lượng xung cấp vào chân Pulse+ hoặc Pulse- Chiều quay của động cơ được xác định bởi tín hiệu cấp vào chân Dir+ và Dir-.
Cảm biến
2.11.1 Giới thiệu về cảm biến
Cảm biến là thiết bị điện tử cảm nhận những trạng thái hay quá trình vật lý, hóa học hay sinh học của môi trường cần khảo sát, và biến đổi thành tín hiệu điện để thu thập thông tin về trạng thái hay quá trình đó Phục vụ trong quá trình truyền và xử lý thông tin hoặc điều khiển những quy trình khác
Cảm biến cho ra một đại lượng đặc trưng mang tính chất điện như điện áp, dòng điện Cảm biến thường được đặt trong vỏ bảo vệ tạo thành đầu dò hoặc đầu thu tín hiệu, có kèm mạch điện hỗ trợ và có thể được gọi là “cảm biến”
Có nhiều cách để phân loại cảm biến chẳng hạn dựa vào dạng tín hiệu trả về là liên tục hoặc rời rạc hoặc dựa vào tính chất vật lý để phân loại cảm biến Ở đây ta có thể chia cảm biến ra thành 3 loại chính:
- Cảm biến vật lý: sóng điện từ, hồng ngoại, ánh sáng, tiệm cận, nhiệt độ, âm thanh, gia tốc, từ trường, Trên thị trường ngày nay, cảm biến có rất nhiều loại được bày bán với
31 những mục đích khác nhau Thế nhưng nhìn chung chúng đều được làm từ sensor phần tử điện thay đổi tính chất theo sự biến đổi của đầu dò, môi trường
- Cảm biến hóa học: độ ẩm, độ PH, khói,
- Cảm biến sinh học: biến đổi sinh hóa, biến đổi vật lý, hiệu ứng trên cơ thể sống,
2.11.3 Vai trò của cảm biến
Cảm biến có vai trò vô cùng quan trọng trong các hệ thống điều khiển tự động
- Giúp “cảm nhận” các tín hiệu điều khiển vào ra
- Đo đọc các giá trị cần đo
- Giới hạn “cảm nhận” với đại lượng vật lý cần đo.
Tổng quan về PLC
PLC (Programmable Logic Controller) là bộ điều khiển Logic có khả năng lập trình được, là loại thiết bị linh hoạt các thuật toán điều khiển số thông qua ngôn ngữ lập trình, thay cho việc thực hiện thuật toán bằng mạch số Được ra đời từ ý tưởng của một nhóm kỹ sư hãng General Motors vào năm 1968, và đề ra các yêu cầu kỹ thuật đáp ứng các chỉ tiêu sau:
• Dễ dàng lập trình và ngôn ngữ lập trình dễ hiểu
• Dễ dàng thực hiện bảo trì sửa chữa và thay thế
• Đảm bảo ổn định và độ tin cậy trong môi trường sản xuất công nghiệp
Cấu tạo của một hệ thống điều khiển bất kỳ gồm các thành phần sau:
Hình 2 20 Sơ đồ cấu trúc chung của PLC
- Khối vào: Đảm nhiệm chức năng chuyển đổi các đại lượng vật lý sang các tín hiệu điện, các bộ chuyển đổi có thể là: cảm biến, công tắc và nút nhấn…và tuỳ thuộc bộschuyển đổi mà tín hiệu ra khỏi khối vào có thể ON/OFF hoặc dạng liên tục (Analog)
- Khối xử lý – điều khiển:
Có nhiệm vụ xử lý thông tin từ khối vào để tạo những dòng tín hiệu ra đáp ứng chon nhu cầu điều khiển
Là kết quả của quá trình xử lý của hệ thống điều khiển Các tín hiệu ra này thường được sử dụng và tạo ra những hoạt động đáp ứng cho các thiết bị điện ở ngõ ra Các ngõ thường là: xilanh, động cơ, relay, van điện từ…
CPU (Central Processing Unit): Là bộ xử lý thông tin có nhiệm vụ điều khiển và quản lý mọi hoạt động bên trong PLC Việc trao đổi thông tin giữa CPU, bộ nhớ và cổng vào/ra được thực hiện thông qua hệ thống các BUS nối dưới sự điều khiển của CPU
Tất cả các PLC đều sử dụng 3 loại bộ nhớ:
Bộ nhớ ROM (Read Only Memory): Bộ nhớ chỉ đọc, PLC dung bộ nhớ này để lưu giữ chương trình điều hành do nhà sản xuất và chỉ nạp một lần
Bộ nhớ RAM (Random Acess Memory): bộ nhớ truy cập ngẫu nhiên, PLC dung bộ nhớ này để lưu trữ dữ liệu và kết quả tạm thời các phép toán
Dữ liệu lưu trong RAM sẽ bị xóa khi mất nguồn nuôi Để hạn chế mất dữ liệu khi xảy ra mất điện, PLC thường có một nguồn nuôi phụ cho RAM, nguồn nuôi có thể là tụ điện hoặc nguồn pin
Bộ nhớ EEPROM (Electrical Eraserable Programable ROM); là bộ nhớ có thể xóa và nạp lại bằng tín hiệu điện, tùy thuộc vào từng loại EEPROM cho phép xóa đi nạp lại vài nghìn tới vài chục nghìn lần Bộ nhớ EEPROM được dùng để lưu giữ chương trình ứng dụng trong PLC
Cổng vào/ra (input/output viết tắt là I/O) là: Mọi hoạt động bên trong PLC đều có mức điện áp ±5V hoặc ±15V (mức điện áp cấp cho các IC TTL hoặc CMOS) trong khi đó tín hiệu điều khiển bên ngoài theo chuẩn công nghiệp là 24VDC hoặc 240VAC Khối cổng I/O đóng vai trò là mạch giao tiếp giữa các vi mạch điện tử bên trong PLC với các mạch công suất bên ngoài, nó thực hiện chuyển đổi mức tín hiệu và cách ly
2.12.3 Phân loại các dòng PLC Mitsubishi
LC Mitsubishi có các họ như iQ-R Series, iF-R Series, Q Series, L Series, F/Fx Series, QS/WS Series, A Series.[5]
MELSEC iQ-R Series: là dòng sản phẩm gồm nhiều bộ điều khiển lập trình có khả năng điều khiển tự động đa dạng, thiết kế dưới dạng bus hệ thống tốc độ cao để đảm bảo MELSEC iQ-R mới có thể đạt hiệu suất cao và khả năng xử lý thông minh hơn Cấu hình bao gồm bộ điều khiển đa năng, hiệu suất cao (có sẵn cấu hình mạng CC-Link IE nhúng) có khả năng thay đổi dung lượng bộ nhớ và bộ điều khiển chuyển động vị trí có độ chính xác cao
Hình 2 21 PLC dòng MELSEC iQ-R Series
MELSEC iQ-F: là dòng có rất nhiều chức năng tích hợp sẵn như chức năng định vị với
8 kênh xung đầu vào tốc độ cao, ngõ ra xung tốc độ cao 4 trục; Ngõ vào ra analog gắn sẵn; cổn RS485, cổng Ethernet, khe cắm thẻ SD…vv
Hình 2 22 PLC dòng MELSEC iQ-F
Q Series: là dòng đã được cải thiện đáng kể hiệu năng của các hệ thống, dây chuyền tự động Bộ điều khiển lập trình PLC Q Series cho phép xử lý dữ liệu tốc độ cao, độ chính xác cao hơn, mạnh mẽ hơn
L Series: là bộ điều khiển nhỏ gọn, với hiệu suất vượt trội, chi phí thấp và độ tin cậy cao Nó cung cấp đầy đủ các yêu cầu về chứ năng, khả năng và hiệu suất cần thiết cho các ứng dụng ngày nay đang đòi hỏi trong một gói nhỏ gọn
F/FX Series: là dòng tích hợp nhiều chức năng trên CPU (Main Unit) như ngõ ra xung hai tọa độ, bộ đếm tốc độ cao (HSC), PID, đồng hồ thời gian thực… Module mở rộng nhiều chủng loại như Analog, nhiệt độ, điều khiển vị trí, các module mạng như Cclink, Profibus… Có các board mở rộng (Extension Board) như Analog, các board dùng cho truyền thông chuẩn RS232, RS422, RS485, USB
Hình 2 25 PLC dòng F/FX Series
QS Series: dành cho điều khiển an toàn quy mô từ vừa đến lớn Đạt được khả năng lập trình linh hoạt với điều khiển rẽ nhánh bằng CC-Link IE Field & CC-Link Safety và các khối hình thang & chức năng
WS Series: là dòng PLC dành cho điều khiển an toàn quy mô từ nhỏ đến vừa, dễ dàng lập trình một mạch an toàn chỉ bằng các khối chức năng
Hình 2 26 PLC dòng QS/WS Series
Ý TƯỞNG THIẾT KẾ HỆ THỐNG
Yêu cầu hệ thống
Để đạt được mục tiêu đề tài đặt ra, nhóm đã đưa ra những yêu cầu cho hệ thống sau khi hoàn thiện như sau:
- Về năng suất: Hệ thống đáp ứng được mục tiêu 300 chai/ giờ
- Về thể tích: Mỗi chai có thể tích 297 ml và sai số chiết rót không quá 10 ml
- Về chất lượng: Loại bỏ được các sản phẩm lỗi không đạt thể tích
- Hệ thống hoạt định ổn định trong quá trình thực hiện công việc.
Phương hướng và giải pháp thực hiện
3.2.1 Phần cơ khí Để thực hiện mô hình chiết rót, đóng nắp và phân loại lỗi mức nước nhóm đã chia thành 6 công đoạn được bố trí, lắp đặt trên mặt phẳng có kích thước 0,7x0,7 (mm)
Hình 3 1 Hình ảnh mô tả hệ thống
Công đoạn 1: Thực hiện việc cấp chai vào vị trí chiết rót Ở công đoạn này chai sẽ được người vận hành đưa lên băng tải, khi đó băng tải làm nhiệm vụ đưa chai đến vòi bơm để thực hiện công đoạn tiếp theo
Công đoạn 2: Thực hiện việc chiết rót Ở đây khi chai đã đến vị trí vòi bơm, băng tải dừng động cơ bơm nước hoạt động thực hiện quá trình chiết rót, khi bơm đủ mức nước set từ đầu thì cảm biến lưu lượng trả tiến hiệu ngắt động cơ, hoàn thành quá trình rót nước
Công đoạn 3: Thực hiện việc vận chuyển chai từ khâu chiết rót sang khâu cấp nắp và đóng nắp Khi này băng tải hoạt động lại , di chuyển chai đến mâm xoay, cảm biến tiện cận phát hiện chai , mâm xoay quay đưa chai đến khâu lấy nắp
Công đoạn 4: Thực hiện việc lấy nắp Mâm xoay đưa chai để vị trí máng cấp nắp, chai đi qua đẩy miếng giữ nắp lên, lúc này nắp sẽ rơi xuống miệng chai Quá trình này diễn ra trong thời gian ngắn khoảng 2s
Công đoạn 5: Thực hiện việc siết nắp và xác định sản phẩm lỗi Khâu này xilanh sẽ làm nhiệm vụ nâng hạ cơ cấu đóng nắp để thực hiện quá trình siết, đồng thời lúc đó cảm biến mức sẽ kiểm tra lượng nước đã đủ với yêu cầu ban đầu chưa
Công đoạn 6: Đầu ra chai sau khi hoàn thành và phân loại sản phẩm lỗi nếu có Khi chai đã hoàn thiện đóng nắp, kiểm tra mực nước sẽ được di chuyển ra ngoài băng tải để kết thúc chu trình a Công đoạn 1 và 6
Công đoạn 1 và 6 là công đoạn thực hiện việc di chuyển chai để đến các công đoạn tiếp theo trong hệ thống nên cần độ vững chắc, ổn định khi chai di chuyển và sau đây là các đề xuất của nhóm
Bảng 3 1 Phương án công đoạn 1 và 6
Phương án 1 Băng tải dây belt
Phương án 2 Băng tải xích Ưu điểm Dễ tìm kiếm vật liệu lắp ráp đơn giản
Chắc chắn, độ bền cao chịu tải lớn
Nhược điểm Sự ổn định không cao Khó lắp đặt
Sau khi so sánh ưu nhược điểm của hai phương pháp trên thì nhóm chọn phương án 1 để thực hiện cho công đoạn 1 và 6 bởi vì: vật liệu dễ tìm kiếm, lắp ráp đơn giản và chi phí thấp phù hợp với kích thước mô hình nhỏ b Công đoạn 2 Để đảm bảo năng suất và độ chính xác mực nước cho mô hình thì công đoạn 2 đóng vai trò quan trọng trong quá trình chiết rót và sau đây là các phương án chiết rót nhóm đề xuất
Bảng 3 2 Phương án công đoạn 2
Phương án 3 Áp suất Ưu điểm Tốc độ bơm nhanh Nhỏ gọn, chi phí thấp Vận hành đơn giản
Nhược điểm Kết cấu cơ khí lớn, giá thành cao
Tốc độ bơm bị giới hạn Dung sai chiết rót cao
Nhóm chọn phương án 2 dùng máy bơm làm phương án cho khâu chiết rót của hệ thống vì: nó phù hợp với mô hình hệ thống nhỏ và chi phí thấp có thể lắp đặt thêm cảm biến để tăng độ chính xác khi bơm c Công đoạn 3
Thực hiện việc luân chuyển chai đến các vị trí mong muốn của hệ thống nên nhóm xin đề xuất các phương án sau
Bảng 3 3 Phương án công đoạn 3
Phương án 2 Băng tải Ưu điểm Giảm diện tích mô hình Chi phí thấp, dễ gia công
Nhược điểm Sự ổn định không cao Khó lắp đặt
Nhóm chọn phương án 1 dùng để di chuyển chai bằng mâm xoay Kết hợp 2 khâu trong 1 là cấp nắp và vặn nắp trên mâm xoay
Hình 3 2 Mô phỏng mâm xoay d Công đoạn 4 Để công đoạn cấp nắp hoạt động một cách ổn định và có độ chuẩn xác cao trong quá trình hoạt động thì đã thì đề xuất một vài phương án cấp nắp như sau:
Bảng 3 4 Phương án công đoạn 4
Phương án 2 Máng dẫn nắp Ưu điểm Chính xác, độ bền cao Chi phí thấp, dễ gia công
Nhược điểm Chi phí cao, khó gia công Độ chính xác không cao
42 Nhóm chọn phương án 2 là máng dẫn nắp vì phương pháp đáp ứng được mô hình hoạt động ổn định Hoạt động bằng cách cấp thủ công lên máng dẫn và sau đó khi chai đi qua sẽ tự động lấy nắp
Hình 3 3 Mô phỏng máng dẫn nắp e Công đoạn 5 Để cho chai được chắc chắn, không bị rỉn nước và bảo quản được lâu sau khi đóng nắp thì công đoạn 5 cần có độ một lực vừa đủ, độ chính xác cao để vặn nắp chai và sau đây là một số phương án được đề xuất
Bảng 3 5 Phương án công đoạn 5
Phương án 1 Con lăn vặn nắp
Phương án 2 Núm vặn nắp Ưu điểm Chắc chắn, bền Chi phí thấp, dễ gia công
Nhược điểm Chi phí cao, khó gia công Độ chính xác không cao
Sử dụng phương án 2 là núm vặn nắp vì chi phí thấp, dễ gia công chế tạo, độ tin cậy ổn định, đáp ứng được trong quá trình mô hình hoạt động
43 3.2.2 Phần điện a Bộ xử lý Để cho mô hình hoạt động ổn định cần có một bộ xử lý trung tâm ổn định không bị nhiễu hệ thống, có nhiệm vụ xử lý các chương trình điều khiển và sau đây là các phương án được đề xuất lựa chọn bộ xử lý:
Bảng 3 6 Phương án chọn bộ xử lý
Phương án 2 PLC Ưu điểm Chi phí thấp, nhỏ gọn Tốc độ xử lý nhanh, chống nhiễu tốt đáp ứng được công nghiệp
Nhược điểm Tốc độ xử lý không cao, chống nhiễu không tốt, ít được sử dụng trong công nghiệp
Thiết kế mô hình
Mô phỏng khâu chiết rót
Hình 3 5 Mô phỏng khâu chiết rót
Hình 3.5 Biểu diễn mô phỏng các chi tiết của khâu chiết rót gồm:
- Chi tiết 1: Động cơ bơm nước – Thực hiện quá trình bơm nước vào chai
- Chi tiết 2: Cảm biến lưu lượng – Đọc giá trị lượng nước được bơm vào
- Chi tiết 3: Thành định hướng chai – Giữ chai không bị đổ trong quá trình di chuyển trên băng tải
- Chi tiết 4: Cảm biến tiệm cận phát hiện chai ở vị trí rót- Dừng băng tải và đưa chai vào đúng vị trí cần rót
- Chi tiết 5: Băng tải cấp chai – Di chuyển chai từ khâu chiết tới khâu đóng nắp
47 b) Khâu cắp nắp và siết nắp
Mô phỏng khâu cấp nắp và siết nắp
Hình 3 6 Mô phỏng khâu cắp nắp và siết nắp
Hình 3.6 biểu diễn mô phỏng khâu cấp nắp và siết nắp với các chi tiết sau
- Chi tiết 1: Cụm cơ cấu xilanh và đầu vặn nắp – Cơ cấu xi lanh dùng để nâng hạ cơ cấu xiết nắp, đầu vặn nắp dung để xiết nắp chai
- Chi tiết 2: Cảm biến mức nước – Dùng để kiểm tra mức nước trong chai sau khi chiết rót hoàn thành, quá trình này thực hiện trong lúc xiết nắp
- Chi tiết 3: Cảm biến phát hiện chai vị trí siết nắp – Khi chai được đưa đến vị trí này cảm biến sẽ đọc tín hiệu để dừng mâm xoay để chai đứng yên thực hiện quá trình siết nắp
- Chi tiết 4: Cụm cơ cấu mâm xoay và trục – Nó có nhiệm vụ đưa chai từ băng tải đầu tiên đến khâu xiết nắp và đưa ra băng tải thứ 2 sau khi hoàn thành
- Chi tiết 5: Máng dẫn nắp – Dùng để đựng nắp và cấp nắp cho chai
- Chi tiết 6: Cảm biến phát hiện chai vào mâm xoay – Khi chai tới cảm biến nhận được thông tin , mâm xoay sẽ quay để thực hiện công việc
- Chi tiết 7: Cảm biến set home cho mâm xoay – Tìm vị trí gốc cho mâm xoay
- Chi tiết 8: Động cơ Step – Dùng để quay cơ cấu mâm xoay
48 c) Khâu đầu ra sản phẩm và phân loại lỗi
Mô phỏng khâu đầu ra sản phẩm và phân lỗi mực nước:
Hình 3 7 Mô phỏng khâu đầu ra sản phẩm và phân lỗi
Hình 3.7 biểu diễn mô phỏng khâu đầu ra sản phẩm và phân loại lỗi về mức nước với các chi tiết sau:
- Chi tiết 1: Xilanh đẩy sản phẩm lỗi chai – Sau khi cảm biến mức nước phát hiện được có chai bị thiếu nước thì sau khi đóng nắp xong xi lanh sẽ đẩy chai ra khỏi băng chuyền
- Chi tiết 2: Băng tải – Dùng để di chuyển chai sau khi hoàn thành để đến khâu tiếp theo d) Phân bố các thiết bị điện
Phân bố các thiết bị điện có trong hệ thống bao gồm nguồn., hộp nút nhấn, PLC, thiết bị đóng cắt nguồn, thiết bị đóng ngắt các thiết bị cơ cấu chấp hành, driver động cơ Step, valve điện từ điều khiển xilanh
Hình 3 8 Phân bố thiết bị điện
Hình 3.8 biểu diễn mô tả phần bố trí các thiết bị điện với các chi tiết sau:
- Chi tiết 1: Cụm núp nhấn – Có 3 nút nhấn ON/ OFF – RESET để vận hành mô hình
- Chi tiết 2: PLC – Bộ xử lý trung tâm của hệ thống
- Chi tiết 3: Cụm nguồn – Cấp nguồn cho toàn bộ hệ thống
- Chi tiết 4: Máng đi dây – Giúp dây gọn hơn và đẹp hơn
- Chi tiết 5: Circuit Breaker (CB) – Để đóng ngắt nguồn cho hệ thống
- Chi tiết 6: Cụm thiết bị đóng cắt – Để đóng ngắt các thiết bị cơ cấu chấp hành của hệ thống
- Chi tiết 7: Driver Step – điều khiển động cơ step của mâm xoay
- Chi tiết 8: Valve khí nén – Thiết bị điều khiển các xilanh trong hệ thống
50 e) Tổng thể thiết kế hệ thống
Tổng thể phần thiết kế mô hình hệ thống
Hình 3 9 Mô phỏng tổng thể hệ thống
Hình 3.9 biểu diễn mô tả phần tổng thể phần thiết kế mô hình hệ thống với các chi tiết sau:
- Chi tiết 1: Khâu chiết rót
- Chi tiết 2: Khâu cấp nắp và siết nắp
- Chi tiết 3 : Khâu đầu ra sản phẩm và phân loại lỗi
- Chi tiết 4 : Phần bố trí thiết bị điện
Lưu đồ giải thuật
3.4.1 Nguyên lý hoạt động mô hình Đầu tiên đảm bảo CB được bật để cấp điện cho toàn bộ hệ thống Sau khi nút nhấn Start được bật mâm xoay sẽ tìm vị trí gốc Mâm xoay ở vị trí gốc thì băng tải cấp chai được hoạt động Việc cấp chai được thực hiện thủ công mỗi lần 2 chai, khi có chai ở vị trí chiết rót, thực hiện rót nước vào chai cho tới khi đạt cảm biến thu được giá trị bằng với
51 giá trị đặt kết thúc quy trình chiết rót Băng tải cấp chai tiếp tục hoạt động đưa chai tới mâm xoay, khi có tín hiệu từ cảm biến phát hiện chai vào mâm xoay thì mâm xoay xoay
90 sau đó cấp một chai vào mâm xoay nữa Băng tải cấp chai được hoạt động và sẵn sàng việc chiết rót Hai chai trong mâm xoay thực hiện việc cấp nắp và siết nắp thông qua động cơ Step Tại vị trí siết nắp thực hiện việc kiểm tra lỗi nếu có lưu giá trị vào biến nhớ để phân loại ở băng tải sau, sau đó thực hiện việc siết nắp Đầu ra chai sẽ thực hiện việc phân loại lỗi sản phẩm nếu có Chu trình sẽ được lặp lại cho tới khi nhấn nút Stop
Hình ảnh lưu đồ giải thuật xử lý chương trình của mô hình
Hình 3 10 Lưu đồ giải thuật (1)
Hình 3 11 Lưu đồ giải thuật (2)
53 Chương trình con chiết rót và đóng nắp của lưu đồ giải thuật:
TÍNH TOÁN LỰA CHỌN THIẾT BỊ
Động cơ bơm nước
Với yêu cầu đặt ra của hệ thống thể tích của chai là 297ml, hiệu suất làm việc là
300 chai/giờ Và hệ thống có 2 bơm nên ta cần 150 chu trình/giờ thì hoàn thành chỉ tiêu đặt ra Vậy mỗi chu trình mất 24 giây/chu trình
Hệ thống thực hiện liên tục nên thời gian bơm chiết rót và thời gian thực hiện cấp nắp, siết nắp, phân loại không ảnh hưởng đến nhau Vậy thời gian chiết rót và chạy hết băng tải cấp chai mất khoảng 24 giây
Chọn động cơ bơm nước R385
Thông số kỹ thuật bơm nước:
Bảng 4 1 Thông số kỹ thuật bơm nước
Thông số Giá trị Điện áp làm việc 6 ~ 12 VDC
Lưu lượng bơm 1,5 ~ 2,0 L/min Áp suất đầu vào 0,3 Mpa Đường kính đầu bơm (trong) 6mm Đường kính đầu bơm (ngoài) 8.5mm
55 Với hiệu suất bơm như trên thì thời gian để bơm được 280ml nước:
1000∙𝑄∙η (s) (4.1) Trong đó: V - thể tích cần bơm (ml)
Q - lưu lượng máy bơm (L/min) η - hiệu suất máy bơm
+ Thời gian min: (lấy giá trị hiệu suất máy bơm 0,8)
1000∙2∙0,8 = 10,5 (s) + Thời gian max: (lấy giá trị hiệu suất máy bơm 0,8)
Ta lấy thời gian max để xét các khâu tiếp theo vậy thời gian hoàn thành việc chiết rót mất khoảng 14s
Dựa vào đường kính ngoài và trong của máy bơm ta chọn vòi bơm là ống nhựa PU M10x6.5mm
Với các thông số như sau:
Bảng 4 2 Thông số kỹ thuật của ống nhựa
Chất liệu PU polyurethane Áp suất làm việc 10 kgf/cm2
Trọng lượng 0,02 kg/1m Đường kính ống (trong) 6.5 mm Đường kính ống (ngoài) 10 mm
Động cơ băng tải
Chọn vật liệu làm băng tải:
Hình 4 3 Hình ảnh các bộ phận băng tải
Khung băng tải: Nhôm định hình 20x20 mm
Mặt băng tải: Nhựa PVC, độ dày 2mm (có bề mặt nhám giữ được chai đứng yên khi băng tải hoạt động)
Trục xoay băng tải: Chất liệu INOX
Hình 4 4 Kích thước băng tải
Thời gian chạy cấp chai và chiết rót là 24s, thời gian chiết rót 14s vậy thời gian để chai chạy hết băng tải mất 10s
Chiều dài băng tải 400 mm
Các giá trị của hệ thống có sẵn:
Bảng 4 3 Các giá trị cho trước của hệ thống
D - Đường kính con lăn (mm) 25 mm
𝐹 𝐴 - Ngoại lực tác động lên băng tải (N) 0,3 N
𝑚 - Tổng khối lượng dây belt và phôi
1,5 kg μ - Hệ số ma sát 0,3
∅ - Góc nghiêng của băng tải với mặt phảng ngang (rad)
𝑆 𝑓 - Hệ số an toàn 2,0 η – Hiệu suất con lăn và băng tải 0,8
Tốc độ quay của đầu ra trục hộp số:
Trong đó : V - vận tốc băng tải theo yêu cầu (𝑚𝑚 𝑠⁄ )
D - Đường kính con lăn (mm)
𝑁 𝐺 Trong đó: 𝑉 đ𝑐 - Vận tốc động cơ (𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄ )
𝑁 𝐺 - Tốc độ quay của đầu ra trục hộp số (𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄ )
Hệ thống động cơ được gắn trực tiếp với trục con lăn không qua hộp số hay puly nào khác nên tốc độ quay đầu trục con lăn sẽ chính là tốc độ động cơ
Lực ma sát trên mặt trượt
𝐹 = 0,3 + 1,5 ∙ 9,81(sin(0) + 0,3 ∙ cos(0)) = 4,431 (N) Trong đó: 𝐹 𝐴 - Ngoại lực tác động lên băng tải (N)
𝑚 - Tổng khối lượng dây belt và phôi (kg) μ - Hệ số ma sát (0.3 ~ 0.5)
∅ - Góc nghiêng của băng tải với mặt phảng ngang (rad)
2 ∙0,8 ≈ 0,138(𝑁 ∙ 𝑚) ≈ 1,42(𝑘𝑔 ∙ 𝑐𝑚) Trong đó: 𝑆 𝑓 - Hệ số an toàn (1.5 ~ 2.0)
𝐹 - Lực ma sát trên mặt trượt (N)
D - Đường kính con lăn (m) η - Hiệu suất con lăn và băng tải (0.8 ~ 0.9)
Từ tốc độ và moment tải của động cơ ta tính được thì cần chọn động cơ cho băng tải có yêu cầu : 𝑉 đ𝑐 > 31.8 (𝑟 𝑚𝑖𝑛⁄ ) và 𝑇 𝐿 > 1,42(𝑘𝑔 ∙ 𝑐𝑚)
Nhóm chọn động cơ JGB37-520-2408 45rpm.[8]
Hình 4 5 Động cơ băng tải
Thông số kỹ thuật của động cơ băng tải:
Bảng 4 4 Thông số kỹ thuật của động cơ băng tải
Thông số Giá trị Điện áp định mức 24 V
Tốc độ không tải 45 rpm
Tốc độ có tải định mức 36 rpm
Moment xoắn định mức 2.7 kg.cm
Moment xoắn cực đại 10.8 kg.cm Đường kính trục 6mm
Động cơ step
Với bán kính mâm xoay: R = 160 (mm)
Tổng khối lượng mâm xoay, tải, trục, đai ốc và ốc liên kết mâm xoay m ≈ 3 kg
Chiều dài vòng cung mà mâm xoay xoay được tính theo công thức:
180 (mm) (4.6) Trong đó: L - chiều dài vòng cung (mm)
R - bán kính mâm xoay (mm)
𝜃 - góc xoay của mâm xoay (°)
Cài đặt driver Microstep là: 6400 pulse/rev và tốc độ cấp xung được cài trong chương trình là: 1200pulse/s
Thời gian mà mâm xoay xoay được 1 vòng:
Chiều dài vòng cung mà động cơ step chạy được 1 vòng
Tốc độ động cơ Step cần đạt
𝑀 = 𝐹 ∙ 𝑅 = 0,666 ∙ 0,16 = 0,11(𝑁 𝑚) (4.11) Dựa vào moment xoắn vừa tìm được ta chọn động cơ có moment xoắn > 0,11 (𝑁 𝑚) Chọn động cơ: Step 57 có mã 23KM-K250-P2V có moment xoắn đạt 1,27 (𝑁 𝑚)
Thông số kỹ thuật của động cơ:
Bảng 4 5 Thông số kỹ thuật của động cơ băng tải
Thông số Giá trị Đường kính trục 8 mm
Số dây 6 dây Điện áp làm việc 24 VDC
Dòng điện làm việc 1,2A/pha
Khối lượng động cơ 1 kg
Động cơ siết nắp
Theo các thực nghiệm lực siết nắp sau:[9]
Hình 4 7 Thực nghiệm lực siết nắp
Lực moment siết nắp chai rơi vào khoảng < 15 (IbF in) ≈ 17,28 (kg.cm) ≈ 1,7 (N.m) Chọn động cơ JGB37-520-2460 22rpm.[8]
Hình 4 8 Động cơ siết nắp
Thông số kỹ thuật của động cơ:
Bảng 4 6 Thông số kỹ thuật động cơ siết nắp
Thông số Giá trị Điện áp định mức 24 V
Tốc độ không tải 22 rpm
Tốc độ có tải định mức 18 rpm
Moment xoắn định mức 5.5 kg.cm
Moment xoắn cực đại 22 kg.cm Đường kính trục 6mm
Xi lanh giữ cơ cấu siết nắp
Với yêu cầu xilanh cần giữ được cơ cấu siếp nặng 0,3 kg và chiều dài từ cơ cấu siết nắp tới miệng chai trong quá trình siết nắp cao 6cm
Bảng 4 7 Thông số xilanh nâng hạ cơ cấu siết nắp
Hành trình 100 mm Đường kính trong 25mm Đường kính trục M5
Kích thước cổng RC 1/8” Áp suất hoạt động 0,05 ~ 0,7 Mpa
Lực tác động (tại 0,5Mpa) Lực đẩy: 491 N
Vận tốc tối đa 600 mm/s
Với thông số kỹ thuật như trên thì xylanh có thể giữ vật 0,3 kg khi tác động và hành trình của xilanh đáp ứng được khoảng cách từ đầu siết nắp tới cổ chai.
Valve điện từ
Tín hiệu điện từ ngõ ra PLC là 24V nên chọn valve điện từ có điện áp kích coil là 24V Chọn valve 4V110-06-24
Thông số kỹ thuật của valve điện từ
Bảng 4 8 Thông số valve điện từ 4V110-06-24
Thông số Giá trị Điện áp kích coil 24 VDC
Kích thước cổng IN, OUT 1/8"
Loại valve 5/2 Áp suất hoạt động 0,15 ~ 0,8 Mpa
Nút nhấn
Tùy theo chức năng và trạng thái hoạt động có các loại nút nhấn sau:
- Nút nhấn đơn: mỗi nút nhấn chỉ có một trạng thái hoạt động On (hoặc Off)
- Nút nhấn kép: nút nhấn có 2 trạng thái On/Off
Ta chọn nút nhấn đơn cho mô hình:
- Nút Start đầu vào tín hiệu với nhiệm vụ cho phép hệ thống hoạt động
- Nút Stop đầu vào tín hiệu với nhiệm vụ ngừng hệ thống hoạt động
- Nút Reset đầu vào tín hiệu với nhiệm vụ đặt lại hệ thống chấp hành về vị trí ban đầu
Cảm biến tiệm cận
Chai có chất liệu bằng nhựa nên ta có thể chọn cảm biến vật cản hồng ngoại cho mô hình Chọn 5 cảm biến vật cản hồng ngoại gồm 2 cảm biến phát hiện vị trí chiết rót, 1 cảm biến phát hiện chai vào vị trí mâm xoay, 1 cảm biến phát hiện chai ở vị trí siết nắp và một cảm biến set home cho mâm xoay
Chọn cảm biến vật cản hồng ngoại model E3F – DS30C4 loại NPN thường mở
Hình 4 12 Cảm biến tiệm cận E3F – DS30C4
Sơ đồ nối dây tham khảo của cảm biến:
Hình 4 13 Sơ đồ kết nối cảm biến tiệm cận
Thông số kỹ thuật cảm biến hồng ngoại
Bảng 4 9 Thông số kỹ thuật của cảm biến tiệm cận E3F – DS30C4
Nguồn điện cung cấp 6 ~ 36VDC
Khoảng cách phát hiện vật cản 0~30cm
Góc khuếch tán (góc chiếu) 3°~5°
Dòng kích ngõ ra 300mA
Dạng đóng ngắt NPN (NO)
Cảm biến lưu lượng
Nguyên lí hoạt động: Cảm biến lưu lượng nước hoàn chỉnh bao gồm một van cho phép nước đi qua Một roto (wheel turbin) và cảm biến từ Hall, cùng với bộ chỉ thị chiều vào ra của dòng nước, lưu lượng nước
Khi nước chảy qua van, nước làm quay roto, lưu lượng nước lớn hay nhỏ sẽ làm thay đổi tốc độ của roto, điều này được quan sát bằng tín hiệu dạng xung ở đầu ra của cảm biến từ Hall
Dạng tín hiệu trả về của cảm biến khi đọc qua oscilloscope
Hình 4 14 Dạng tín hiệu cảm biến lưu lượng
Vì lưu lượng nước bơm qua chai không lớn nên ta có thể chọn cảm biến với lưu lượng với công suất nhỏ Chọn cảm biến lưu lượng YF-S401
Hình 4 15 Cảm biến lưu lượng YF-S401
Sơ đồ nối dây tham khảo của cảm biến:
Hình 4 16 Sơ đồ nối dây cảm biến lưu lượng YF-S401
Thông số kỹ thuật của cảm biến
Bảng 4 10 Thông số kỹ thuật cảm biến lưu lượng YF-S401
Nguồn điện cung cấp 5 ~ 12VDC
Lưu lượng cho phép 1~5L/min Áp lực nước cho phép ≤ 1,75Mpa
Số xung tương ứng 1L 5880 xung
69 Chai nước có thể tích 297ml thực hiện bơm gần đây chai với dung tích 280ml tương ứng cần thu được 1646 xung.
Cảm biến mức nước
Cảm biến sẽ được lắp ở một vị trí cố định nơi có cùng độ cao với mực nước cần kiểm tra trên thành chai Từ đó nó có thể phát hiện được mức nước có đạt yêu cầu hay không
Hình 4 17 Hình ảnh mô tả vị trị đặt cảm biến mức
Nhóm chọn cảm biến mức XKC-Y26-NPN
Hình 4 18 Cảm biến mức XKC-Y26-NPN
Sơ đồ nối dây tham khảo của cảm biến
Hình 4 19 Sơ đồ nối dây của cảm biến XKC-Y26-NPN
70 Dây đen giúp chọn tín hiệu ở dây vàng là mức cao hoặc mức thấp bằng cách Loại cảm biến được chọn có dạng NPN, không nối dây đen thì dạng tín hiệu ở đầu ra là dạng NO tương ứng mức thấp Còn khi nối dây đen với VCC thì dạng tín hiệu ở đầu ra là dạng NC tương ứng mức cao
Thông số kỹ thuật của cảm biến
Bảng 4 11 Thông số kỹ thuật cảm biến mức XKC-Y26-NPN
Nguồn điện cung cấp 5 ~ 12VDC
Dòng điện ngõ ra ≤100mA
Thời gian phản hồi 500ms
Driver Step
Chọn Microstep Driver là dòng nâng cấp của Driver TB6600 các chân pulse và dir có thể điều khiển bằng điện áp 24V phù hợp với điện áp ngõ ra PLC
Sơ đồ nối dây tham khảo:
Hình 4 21 Sơ đồ nối dây của driver step
Thông số kỹ thuật của driver [3]
Bảng 4 12 Thông số kỹ thuật của Microstep Driver
Thông số Giá trị Điện áp cấp 9 ~ 42VDC
Công suất tối đa 160W Độ phân giải 7 lựa chọn
PLC
Tổng số ngõ vào của hệ thống: 11
Tổng số ngõ ra của hệ thống: 9
Chọn PLC Mitsubishi Fx1s-30MT với số ngõ vào của PLC:16, số ngõ ra của PLC:14
Hình 4 22 PLC Mitsubishi Fx1s-30MT
Thông số kỹ thuật PLC [1]
Bảng 4 13 Thông số kỹ thuật của PLC Fx1s-30MT
Thời gian mất điện tối đa
